УДК

DOI:

Аннотация

Физико-механические свойства древесины зависят от количества влаги, находящейся в клеточных стенках и связанной с ее компонентами. Однако до сих пор нет четкого представления о местонахождении связанной влаги в древесинном веществе клеточных стенок. Цель исследования состояла в том, чтобы теоретически обосновать сорбционную способность компонентов древесины и смоделировать данный процесс на наноуровне с учетом размеров молекул и атомов. Для моделирования был взят основной и наиболее изученный компонент древесины – целлюлоза. Разработанная нами пространственная сферическая модель макромолекулы целлюлозы и расположение ее звеньев в элементарной ячейке позволили объяснить механизм поглощения влаги клеточной стенкой древесины на молекулярном уровне. Гидроксильные группы макромолекул целлюлозы и молекул воды имеют одну природу, так как электроотрицательность составляющих их атомов совпадает по значению, что позволяет им легко образовывать межмолекулярные водородные связи в одном слое и между соседними слоями в кристалле. Водородная связь по своему характеру является электростатической. Энергия ее примерно в 10 раз меньше энергии межатомных ковалентных связей. Электроотрицательности ОН-групп молекул целлюлозы и воды совпадают по значимости, поэтому при определенных энергетических условиях окружающей среды молекула воды, разрывая межмолекулярную водородную связь молекулы целлюлозы, тут же замыкает ее на себя. Точно также молекула воды покидает водородную связь, если она обладает достаточной кинетической энергией, чтобы сдвинуться с места. Проникновение молекул воды в кристалл целлюлозы происходит путем перемещения их из одной водородной связи в другую. Молекулы воды удерживаются в этих связях только за счет своей электроотрицательности. Таким образом, механизм взаимодействия микрокристаллита целлюлозы с влагой определяется тем, что молекулы воды удерживаются в водородных связях гидроксильных групп глюкопиранозных звеньев макромолекулы целлюлозы и имеют возможность перемещаться между ними. При внедрении молекулы воды в водородную связь расстояние между OH-группами целлюлозы увеличивается на ее размер, и при влагопоглощении разбухание кристаллической структуры целлюлозы составляет около 12 %. Молекулы воды образуют водородные связи с лигнином и гемицеллюлозой так же, как с целлюлозой. Расчет, произведенный через молекулярные массы элементарных звеньев макромолекул, показывает, что максимальное количественное содержание физически связанной влаги в древесине составляет около 30 %, что соответствует многочисленным экспериментальным данным других исследователей.

Сведения об авторах

В.И. Врублевская, д-р техн. наук, проф.

В.О. Матусевич, канд. техн. наук

В.В. Кузнецова, ассист.

Белорусский государственный университет транспорта, ул. Кирова, д. 34, г. Гомель, Республика Беларусь, 246653; e-mail: vmatusevich@yandex.ru

Ключевые слова

Для цитирования

Врублевская В.И., Матусевич В.О., Кузнецова В.В.  Обоснование механизма взаимодействия компонентов древесины с влагой // Лесн. журн. 2017. № 3. С. 152–163. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.152

Литература

1. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 296 с.

2. Зоммер К., Вюнш К.Х., Цеттлер М. Химия: справ. / под общ. ред. Р.А. Лидина. 3-е изд. М.: Дрофа, 2003. 384 с.

3. Левитина Т.П. Справочник по органической химии: учеб. пособие. СПб.: Паритет, 2002. 448 с.

4. Лигнины (структура, свойства и реакции) / под ред. К.В. Сарканена, К.Х. Люд-вига; пер. с англ.: А.В. Оболенской, Г.С. Чиркина, В.П. Щеголева под ред. В.М. Никитина. М.: Лесн. пром-сть, 1975. 629 с.

5. Матусевич В.О. Структурные изменения клеточных стенок древесины и их роль в интенсификации СВЧ-сушки древесных вкладышей подшипников скольжения: дис. … канд. техн. наук. Гомель, 2011. 130 с.

6. Невзорова А.Б., Врублевский В.Б., Матусевич В.О., Врублевская В.И. Подшипники скольжения самосмазывающиеся на основе модифицированной древесины (теория, технология и практика): моногр. Гомель: БелГУТ, 2011. 254 с.

7. Никитин В.М., Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и целлюлозы. М.: Лесн. пром-сть, 1978. 368 с.

8. Перелыгин Л.М., Уголев Б.Н. Древесиноведение: учеб. для лесотехн. техникумов. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 286 с.

9. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. Л.: Химия, 1977. 376 с.

10. Роговин З.А., Шорыгина Н.Н. Химия целлюлозы и ее спутников. М.; Л.: Госхимиздат, 1953. 679 с.

11. Серговский П.С., Рассев А.И. Гидротермическая обработка и консер­вирование древесины: учеб для вузов. 4-е изд., испр. и доп. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 360 с.

12. Уголев Б.Н. Древесиноведение и лесное товароведение: учеб. Изд. 2-е, стер. М.: Академия, 2006. 270 с.

13. Химия древесины / под ред. Б.Л. Браунинга. М.: Лесн. пром-сть, 1967. 415 с.

14. Чудинов Б.С. Вода в древесине: моногр. Новосибирск: Наука, 1984. 272 с.

15. Baker A.A., Helbert W., Sugiyama J., Miles M.J. Surface Structure of Native Cellulose Microcrystals by AFM // Applied Physics. A: Materials Science and Processing. 1998. Vol. 66, iss. 7. Pp. 559–563.

16. Horikawa Y., Itoh T., Sugiyama J. Preferential Uniplanar Orientation of Cellulose Microfibrils Reinvestigated by the FTIR Technique // Cellulose. 2006. Vol. 13, iss. 3. Pp. 309–316.

17. O'Sullivan A.C. Cellulose: the Structure Slowly Unravels // Cellulose. 1997. No. 4. Pp. 173–207.

18. Zugenmaier P. Crystalline Cellulose and Cellulose Derivatives: Characterization and Structures. Berlin: Springer, 2008. 285 p. 

Поступила 26.01.17

Ссылка на английскую версию:

UDС 621.3.029.6:674.8

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.152

Substantiation of the Interaction Mechanism of Wood Components and Water

V.I. Vrublevskaya, Doctor of Engineering Sciences, Professor

V.O. Matusevich, Candidate of Engineering Sciences

V.V. Kuznetsova, Assistant

Belarusian State University of Transport, ul. Kirova, 34, Gomel, 246653, Republic of Belarus; e-mail: vmatusevich@yandex.ru

The physical and mechanical properties of wood depend on the amount of moisture in the cell walls, associated with its components. However, we still have no clear idea of the location of bound moisture in the wood substance of the cell walls. The goal of research is to substantiate theoretically the sorption ability of wood components and to simulate this process at the nanoscale, taking into account the size of molecules and atoms. We consider cellulose as the main and most studied component of wood for modeling. The developed spatial spherical model of the cellulose macromolecule and the arrangement of its building blocks in the unit cell make it possible to explain the mechanism of moisture absorption by the cell wall of wood at the molecular level. The hydroxyl groups of cellulose macromolecules and water molecules are of one nature, since the electronegativity of their constituent atoms is the same, which allows them to form easily the intermolecular hydrogen bonds in one layer and between adjacent layers in the crystal. The hydrogen bond is electrostatic in nature. Its energy is about 10 times less than the energy of interatomic covalent bonds. The electronegativity of OH-groups of cellulose and water molecules coincide in importance; therefore, under certain energy conditions of the environment, the water molecule, breaking the intermolecular hydrogen bond of the cellulose molecule, immediately closes it on itself. Similarly, the water molecule leaves the hydrogen bond, if it has sufficient kinetic energy to move. The penetration of water molecules into a cellulose crystal occurs by moving them from one hydrogen bond to another. Water molecules are retained in these bonds only due to their electronegativity. Thus, the interaction mechanism of cellulose microcrystalline with moisture is determined by the fact that water molecules are retained in the hydrogen bonds of the hydroxyl groups of the glucopyranose units of the cellulose macromolecule and are able to move between them. When the water molecule is introduced into the hydrogen bond, the distance between the OH-groups of cellulose is increased by its size; and at a moisture absorption the swelling of the cellulose crystalline structure is about 12 %. Water molecules form hydrogen bonds with lignin and hemicellulose in the same way as with cellulose. The calculation, made through the molecular masses of building blocks of macromolecules, demonstrates, that the maximum quantitative content of physically bound moisture in wood is about 30 %, which corresponds to numerous experimental data of other researchers.

Keywords: wood, cellulose, lignin, absorption, bound moisture, hydrogen bond, microcrystallite, electronegativity.

REFERENCES 

1. Borovikov A.M., Ugolev B.N. Spravochnik po drevesine [Wood Reference]. Moscow, 1989. 296 p.

2. Sommer K., Wünsch K.-H., Zettler M. Wissensspeicher Chemie. Berlin, 1998.
384 p.

3. Levitina T.P. Spravochnik po organicheskoy khimii [Handbook of Organic Chemistry]. Saint Petersburg, 2002. 448 p.

4. Sarkanen K.V., Ludwig C.H., eds. Lignins: Occurrence, Formation, Structure and Reactions. New York, 1971. 916 p.

5. Matusevich V.O. Strukturnye izmeneniya kletochnykh stenok drevesiny i ikh rol' v intensifikatsii SVCh-sushki drevesnykh vkladyshey podshipnikov skol'zheniya: dis. … kand. tekhn. nauk [Structural Changes in the Cell Walls of Wood and Their Role in the Intensification of Microwave Drying of Wood Plain Bearing Liners: Cand. Eng. Sci. Diss.]. Gomel, 2011. 130 p.

6. Nevzorova A.B., Vrublevskiy V.B., Matusevich V.O., Vrublevskaya V.I. Podshipniki skol'zheniya samosmazyvayushchiesya na osnove modifitsirovannoy drevesiny (teoriya, tekhnologiya i praktika) [Self-Lubricating Plain Bearings on the Basis of Modified Wood (Theory, Technology and Practice)]. Gomel, 2011. 254 p.

7. Nikitin V.M., Obolenskaya A.V., Shchegolev V.P. Khimiya drevesiny i tsellyulozy [Chemistry of Wood and Cellulose]. Moscow, 1978. 368 p.

8. Perelygin L.M., Ugolev B.N. Drevesinovedenie [Wood Science]. Moscow, 1971. 286 p.

9. Rabinovich V.A., Khavin Z.Ya. Kratkiy khimicheskiy spravochnik [Brief Chemical Handbook]. Leningrad, 1977. 376 p.

10. Rogovin Z.A., Shorygina N.N. Khimiya tsellyulozy i ee sputnikov [Chemistry of Cellulose and Its Satellites]. Moscow; Leningrad, 1953. 679 p.

11. Sergovskiy P.S., Rassev A.I. Gidrotermicheskaya obrabotka i konservirovanie drevesiny [Hydrothermal Processing and Preserving of Wood]. Moscow, 1987. 360 p.

12. Ugolev B.N. Drevesinovedenie i lesnoe tovarovedenie [Wood Science and Forest Commodity Science]. Moscow, 2006. 270 p.

13. Browning B.L., ed. The Chemistry of Wood. New York, 1963. 689 p.

14. Chudinov B.S. Voda v drevesine [Water in Wood]. Novosibirsk, 1984. 272 p.

15. Baker A.A., Helbert W., Sugiyama J., Miles M.J. Surface Structure of Native Cellulose Microcrystals by AFM. Applied Physics. A: Materials Science and Processing, 1998, vol. 66, iss. 7, pp. 559–563.

16. Horikawa Y., Itoh T., Sugiyama J. Preferential Uniplanar Orientation of Cellulose Microfibrils Reinvestigated by the FTIR Technique. Cellulose, 2006, vol. 13,
iss. 3, pp. 309–316.

17. O'Sullivan A.C. Cellulose: the Structure Slowly Unravels. Cellulose, 1997, no. 4, pp. 173–207.

18. Zugenmaier P. Crystalline Cellulose and Cellulose Derivatives: Characterization and Structures. Berlin, 2008. 285 p.

Received on January 26, 2017

For citation: Vrublevskaya V.I., Matusevich V.O., Kuznetsova V.V. Substantiation of the Interaction Mechanism of Wood Components and Water. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 3, pp. 152–163. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.3.152