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

1.3. Содержание основных компонентов в древесине различных пород, произрастающих в СССР

Порода

Вещества, растворимые в горячей воде

Смолы и жиры

Целлю­

Лоза

Лигнин

Пентозаны (с уроиовыми кислотами)

Сосна

4,8

5,4

51,6

25,1

9,7

Ель

3,2

1,9

55,2

27,0

11,2

Пихта

3,0

2,8

50,7

29,3

7,9

Лиственница

12,8

2,4

51,6

24,3

10,3

Береза

2,2

1,2

50,3

19,5

26,4

Осина

3,0

1,5

49,2

22,6

22,7

Бук

1,4

0,9

49,6

21,8

25,6

Клен

1,4

1,6

48,0

23,1

25,0

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.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв