УДК
577.3
СТЕПЕНЬ
КРИСТАЛЛИЧНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ДРЕВЕСИНЕ И СТРУКТУРЫ БИОУГЛЕРОДА.
© Н. Ю.
Евсикова, Н. С. Камалова, Н. Н. Матвеев, В. В. Постников В.И.Лисицын
Воронежская
государственная лесотехническая академия
В последнее время
высокопористые биоуглеродные материалы, получаемые путем карбонизации
натурального дерева, привлекают широкое внимание исследователей благодаря их
уникальной микроструктуре [1].
Натуральное дерево с канальным типом пор
(питательные каналы) карбонизируется путем пиролиза. В результате образуется
высокопористый биоуглерод, который сохраняет микроструктурные особенности
исходного дерева, а именно поры канального типа, вытянутые вдоль волокон
древесины. Матрицы находят свое
применение для создания Cu–C и SiC-керамики, используемых для специальных
сварочных швов и соединительных деталей, к которым предъявляются требования
хорошей электро- и теплопроводности, а
также наличия низкого коэффициента трения. Таким образом, изучение структуры и свойств
биоуглерода представляет большой практический интерес, поскольку управление его
транспортными свойствами за счет изменения структуры, а следовательно и степени
графитизации (графитных нанокристалитов в биоуглероде), может существенно
повлиять на свойства конечного продукта при производстве композитов типа Cu–C и
SiC-керамики. Нетрудно предположить, что степень графитизации непосредственно
связана со степенью кристалличности целлюлозы в натуральном дереве и с
особенностями пиролиза древесины. Поэтому определение степени кристалличности
натуральной древесины может значительно облегчить
выбор необходимой породы и сберечь лесные ресурсы.
В работе [2] 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. Если
в направлении перпендикулярном волокнам целлюлозы в тонком слое древесины
создать постоянную разность (неоднородность) температуры ΔT,
тепловое сжатие или растяжение лигнина повлечет за собой пьезоэлектрический
эффект в кристаллической целлюлозе. Деформация пьезокристалла в поле спонтанной
поляризации будет сопровождаться появлением электрического поля термического происхождения,
оценочное выражение для напряженности которого получено в работе [3]:
. (1)
Здесь – экспериментально полученные максимальные значения
компонент 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, в кристаллическом состоянии в древесине
пребывает лишь часть целлюлозы.
Известно, что растительную
целлюлозу относят к фибриллярным кристаллам, образованным при кристаллизации в
процессе полимеризации. Концентрацию n
кристаллитов в целлюлозе на расстоянии x
от центра кристаллизации можно оценить выражением [4]:
, (2)
где G
– скорость нарастания фибриллярного кристалла, kD
–
коэффициент диффузии некристаллизующихся компонентов, n0 – концентрация кристаллитов в центре кристаллизации.
Поскольку в направлении x (перпендикулярно
волокнам целлюлозы), в образце поддерживается постоянная разность температуры,
то относительную деформацию кристалла целлюлозы в таких условиях, можно оценить как: , где αc
– коэффициент теплового расширения целлюлозы. В результате степень
кристалличности целлюлозы на расстоянии x от
центра кристаллизации в таких условиях поле будет определяться выражением:
. (3)
Здесь – степень
кристалличности целлюлозы в однородном температурном поле. Тогда вместо (1) для
оценки напряженности электрического поля, возникающего в целлюлозе природной
древесины, следует использовать выражение:
. (4)
Обозначим через Еcr напряженность
электрического поля (определяемую выражением (4)), которое возникло бы в
образце при расширении или сжатии лигнина в случае, если целлюлоза будет полностью
кристаллической. Умножая (4) на h (где h
– толщина древесного слоя), 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 можно
оценивать степень кристалличности целлюлозы в исследуемых образцах в виде
отношения измеряемой разности потенциалов к рассчитываемой по формуле (6):
. (7)
Данный подход позволит получить
численную оценку степени кристалличности целлюлозы различных пород древесины и
проводить исследования ее зависимости от неоднородности внешнего температурного
поля и получать сведения о возможных графитообразованиях в процессе пирролиза.
Библиографический
список.
1.
Попов В.В.,
Орлова Т.С., J. Ramirez-Rico Особенности
электрических и гальваномагнитных свойств биоуглерода дерева сосны// Физика твердого тела, 2009, том 51, вып. 11,С 2118-2122.
2.
Матвеев Н. Н.,
Постников В. В., Саушкин В. В. Поляризационные эффекты в кристаллизующихся
полимерах. Воронеж: ВГЛТА, 2000. С. 28.
3.
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.
4. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М.: Мир, 1976. С. 350.