AGRIS - 

2017

Vrublevskaya, V.I. | Matusevich, V.O. | Kuznetsova, V.V.

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. | 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 co valent 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.

Show more [+]

Less [-]

Northern (Arctic) Federal University - Russian Federation