УДК 577.3

СТЕПЕНЬ КРИСТАЛЛИЧНОСТИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ В ДРЕВЕСИНЕ И СТРУКТУРЫ БИОУГЛЕРОДА.

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, k_D – 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 α_c – 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 Е_cr 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 U_cr – 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.