IR-spectroscopy of hydrogen bonding in wood: Picea abies.
Authors: Иванов-Омский В.И. , Герасюта С.М. , Иванова Е.И. 
Published: September 2020

Исследованы ИК-спектры древесины ели обыкновенной в области поглощения валентными колебаниями гидроксильных групп. Изучались как образцы естественной влажности, так и подвергнутые отжигу при 105 °С. Образцы для исследований отбирались из взрослого дерева ели обыкновенной (Picea abies) на высоте 2,5–3 м (возраст в районе спилов 25–30 лет). Из безcучковой зоны вырезались образцы в виде кубиков размером 3×3×3 см3, из которых непосредственно перед записью спектра изготовлялось пять тангенциальных микротомных срезов толщиной 80–100 мкм. Спектральный анализ проводился с помощью ИК-Фурье спектрометра ФСМ-1201 с разрешением 4 см–1. Показано, что реальная микроструктура ели не препятствует разделению рассеянного и поглощаемого излучений. Для характеристики длин и энергий водородных связей использованы известные корреляционные соотношения частот поглощения гидроксильными группами, охваченными водородными связями, с их длиной и энергией. C этой целью экспериментальный спектр в области поглощения ОН-группами аппроксимируется гауссовыми контурами, каждый из которых ассоциируется с определенной разновидностью Н-связи. Сдвиги частот подгоночных контуров относительно частоты ОН-группы, не охваченной Н-связью, использованы для оценки энергий и длин связей, а соотношение их площадей – для оценки их концентраций. Показано, что при термическом отжиге происходит выжигание низкочастотного крыла полосы поглощения ОН-групп. Приводится диаграмма распределения Н-связей по концентрациям до отжига и после. Показано, что при отжиге число наиболее сильных связей незначительно уменьшается, но их энергия уменьшается заметно. Судя по величине частоты эти полосы поглощения относятся к межмолекулярным связям, и уменьшение их энергии означает, что отжиг затрагивает в первую очередь именно эти связи. Самые слабые исчезают совсем. Детальное исследование этого явления позволит обосновать выбор предельных температур тепловой обработки древесины, не нарушающих ее механических свойств. Отмечается более высокая температурная стабильность внутримолекулярных связей с энергией ≈10 кДж/моль.

Investigated the IR spectra of spruce wood in the area of absorption of the stretching vibrations of hydroxyl groups. Been studied, as samples with natural moisture, and subjected to annealing at S. Samples for research were collected from adult trees of Norway spruce (Picea abies) at a height of 2.5–3.0 m (age in the area of cut 25–30 years). From cleared areas were cut samples in the form of cubes of size 3×3×3 cm3, of which just before recording the spectrum produced 5 tangential microtome sections with a thickness of 80–100 nm. Spectral analysis was performed using IR-Fourier spectrometer FSM-1201 with a resolution of 4 cm–1. Shows that the real microstructure of spruce does not prevent the separation of scattered and absorbed radiation. For the characteristic lengths and energies of hydrogen bonds used are known from the literature correlation of the ratio between the frequency of absorption of hydroxyl groups covered by hydrogen bonds with their length and energy. To this end, the experimental spectrum in the region of absorption of OH-groups approximated by a Gaussian contours, each of which is associated with a certain kind of H-bonds. The frequency shifts fitting contours of the relative frequency of OH-groups not covered by the H-bond, is used to evaluate energies and bond lengths, and the ratio of their squares to estimate their concentrations. It is shown that under thermal annealing is burning low frequency wing of the absorption bands of OH-groups. A diagram of the distribution of H-bonds energy on concentrations presented before and after annealing. It is shown that annealing the strongest bonds is slightly decreasing, but their energy decreases significantly. The weakest disappear altogether. A detailed study of this phenomenon will allow us to justify the choice of limiting the temperature of the heat treatment of wood that do not violate its mechanical properties. Noteworthy higher temperature stability of intramolecular bonds with energies of ≈10 kJ/mol.