Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК-спектрометра

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 674.074.3:66.047.92

Е. Ю. Разумов, Р. Р. Хасаншин, Р. Р. Сафин,

П. А. Кайнов

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДРЕВЕСИНЫ, ПОДВЕРГНУТОЙ ТЕРМОМОДИФИЦИРОВАНИЮ,

С ПОМОЩЬЮ ИК-СПЕКТРОМЕТРА

Ключевые слова: древесина, термомодификация, ИК-спектр, цвет.

Объектом исследования являются древесные материалы, подвергаемые контактному термомодифицированию древесины в разреженной среде. C целью изучения химических изменений, протекающих в натуральной древесине, подвергнутой тепловой обработке, были проведены исследования полученных образцов термомодифицированной древесины на ИК Фурье-спектрометре.

При этом, на основании проведенных анализов, при повышении температуры более 200°С происходит видоизменения структуры материала, что свидетельствует о разложении гемицеллюлозы.

The keywords: wood, termomodification, IK-spectrum, colour.

The object of the study are a wood material subjected to contact termomodification of wood materials in rarefied to ambience. In process of the work with purpose of the study of the chemical change, running in natural of wood, subject to heat processing, were organized studies got sample termomodification of wood materials on IK Furie-spectrometer. It is established, that at increasing of the temperature more than 200 degrees occurs mutating the structure of the materials.

Вследствие постепенного сужения возможных областей использования химически обработанной древесины и все более ужесточающихся требований к самим химическим составам, что, в частности, видно из запрета Еврокомиссией применять древесину, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов, рынок потребления термообработанной древесины в последние годы постоянно расширяется.

Термомодификация позволяет получать древесину, обладающую уникальными свойствами. Поскольку в технологическом процессе термомодификации пиломатериалов применяются только высокая температура, получаемая продукция является экологически чистой, тем самым безопасной в эксплуатации и легко утилизируемой после долголетней службы. При этом следует отметить, что термомодификация способна придать новые декоративные и технологические свойства ценным породам из отечественных лесов, равно как и увеличить биостойкость, что в ряде случаев позволяет заменить тропическую древесину [1].

Таким образом, на кафедре архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского государственного технологического университета были проведены экспериментальные исследования по термомодификации пиломатериалов в условиях вакуумных аппаратов [2].

С целью изучения химических изменений, протекающих в натуральной древесине, подвергнутой тепловой обработке без доступа кислорода воздуха, были проведены исследования полученных образцов термомодифицированной древесины сосны на ИК Фурье-спектрометре Луа1аг-360 фирмы 1Ъегто№со1е1 (США) в диапазоне частот от 400 до 4000 см-1 с программным обеспечением “ОМШС” (рис. 1-3).

Рис. 1 - ИК-спектр древесины сосны, подвергнутой тепловой обработке при температуре 160 °С продолжительностью 8 часов

Рис. 2 - ИК-спектр древесины сосны, подвергнутой тепловой обработке при температуре 200 °С продолжительностью 1 часа

Структурные и химические изменения в древесине, вызванные воздействием тем-

пературы, определяют изменение ее физических и физико-химических свойств. При этом наряду с температурой весьма существенную роль играют продолжительность теплового воздействия, окружающая среда, давление и т.д.

Рис. 3 - ИК-спектр древесины сосны, подвергнутой тепловой обработке при температуре 200 °С продолжительностью 2 часов

ИК-спектральный анализ показал, что воздействие температур в диапазоне до 160°С, продолжительностью до 8 часов практически не вызывает химических превращений в древесине: ИК-спектры натуральной древесины, высушенной по нормальным режимам, и термодревесины, подвергнутой тепловой обработке при 160°С, идентичны (рис. 1).

Заметные изменения в полосе инфракрасного поглощения начинают происходить при воздействии на древесину сосны температуры 200°С более одного часа. Представленные на рисунках 2 и 3 ИК-спектры образцов, подвергнутых тепловому воздействию в

1 1

200°С на протяжении 1 и 2 часов, различаются в области 2940-2835 см- и 1730-1590 см- , что согласуется с известными литературными данными [2, 3], указывающими, что температура 200°С определяет начало термического разложения древесины: молекулы сырья приобретают подвижность и при данной температуре способность к разрыву с отщеплением углеродсодержащих групп и образованием новых веществ с меньшим молекулярным весом. При температурах от 150°С до 200°С протекает начальная стадия распада древесины с разложением менее термостойких компонентов и выделением реакционной воды, углекислоты и некоторых других продуктов.

Сопоставительный анализ ИК-спектров образцов сосны, полученных при различных температурах обработки выявил, что полоса поглощения в области 2800 - 3000 см-1, соответствующая валентным колебаниям СН-групп, видоизменяется при повышении температуры более 200°С (рис. 4). Это объясняется разложением гемицеллюлоз, температура деструкции которых, как известно, варьируется в интервале от 200 до 260°С в зависимости от условий процесса.

Анализ ИК-спектров образцов, подвергнутых тепловой обработке при температуре 200°С показал, что продолжительность обработки оказывает влияние на полосу поглоще-

ния в области 1730-1590 см , что соответствует валентным колебаниям диссоциированных и недиссоциированных карбоксильных групп. Данное явление может носить несколько объяснений, главные из которых - образование растворимых сахаров и изменение концентрации гидроксильной группы, входящей в состав карбоксильных групп - в очередной раз свидетельствуют о разложении гемицеллюлозы.

вии повышенных температур: 1 - 200 °С, 3 ч; 2 - 200 °С, 4 ч; 3 - 220 °С, 2 ч; 4 - 240 °С, 1 ч; 5 - 260 °С, 1 ч

Литература

1. Аминов, И.Х. Модификация древесных опилок высокочастотным разрядом пониженного давления для создания древесно-композиционных материалов / И.Х. Аминов [и др.] // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2002. - № 1. - С. 63-68.

2. Кислицин, А.Н. Исследования химизма термораспада компонентов древесины: дис. ... д-р хим. наук / А.Н. Кислицин. - Ленинград: ЛТА им. Кирова, 1974. - 347 с.

3. Кислицин, А.Н. Пиролиз древесины: химизм, кинетика, продукты, новые процессы / А.Н. Кислицин. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 231 с.

© Е. Ю. Разумов - канд. техн. наук, доц. каф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ, cfaby@mail.ru; Р. Р. Хасаншин - асп. той же кафедры; Р. Р. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КГТУ; П. А. Кайнов - асп. той же кафедры.