Природные полимеры на примере древесины

Древесина является уникальным природным строительным материа­лом, она обладает сравнительно высокой прочностью при небольшой объ­емной массе (высоким коэффициентом конструктивного качества), доста­точной упругостью, низкой тепло- и звукопроводностью, высокой декора­тивностью, легко поддается механической обработке.

Конструкции из древесины обладают комфортным микроклиматом, они просты в сборке, легки, транспортабельны. Все это определяет широ­кое применение деревянных конструкций в различных областях народного хозяйства, особенно в гражданском и сельском строительстве.

Древесина - природный полимерный композит, основные макромоле-кулярные компоненты которого целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин при­сутствуют в древесине всех видов. В небольших количествах в древесине присутствуют экстрактивные и минеральные вещества. Химические ком­поненты древесины представлены на схеме ( рис.19), а химический состав древесины некоторых хвойных и лиственных пород - в табл. 3.

Рисунок 25 - Схема химических компонентов древесины

Таблица 3- Химический состав древесины некоторых пород,%

Целлюлоза - главный компонент древесины как хвойных, так и лист­венных пород, занимающий примерно её половину. Целлюлоза представ­ляет собой линейный полимер с высокой молекулярной массой, построен­ной из остатков P-D-глюкозы. Целлюлоза выполняет функцию основного компонента клеточных стенок растений (древесины).

Целлюлоза относится к классу углеводов - полисахаридов, общая фор­мула которых C_mH_2nO_n. Целлюлоза - линейный полимер стереорегулярного строения. Эмпирическая формула целлюлозы (C₆H₁₀О₅)n. Молекулярная мас­са целлюлозы колеблется в широких пределах от 30000 до 5 000 000, что соответствует степени полимеризации "n" от 175 до 30 000. Элементарным звеном макромолекулы целлюлозы является остаток D-глюкозы.

Глюкоза С₆Н₁₀О₅ является альдозой (полиоксиальдегидом) и содержит оксигруппы и альдегидную группы. В растворах глюкоза существует в двух формах - цепной и циклической, которые находятся в равновесии.

Выделенные гидроксильные группы у 1-го атома С - глюкозидные.

Циклическая полуацетальная форма образуется при переходе атома водорода гидроксильной группы у С⁵-атома к кислороду карбонильной группы.

Такой переход объясняется соответствующей поляризацией связей С=О и О-Н, а также тем, что молекула глюкозы в пространстве изогнута, так что гидроксил у С⁵-атома находится рядом с кислородом карбонильной группы, что показано на схеме 1:

Схема 1

С точки зрения стереоизомерии в зависимости от пространственного положения гидроксила у последнего асимметрического атома углерода, считая сверху от углерода, связанного с карбонильной группой, проводится отнесение моносахаридов к ряду D- или L. В представленной молекуле глюкозы такой последний асимметрический атом углерода 5-й. Если гид­роксил у С⁵-атома расположен справа - это D-глюкоза, а если слева L-i/токоза. Целлюлоза состоит из макромолекул, в которых остатки D-глюкопиранозы связаны Р-глюкозидными связями в положениях 1,4' через атомы кислорода.

Образование целлюлозы из молекул глюкозы упрощенно можно выра­зить схемой 2:

Схема 2

Строение макромолекулы целлюлозы можно представить в следую­щем виде, схема 3:

Схема 3

Полиозы (гемицеллюлозы) тесно связаны с целлюлозой в клеточной стенке. Молекулярные цепи полиоз намного короче цепей целлюлозы. Ос­новными представителями являются гексозаны и пентозаны. Древесина лиственных пород содержит больше полиоз, чем древесина хвойных пород. Целлюлоза и полиозы составляют полисахаридную часть древесных ве­ществ.

Лигнин - третий макромолекулярный компонент древесины. Лигнин -полимер, макромолекулы которого построены из производных фенилпро-пана.

гдеХ, Y, Z –Н или функциональные группы чаще всего ОН, ОСН ₃, >С=0 и др.