РОЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРОЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В ФОРМИРОВАНИИ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ
Тищенко В.П., Шамрова И.С., Хромова О.Н. (ХГТУ, г. Хабаровск,
РФ),
Цветков В.Е., Коробанов А.В. (МГУЛ, г. Москва, РФ)
In work the analysis of features of biosynthesis of the basic components, their distribution in celling walls and role of physic-chemical properties of wood in formation of consumer properties particleboard. From positions of thermodynamics the model of a structure of wood substance as microheterogeneous biopolymeric complex is developed.
Древесностружечные плиты (ДСтП) представляют собой композиционную систему, состоящую из древесных частиц, на поверхность которых нанесено ограниченное количество связующего, основные характеристики которого хорошо известны, поэтому для выявления факторов определяющих потребительские свойства плит необходим анализ физико-химических свойств и строения древесных частиц.
Анализ научно-технической информации о строении, структуре и функциональных свойствах компонентов древесины позволил выявить следующее:
1. с точки зрения термодинамики древесина является неоднородным микрогетерогенным полимерным композитом слоисто-пористая структура, которого формируется в процессе биосинтеза из элементарных целлюлозных фибрилл (арматура) распределенных в дисперсионной матрице – лигноуглеводном комплексе (ЛУК), следовательно, к ней применимы основные закономерности образования полимерных систем;
2. биосинтез гемицеллюлоз и целлюлозы осуществляется одновременно и по мере накопления макромолекул этих термодинамически несовместимых полисахаридов происходит расслаивание данной системы на составляющие полимеры. Однако макромолекулы гемицеллюлоз диффундируют в родственные по химической природе и еще не сформировавшиеся элементарные фибриллы целлюлозы, образуя кластеры, содержащие 50 % макромолекул гемицеллюлоз [1-3], которые, находятся между целлюлозными макромолекулами и препятствуют их сближению на расстояния необходимые для образования регулярной системы водородных связей (Н-связей) формирующих надмолекулярную структуру элементарных фибрилл целлюлозы;
3. в процессе лигнификации клеточных стенок с увеличением молекулярной массы и накоплением макромолекул лигнина происходит расслаивание системы гемицеллюлозы–лигнин на области, в которых выполняются условия термодинамической совместимости, а близость функциональной природы и полимолекулярных свойств лигнина и гемицеллюлоз приводит к образованию жесткой композиции из двух взаимопроникающих полимерных сеток скрепленных химическими и Н-связями;
4. ЛУК древесины образован тремя взаимоналоженными структурами – сетчатой структурой лигнина, структурой лигнина связанного ковалентными связями с гемицеллюлозами и структурой, образуемой силами химического взаимодействия и межмолекулярными Н-связями гемицеллюлоз с лигнином и целлюлозными фибриллами;
5. в древесине большую роль играют Н-связи, которые определяют форму, фазовые и релаксационные состояния, надмолекулярную структуру и физико-химические свойства целлюлозы и других компонентов древесины, в частности поглощать воду и другие вещества из окружающей среды, что сказывается на водостойкости, стабильности формы и размеров, а также санитарно-гигиенических свойствах древесных композиционных материалов;
6. высокая сорбционная способность древесины обусловлена наличием большого количества гидроксильных групп в углеводной части клеточных стенок, кластеров с менее упорядоченным расположением целлюлозных фибрилл и гетерокапиллярной системой пор и сосудов. Эти факторы способствуют понижению упругости водяного пара в капиллярных пространствах, образованию Н-связей с гидроксилами полисахаридов и ориентированному закреплению моно- или полимолекулярных слоев воды между макромолекулами целлюлозы, что вызывает ослабление межмолекулярного взаимодействия в результате увеличения внутренней поверхности элементарных фибрилл до 200-300 м2/г [4].
ДСтП на 85-90 % состоят из древесных частиц, отличающихся от массивной древесины рядом параметров и поэтому изменения, происходящие с ними в процессе поглощения влаги, имеют особенности, которые вызваны наличием:
1. большого количества древесных частиц различного вида и пород с некоторым количеством коры, размеры которых по сечению плиты изменяются;
2. слоистой структуры, имеющей различную плотность слоев и ориентированное расположение в плоскости плиты, но дезориентированное относительно направления волокон армирующих элементов;
3. на поверхности армирующих элементов 7-16% матричного вещества (считая на сухие вещества от массы абсолютно сухой древесины) в виде 45-70 капель диаметром от 35 до 80 мкм на площади 0,06064 см2, что обуславливает среднюю относительную площадь покрытия их поверхности не более 38% при толщине клеевого соединения 6-20 мкм;
4. упругих и высокоэластичных деформаций, релаксации которых препятствуют физико-химические связи, возникающие в ходе адгезионного взаимодействия матричного вещества с армирующими элементами под воздействием усилия прессования и тепла;
5. пустот, как между армирующими элементами, так и в матричном веществе [5], которые содержат формальдегид в различных формах.
Разбухание армирующих элементов происходит по тем же законам, что и для массивной древесины, но наибольшее увеличение размеров от 10 до 40 % наблюдается в направлении приложения усилия прессования. Этот процесс сопровождается переходом упругих и высокоэластичных деформаций, возникших в процессе прессования, в пластические, в результате чего армирующие элементы стремятся оторваться друг от друга, тем самым ослабляются и разрушаются связи с матричным веществом. При последующем понижении влажности окружающего воздуха (сушка) повторного уплотнения армирующих элементов и восстановления связей с матричным веществом не происходит.
Остаточная деформация достигает 30-40 % и является причиной снижения прочности, изменения размеров и формы, структуры и особенно поверхности плит, которые становятся рыхлыми, тем самым открывается доступ влаги к внутренним армирующим элементам. Так при циклических изменениях параметров окружающей среды происходит разрушение плиты, приводящее к выделению формальдегида не только из внутренних пустот, но и в результате различных видов деструкции компонентов армирующих элементов и матричного вещества [6].
Вместе с водой армирующие элементы адсорбируют формальдегид, выделяющийся на различных этапах технологического процесса, количество которого определяется породой и влажностью армирующих элементов, длительностью контакта, параметрами окружающей среды [7, 8].
Установленные особенности строения и поведения основных компонентов армирующих элементов при циклических воздействиях изменяющихся параметров окружающей среды свидетельствуют о существенной роли ЛУК в формировании потребительских свойств, а используемая модель строения древесины облегчила выявление источников и причин происходящих изменений (в частности выделений формальдегида) на различных этапах жизненного цикла композиционных материалов. Проведенный анализ показал отсутствие единства взглядов исследователей на роль химических превращений в формирование экологических свойств ДСтП, а, следовательно, данная проблема требует решения.
Литература
1. Скребец Т.Э., Боголицын К.Г., Гурьев А.Ю. Термодинамическая совместимость компонентов древесины // Химия древесины. – 1992, №4-5. – С. 3-11.
2. Gur'ev A.Yu., Bogolitsyn K.G., Skrebets T.E. Thermodynamic miscibility in lignin-hemicellulose and hemicellulose-cellulose systems // Wood Chemistry, 1994. – №1. – P. 6-7.
3. Gur'ev A.Yu., Bogolitsyn K.G., Skrebets T.E. Study of thermodynamic miscibility of a lignin-hemicellulose system by water vapour static sorption method // Wood Chemistry, 1993. – №4. – P. 3-5.
4. Азаров В.И., Буров А.В., Оболенская А.В. Химия древесины и синтетических полимеров. – СПб.: СПбЛТА, 1999. – 628 с.
5. Разиньков Е.М. Особенности структурообразования связующего в древесностружечных плитах // ИВУЗ Лесной журнал, 1991. – №1. – С. 64-68.
6. Эриньш П.П. Исследование строения и деструкции лигноуглеводной матрицы древесины: Автореф. дис. ... д-ра хим. наук: 05.21.03 / АН Латв. ССР, ин-т химии древесины. – Рига, 1978. – 48 с.
7. Кравченко В.В., Цветков В.Е., Карасев Е.И., Стриженко В.В. Адсорбция формальдегида древесными материалами // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т, 1990. – вып. 225. – С. 166-173.
8. Никитин А.А., Рыженкова А.С., Цветков В.Е., Федорова А.А. Изучение процессов при получении малотоксичных древесных материалов // Научн. тр. / Моск. лесотехн. ин-т, 1991. – вып. 242. – С. 150-152.