Материалы VII Международной научно-технической конференции

7 - 10 декабря 2009 г.

 

МОСКВА                                               INTERMATIC  –  2 0 0 9                                                  МИРЭА

 

СТЕПЕНЬ КРИСТАЛЛИЧНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ТЕРМИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ

 

2009 г. В.В. ПОСТНИКОВ, Н.Ю. ЕВСИКОВА, Н.С. КАМАЛОВА, Н.Н. МАТВЕЕВ

 

Воронежская государственная лесотехническая академия, г. Воронеж

 

 

В работе [1] показано, что натуральную древесину можно моделировать сложным полимерным композитом, основными компонентами которого являются кристаллическая волокнообразующая целлюлоза и аморфное высокоэластичное вещество – лигнин, коэффициент теплового расширения α которого значительно превышает таковой для кристаллов. Структурные различия этих компонент, а также и пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства целлюлозы приводят к тому, что в образце древесины, помещенном в неоднородное температурное поле с градиентом температуры ΔT, возникает электрическое поле термического происхождения, напряженность которого, как показано в [2], можно оценить из соотношения:

        .                                  (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. Выражение (1) справедливо в том случае, когда вся целлюлоза в древесине находится в кристаллическом состоянии. На самом деле, как и любое другое высокомолекулярное вещество, целлюлоза может находиться в кристаллическом состоянии лишь частично.

Поскольку растительную целлюлозу относят к фибриллярным кристаллам, образованным при кристаллизации в процессе полимеризации, концентрацию n кристаллитов в целлюлозе на расстоянии x от центра кристаллизации можно представить в виде [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 ее относительной деформации, которая может быть представлена в виде: , где α_c – коэффициент теплового расширения целлюлозы. Тогда степень кристалличности целлюлозы на расстоянии x от центра кристаллизации в неоднородном температурном поле можно представить в виде:

 

.                               (3)

Здесь  – степень кристалличности целлюлозы в однородном температурном поле.

С учетом (3) выражение (1) для оценки напряженности электрического поля, возникающего в целлюлозе природной древесины, помещенной в неоднородное температурное поле, следует заменить на более точное:

 

       .                       (4)

 

Здесь степень кристалличности целлюлозы тесно связана с напряженностью электрического поля, возникающего при термическом сканировании в образце, находящемся в температурном поле с постоянной неоднородностью.

 

 

Рис.1 Изменение температуры нижнего слоя образца в течение времени.

 

 

Рис.2 Изменение разности потенциалов в образце древесины березы при термическом сканировании в результате резкого изменения скорости нагревания.

Проведенные измерения разности потенциалов, возникающей в образцах древесины березы, помещенной в неоднородное температурное поле [2], показали: при изменении температуры образцов в поле с постоянной неоднородностью возникающая разность потенциалов остается постоянной (штриховая прямая на рис. 2). Однако при изменении режима температурного сканирования и последующего возвращения к исходному (см. рис. 1) разность потенциалов увеличивалась на 100mB (сплошная кривая на рис.2).

Действительно, если скорость нагрева α изменяется на величину Δα, а затем вновь возвращается к первоначальному значению, то неоднородность температурного поля в результате такого «скачка» будет иметь вид:

 

,

 

а возникающее при этом изменение напряженности электрического поля можно определить из соотношения:

_.

Учитывая, что ΔТ=αΔt, после деления последнего выражения для ΔΕ на (4) получим:

,

или, после логарифмирования (для Δα=0,25α):

                                     (5)

Анализируя соотношение (5), можно определить скорость изменения степени кристалличности целлюлозы на расстоянии x от центра кристаллизации у любого типа древесины при термическом сканировании образца в неоднородном температурном поле.

 

 

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. Термополяризационные явления в древесном слое // Молодые ученые – 2008 / Материалы V Международной научно-технической школы-конференции. М.: МИРЭА. - Энергоатомиздат, 2008. Ч. 3. С. 72-74.

3.   Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1960. 350 с.