УДК
577.3
НОВЫЙ ПОДХОД К ОПРЕДЕЛЕНИЮ СТЕПЕНИ
КРИСТАЛЛИЧНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В
ДРЕВЕСИНЕ
© Н. Ю. Евсикова, Н. С. Камалова,
Н. Н. Матвеев, В. В. Постников
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, kD
–
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 αc
–
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 Еcr 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 Ucr – 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.