ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Химический состав древесины

Дерево в процессе роста поглощает углекислоту из воздуха и воду из почвы с содержащимися в ней минеральными со­лями. Зеленые растения обладают способностью превращать энергию видимого света солнечных лучей в потенциальную хи­мическую энергию органических соединений. В листьях де­ревьев, содержащих зеленый пигмент хлорофилл, идет про­цесс фотосинтеза, т. е. из углекислоты и воды при участии сол­нечного света образуется органическое вещество. При этом вырабатываются углеводы и другие химические соединения, которые, видоизменяясь, служат материалом для построения клеток древесины. Этот процесс сходен у всех древесных по­род, поэтому органическая часть любой древесины содержит примерно постоянное количество углерода (49,5—51%), водо­рода (6,1—6,3%), азота (0,1%) и кислорода (почти 44%).

Минеральная часть древесины — зола составляет 0,3—1% от ее массы, а иногда и больше. В нерастворимой в воде части золы преобладают соединения кальция (углекислый кальций), а в растворимой — соединения калия (углекислый калий, или поташ).

Постоянством элементного состава объясняется одинаковая теплота сгорания единицы массы древесины разных пород и

Некоторые другие свойства. В то же время из одних и тех же исходных веществ в растущих деревьях различных пород об­разуется неодинаковое количество конечных соединений, вхо­дящих в состав клеточной стенки древесины. Поэтому химиче­ские свойства древесины различных пород неодинаковы.

Основными составными частями древесины любой породы являются целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. В древесине также содержатся смолы и терпены, жиры, камеди, дубиль­ные, красящие и другие вещества.

Между основными составными частями древесины, прежде всего между целлюлозой и лигнином, имеются химические связи. Однако химия древесины как наука в значительной сте­пени основывается на исследованиях свойств и строения со­ставных частей древесины по отдельности. В табл. 1.3 приве­ден средний химический состав древесины разных пород.

Из табл. 1.3 видно, что целлюлоза (клетчатка) составляет около половины массы древесины, лигнин — одну пятую (или немного больше) в лиственных породах и свыше четверти в хвойных, и, наконец, пентозаны — одну десятую в хвойных и четверть в лиственных.

Таким образом, главное отличие состава лиственных пород от хвойных заключается в несколько меньшем содержании целлюлозы и лигнина (а также гексозанов) и в значительно большем содержании пентозанов.

Содержание основных составных частей древесины в раз­личных деревьях одной и той же породы и в различных ча­стях одного и того же дерева изменяется не очень значи­тельно, а содержание экстрактивных веществ, наоборот, иногда резко колеблется. Так, в древесине лиственницы содержится от 6 до 25 % веществ, растворимых в воде (лиственничная ка­медь, представляющая собой полисахарид арабогалактан). Обычно содержание камеди тем выше, чем больше возраст де­рева: в древостоях до 200-летнего возраста в среднем 10— 12%, 250—300-летнего возраста 14% и выше. Содержание смолистых веществ в сосновой древесине изменяется от 2 до 8 %• Сильно колеблется содержание дубильных веществ, или таннидов (являющихся в химическом отношении производными многоатомных фенолов — пирогаллола, пирокатехина и флоро - глюцина): их в древесине дуба 3—9 %, в коре дуба и ивы 8— 14, ели 7—12, лиственницы 8—16 %.

При более детальном исследовании состава древесины вы­яснилось, что целлюлоза, выделяемая при обычных методах анализа древесины, не вполне свободна от гемицеллюлоз; лиг­нин содержит примеси целлюлозы и других веществ, поэтому цифры, приведенные в табл. 1.3, являются приближенными. Например, исследование древесины ели позволило установить следующий ее средний состав, % :

TOC o "1-5" h z целлюлозы............................................................................................... 43;

Трудногидролизуемых гемицеллюлоз (полисахаридов типа

Целлюлозы) ............................................................................... 6;

Легкогидролизуемых гемицеллюлоз............................................................. 19;

Лигнина.............................................................................. 28;

Смол, белков, ацетилов, золы и др....... 4

Целлюлоза — это высокомолекулярный полисахарид,

Имеющий общую формулу (СбН10О5)п, которую, принимая во внимание три активных гидроксила в каждой структурной ее единице, можно записать в виде [СбН702(0Н)з]п. Молекулы целлюлозы построены в виде цепей. Целлюлоза обладает ори­ентированным аморфно-кристаллическим строением, которое объясняет все ее свойства — реакционную способность, набуха­ние в воде (чем и вызывается увеличение размеров древесины при увлажнении) и др.

Гемицеллюлозы древесины состоят из различных по­лисахаридов с разной величиной молекулы. В их число входят пентозаны (С5Н804)п и гексозаны (С6Ню05)„. Из пентозанов древесины известны ксилан и реже встречающийся арабан, из гексозанов — маннан, галактан, фруктан и глюкан. Все они по­строены из остатков соответствующих моносахаридов: ксилозы, арабинозы, маннозы, галактозы, фруктозы, глюкозы и при кислотном гидролизе переходят в них:

(С6Н804)„ + (п—1) Н20—>- п С5Н10О6;

(С6Н10О5)а (и— 1) Н.20 —>■ п С6Н1206.

Маннан и ксилан наблюдаются в древесине в трудно - и лег­когидролизуемых формах; почти все остальные гемицеллю - лозы легко гидролизуются. Вообще под гемицеллюлозами обычно понимают нерастворимые в воде полисахариды, гидро­лизующиеся значительно легче, чем целлюлоза.

Из гемицеллюлоз в древесине в наибольшем количестве содержатся пентозаны: 9—12% в хвойной древесине и 18— 29% в лиственной. Гексозаны в значительном количестве на­ходятся в хвойной древесине, особенно маннан (до 6—9 % от массы древесины), тогда как в лиственной древесине содержа­ние их невелико.

Кроме остатков указанных выше моносахаридов, в состав молекул гемицеллюлоз в количестве около 3 % от массы дре­весины у хвойных пород и 4—5 % у лиственных входят в виде метиловых эфиров уроновые кислоты.

Прочность древесины на разрыв определяется прочностью цепей целлюлозы, а жесткость древесине придает лигнин.

Лигнин — это полимерное вещество ароматического ха­рактера, состоящее из ядер в основном пирокатехинового (для хвойных пород) или пирогаллового (для лиственных пород) типа с боковыми цепями из трех углеродных атомов. Основная часть лигнина у хвойной древесины находится в срединной пе­регородке, образующейся при склеивании первичных слоев клеточных стенок соседних волокон древесины. У лиственной же древесины в срединной перегородке содержится лишь около половины всего лигнина, а другая половина распределена в толще клеточной стенки.

С лигнином связаны метоксильные группы ОСН3. В древе­сине различных пород содержится 4—7 % метоксилов; в лист­венных породах их больше, чем в хвойных. Ацетильные группы древесины СН3СО в основном связаны с трудногидролизуемым ксиланом в виде сложных эфиров (ацетат ксилана). Их содер­жание в древесине лиственных пород составляет 5—6%, а в хвойных породах обычно 1,5—2 %•

При гниении древесины, вызываемом действием различных низших организмов, в особенности грибов, меняется ее ок­раска, структура, значительно изменяются свойства и хими­ческий состав, снижается масса 1 м3.

При коррозийной (белой) гнили гриб затрагивает главным образом лигнин и меньше целлюлозу. При деструктивной (бу­рой) гнили быстрее разрушается целлюлоза и возрастает от­носительное содержание лигнина; такая древесина в значи­тельной части теряет волокнистую структуру.

Существуют и такие виды дереворазрушающих грибов, ко­торые, разрушая в одинаковой мере целлюлозу и лигнин, вы­зывают коррозийно-деструктивную гниль, например гниль бе­резы и осины от ложного трутовика. Выходы и качество про­дукции из гнилой древесины ниже, чем из здоровой.