УДК 577.3

НОВЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СТЕПЕНИ

КРИСТАЛЛИЧНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ДРЕВЕСИНЕ

Воронежская государственная лесотехническая академия

В работе предложен способ определения степени кристалличности целлюлозы в древесине, основанный на ее частичной эластичности, пьезоэлектрических и пироэлектрических свойствах. Подобный подход можно использовать для оценки степени кристалличности многих волокнообразующих полимеров.

Физические исследования структуры и свойств таких биокомпозитов как древесина затруднено в силу сложности их состава и биологического происхождения. С другой стороны, древесина – это материал, широко используемый в повседневной жизни, и исследование его физики – задача достаточно актуальная на современном этапе. В работе [1] обстоятельно показано, что натуральную древесину, можно моделировать сложным полимерным композитом, основными компонентами которого являются кристаллическая целлюлоза и аморфное высокоэластичное вещество лигнин, коэффициент теплового расширения α которого значительно превышает таковой для кристаллов. В силу структурного различия этих компонент и пьезоэлектрических и пироэлектрических свойств целлюлозы в неоднородном температурном поле с неоднородностью ΔT возникает электрическое поле термического происхождения, оценочное выражение для напряженности которого получено в работе [2]:

. (1)

Здесь – экспериментально полученные максимальные значения составляющих тензоров диэлектрической проницаемости, пироэлектрического коэффициента, пьезоэлектрических модулей и модуля Юнга для древесины в радиальном направлении соответственно, – отношение модуля Юнга лигнина к модулю Юнга целлюлозы, ε₀ – электрическая постоянная. Это выражение было бы справедливо, в случае если бы вся целлюлоза в древесине находилась в кристаллическом состоянии. Однако, как у любого высокомолекулярного вещества, в кристаллическом состоянии пребывает лишь ее часть.

Известно, что растительную целлюлозу относят к фибриллярным кристаллам, образованным при кристаллизации в процессе полимеризации. Отдельные фибриллы часто закручиваются попарно и могут образовывать сферолиты. Поэтому концентрацию n кристаллитов в целлюлозе на расстоянии x от центра кристаллизации можно оценивать выражением, предлагаемым в работе [3]:

, (2),

где G – скорость нарастания поля кристалличности, k_D – коэффициент диффузии некристаллизующихся компонентов, n₀ – концентрация кристаллитов в центре кристаллизации. В неоднородном температурном поле происходит тепловое расширение кристаллов целлюлозы, приводящее к относительной деформации в виде: , где α_c – коэффициент теплового расширения целлюлозы. В результате степень кристалличности целлюлозы на расстоянии x от центра кристаллизации в неоднородном температурном поле будет определяться выражением:

. (3)

Здесь – степень кристалличности целлюлозы в однородном температурном поле. Тогда вместо (1) для оценки напряженности электрического поля в целлюлозе природной древесины следует использовать выражение:

. (4)

Обозначим Е_cr определяемую выражением (4) напряженность электрического поля, которое возникло бы в образце при расширении или сжатии лигнина будь целлюлоза полностью кристаллической. Умножая обе части на ширину древесного слоя h, получим:

или . (5)

В последнем выражении U – разность потенциалов, экспериментально измеряемая в слое в неоднородном температурном поле, а U_cr – разность потенциалов, которую можно рассчитать, используя известные данные по кристаллам целлюлозы различных пород древесины по формуле:

. (6)

В результате получим способ оценивать степень кристалличности целлюлозы в исследуемых образцах, как отношение измеряемой разности потенциалов к рассчитываемой по формуле (6).

. (7)

Данный подход позволит получить численную оценку степени кристалличности целлюлозы различных пород древесины в зависимости от их образования, сохранения и обработки, проводить исследования зависимости степени кристалличности от неоднородности температуры, возникающей в образцах в силу слабой температуропроводности этого сложного полимерного композита и его сегнетоэластических свойств.

Список литературы

1. Матвеев Н. Н., Постников В. В., Саушкин В. В. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся полимерах. Воронеж: ВГЛТА, 2000. 170 с.

2. Евсикова Н. Ю., Матвеев Н. Н., Постников В. В., Камалова Н. С., Лисицын В. И. // Материалы V Междунар. научн.-техн. школы-конференции «Молодые ученые – 2008». М.: МИРЭА, «Энергоатомиздат», 2008. Ч. 3. С. 72-74.

3. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1976. 623 с.