РАЗМОЛ БУМАЖНОЙ МАССЫ

Внутренняя структура волокон — ламели, фибриллы

Во вторичной стенке клетки чередуются слойТТМеющие раз­личную плотность и возникающие вследствие периодических изменений освещенности на протяжении суточного цикла. У льня­ных волокон таких слоев насчитывают до пятидесяти. На пер­вичной стенке, в отдельных слоях вторичной стенки и на третич­ной стенке можно заметить слоистую спиральную структуру пучков фибрилл, образованных тончайшими микрофибриллами субмикроскопической величины. Пучки фибрилл имеют ширину 1—5 (і (в бумажном производстве их принято называть фиб­риллами). Диаметр собственно фибрилл составляет 0,1—0,4 р,, а у микрофибрилл он равен приблизительно 250 А (0,025 ц,) [6]. Структура и ориентация пучков и отдельных фибрилл неодина­ковы, а зависят от вида волокон В большинстве случаев отдель­ные фибриллы уложены равномерно. В ламелях слои имеют спиралевидную ориентировку, как бы оплетая волокно. В зави­симости от вида волокон спирали фибрилл располагаются более круто или более полого. Отдельные фибриллы на концах волокон
не заканчиваются, но продолжаются далее вдоль стенки волокна, изменяя свое направление на обратное. Угол подъема фибриллярных спиралей во вторичной стенке по отношению к оси волокна обычно составляет 60°.

Изучением ориентации фибрилл в третичной стенке зани­мался Бухер [7], который установил, что угол подъема спирали у отдельных видов волокон различен. Так, например, у волокон ели с широкими люменами угол подъема спиралей фибрилл

Составляет 65°, а у волокон дру­гого образца ели он был равен 70°. У пихты этот угол, как пра­вило, равен 70°, в то время как у сосны он возрастает постепенной достигает 84°. В первичной стенке большая часть фибрилл имеет как бы сетчатую, менее плотную структуру по сравнению со струк­турой других стенок. Схема ориен­тации фибрилл в волокнах пока­зана на рис. 2. Вторичная стенка клетки имеет в одном слое право - спиральную ориентацию фибрилл, изменяющуюся в следующем на левоспиральную. Угол наклона спирали к продольной оси волок­на остается приблизительно по­стоянным. Клеточная стенка, сле­довательно, выполнена из отдель­ных слоев, состоящих из пучков фибрилл и микрофибрилл. Ши­рина микрофибрилл достигает 150—250 А.

При исследовании строения клеточной стенки в середине прошлого столетия Нэгели пришел к заключению, что в микро­фибриллах наблюдаются образования, имеющие кристалличе­скую структуру. Эти образования субмикроскопической вели­чины Нэгели назвал мицеллами. Он высказал предположение, что устройство стенки клетки подобно расположению кирпичей в кладке стены. Макромолекулы целлюлозы не могли превышать длину мицелл. Вместе с Нэгели Зейфритц, Хенгстенберг и Марк утверждали, что мицеллы представляют собой индивидуальные частицы, связанные силами побочной валентности [1]. Герцог вы­сказал мнение, что промежутки между мицеллами заполнены нецеллюлозным связующим веществом.

При определении длины целлюлозных молекул было уста­новлено, что кристаллическая целлюлоза природного волокна состоит из макромолекул нитеобразной формы. Их длина опре-

Вания

Деляется степенью полимеризации (СП). При степени полимери­зации молекулы, равной 4000, ее длина равна 20000 А (2 р,). Ширина такой молекулы определяется шириной глю­козного остатка и равна 7,5 А. Кристаллические же систе­мы отдельных мицелл имеют длину всего лишь 500А, а ширина их колеблется от 50 до 100 А. Таким образом, теория изолированных ми­целл была сильно поколебле­на. По современным пред­ставлениям [18], основанным на многочисленных рентге­нографических и электроно- графических исследованиях, при огромных увеличениях

(50000 раз) мицеллярные образования представляют собой не что иное, как местные группировки макромолекул. Путем сов­местной кристаллизации цепных молекул целлюлозы на опреде­ленных участках образуются кристаллиты, макромолекулы

Которых могут переходить из аморфного состояния в кристалличе­ское и обратно. Таким образом, одна макромолекула целлюлозы может участвовать в формировании нескольких мицелл. В сече­нии одного мицеллярного кристаллита может быть 50—250 цел­люлозных цепей. Схематично, в соответствии с современными представлениями, строение мицеллярных образований показано на рис. 3, а ориентация глюкозных остатков в кристаллите — на рис. 4. Наряду с упорядоченным расположением молекул в кри­сталлических решетках между отдельными мицеллами обра­зуются межмицеллярные области аморфной целлюлозы. Между аморфными и кристаллическими областями нет точного разгра­ничения. В аморфных участках наряду с целлюлозой содержится

И лигнин. Таким образом, стенка волокна имеет дисперсную структуру, состоящую из целлюлозы и пронизывающих ее инкрустирующих веществ.

Макромолекула целлюлозы с химической точки зрения пред­ставляет собой высокомолекулярный полисахарид, образую­щийся путем упорядоченного трехмерного расположения глю­козных остатков, соединенных в нитевидные молекулы. Струк­тура таких цепей показана на рис. 5. Глюкозные остатки взаимно связаны глюкозидными связями с энергией 30 ккал/моль, противодействующими разрыву макромолекулы в продольном направлении. В поперечном направлении действуют силы Ван дер Ваальса с энергией около 2 ккал/моль, а перпендикулярно этому направлению действует третий тип связей, прочность кото­рых составляет приблизительно 5 ккал/моль. Эти силы, действую­щие между гидроксильньши группами соседних молекул, назы­ваются водородными связями. v

Степень полимеризации, т. е. число глюкозных остатков, при­ходящихся на каждую макромолекулу целлюлозы, зависит как от вида волокна, так и от способа, которым была выделена целлю­лоза из древесины. Степень полимеризации целлюлозы даже в одном и том же волокне не является постоянной, она колеб­
лется, например, для сульфитной целлюлозы в пределах от СП = 300 до СП = 2000. Длина целлюлозных молекул также изме­няется от 1500 до 11 000 А, т. е. от 0,15 до 1,1

Глюкозный остаток (рис. 6), являющийся основным звеном целлюлозной цепи, имеет длину 5,2 А и ширину 7,5 А. Это, соб-

Рис. 6. Глюкозный остаток — основная струк­турная едиьица целлюлозной цепочки

Ственно, та же молекула глюкозы, из которой в результате поли­меризации выделилась одна молекула воды. Молекулярная химическая формула целлюлозы вследствие этого может быть написана, так: (СьНюОб)?},. Диаметр атома углерода, основной элемен­тарной составляющей целлюлозной молекулы, равен 1,54 А. Расположе­ние атомов в глюкозных остатках целлюлозных цепей изображено на

Наглядное представление о раз­мерах отдельных составляющих хлопкового волокна позволяют по­лучить данные, приведенные в табл. 2, составленной по сведениям, опубли­кованным Фрей-Висслингом [6]. В среднем^ бумагообразующее во­локно в поперечном разрезе имеет несколько десятков концентрически расположенных слоев и может быть разделено на несколько тысяч фибрилл. Число микрофибрилл ко­леблется до десятков тысяч, а чис­ло целлюлозных молекул опреде­ляется миллиардами. Абсолютное их число зависит от разме­ров волокон (клеток), от вида растения и условий, в которых оно росло. Длина и ширина волокон непостоянны даже для от­дельных видов волокон. Типичные размеры волокон (клеток) приведены в табл. 2а.

Таблица 2