Научная статья на тему 'Исследование кинетических параметров реакций гидрофобизации древесины'

Исследование кинетических параметров реакций гидрофобизации древесины Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
91
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Область наук
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование кинетических параметров реакций гидрофобизации древесины»



ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕАКЦИЙ ГИДРОФОБИЗАЦИИ ДРЕВЕСИНЫ

Покровская E.H., Котенёва И.В

Широкое применение реакций силилирования для модифицирования древесины и древесных материалов объясняется увеличением гидрофобности и водостойкости обработанных объектов [1]. Для реакций силилирования целлюлозы и древесины характерно наличие кинетической неэквивалентности реагирующих областей [2]. Внутри- и межмолекулярные перестройки структуры древесины (целлюлозы) могут быть сильно заторможены, тогда обмен между кинетически неэквивалентными состояниями термодинамических сегментов будет заморожен, и всю систему можно условно распределить по ансамблям, характеризующимся определенными значениями энергии и энтропии активации. Кинетика химических превращений в такой системе является полихронной, ее нельзя описать одной кинетической константой [3-5].

В качестве силилирующих агентов целлюлозы и древесины изучались 10%-ные растворы кремнийорганических соединений (КОС): этилгидридсилоксан (ЭГС), тетраэтоксисилан (ТЭС), метилсиликонат натрия (МСН). В качестве растворителя для ЭГС и ТЭС использовали гексан, марки «ХЧ», МСН растворяли в воде. Полихронная кинетика реакций между целлюлозой, древесиной и растворами некоторых алкоксисиланов ранее изучалась [6].

В качестве объектов силилирования использовались: опилки нативной и фосфорилированной древесины сосны диаметром 1 мм, а также измельченная а-целлюлоза и фосфорилированная а-целлюлоза. Образцы древесины и целлюлозы фосфорилировались 10%-ными растворами фосфорорганических соединений (ФОС): диметилфосфитом (ДМФ), трихлорэтилфосфитом (ТИТ), трикрезилфосфитом (ТКФ) в течение 3-х часов при комнатной температуре. ДМФ растворяли в воде, ТИТ и ТКФ - в СС14. Содержание кремния в образцах определяли по методике [7]. Взаимодействие представленных ФОС с древесиной и целлюлозой осуществляется за счет реакций переэтерификации [6], с образованием связи С-О-Р. Взаимодействие КОС - за счет реакций между ОН группами целлюлозы и реакционными группами КОС с образованием связи С-О-Б1 [6].

Кинетика силилирования древесины и целлюлозы растворами КОС имеет основной признак полихронной - ступенчатый характер силилирования (рис.1,2), т.е. при достижении определенной степени силилирования в изотермических условиях процесс резко замедляется и практически останавливается.

Линейная зависимость степени силилирования (0) от ^т (рис.2,3) свидетельствует о том, что имеется распределение либо по энтропии активации, либо по энергии активации, либо по обоим параметрам одновременно.

Сечением семейства прямых 0(Т,т) - ^т при 0=сош1 находим характеристические времена те и соответствующие им константы скорости силилирования, принадлежащих данному ансамблю к=(теа)-1, где а=0тах - максимальное содержание кремния в модифицированной древесине (целлюлозе), рисунок 3 и 4.

Рис.2 Ступенчатая кинетика силилирования целлюлозы: а. - МСН, б. - ТЭС, в. - ЭГС

Рис.3 Логарифмические анаморфозы кинетических кривых силилирования древесины:

а. - МСН, б. - ТЭС, в. - ЭГС

Рис.4 Логарифмические анаморфозы кинетических кривых силилирования целлюлозы:

а. - МСН, б. - ТЭС, в. - ЭГС.

Зависимость ^т от Т дает аррениусовские параметры к0 и Еа для реакции силилирования

целлюлозы и древесины. Рассчитанные таким образом значения энергии активации и предэкспоненциального множителя представлены в таблице 1.

Видно, что и энергии активации, и предэкспоненты реакций силилирования изменяются в широких пределах: 1,19 - 13,40 ккал/моль для энергии активации силилирования древесины, 1,40-14,23 ккал/моль - целлюлозы; и -6,19-0,98 см3/с, -14,74-1,44 см3/с - для предэкспонент древесины и целлюлозы соответственно. Несомненно, что причиной неэквивалентности реакций силилирования целлюлозы и древесины по энтропии и по энергии активации является неоднородность реакционных центров (наличие конформаций, молекулярной подвижности, локального окружения).

При силилировании целлюлозы и древесины МСН и ЭГС предварительное введение ФОС позволяет снизить энергетический барьер реакций (табл.1, №1-4 и 9-12). При этом в зависимости от природы ФОС энергия активации уменьшается в 1,5-10 раз. При силилировании ТЭС предварительное введение ФОС в материалы не способствует уменьшению энергетического барьера реакции, наоборот, в некоторых случаях (табл.1, п.7 и 8) наблюдается незначительное увеличение Еа.

Таблица 1

Значения эффективных параметров реакции силилирования

№п. п. Обработка древесина целлюлоза

© Б1,% Еа, ккал/моль к0, см3/с © Б1,% Еа, ккал/моль к0, см3/с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 МСН 0,450,80 2,50 -4,50 8,55 -13,4 -3,98 --6,19 0,460,83 2,40 -4,30 9,26 -13,97 -4,45 --6,53

2 ДМФ + МСН 0,510,83 4,75 -7,75 8,07 -10,33 -3,61 --4,20 0,450,83 4,00 -7,30 7,36 -9,22 -3,22 --3,57

3 ТИТ + МСН 0,470,95 1,75 -3,50 1,19 -2,51 0,98 -0,79 0,500,97 1,60 -3,10 2,38 -2,40 0,17 -1,44

4 ТКФ + МСН 0,630,88 1,25 -2,00 5,46 -5,87 -1,83 --1,39 0,420,89 0,80 -1,70 2,85 -5,87 -0,14 --1,35

5 ТЭС 0,410,90 0,63 -1,36 3,09 -3,33 -0.78 --0.3 0,530,79 0,60 -0,90 7,60 -7,65 -3,27 --2,14

6 ДМФ + ТЭС 0,520,91 1,00 -1,75 2,85 -3,09 -0,12 -0,26 0,500,85 0,65 -1,10 4,51 -4,75 -1,26 --0,87

7 ТИТ + ТЭС 0,560,94 0,75 -1,25 4.51 -5.33 -1.36 --0.08 0,480,80 0,60 -1,00 6,65 -6,89 -2,67 --2,29

8 ТКФ + ТЭС 0,560,84 0,50 -0,75 4.04 -4.75 -0.88 --0.90 0,750,94 0,60 -0,75 14,23 -14,49 -14,74 --7,15

9 ЭГС 0,390,72 0,14 -0,26 8,08 -10,45 -3,48 --4,70 0,390,70- 0,13 -0,23 10,69 -10,93 -5.37 --4.85

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10 ДМФ + ЭГС 0,430,77 0,26 -0,46 8,78 -9,26 -4,09 --3,59 0,390,77 0,22 -0,44 10,21 -10,21 -5.10 --3.39

11 ТИТ + ЭГС 0,470,79 0,32 -0,54 9,08 -9,27 -4,25 --3,08 0,430,78 0,28 -0,52 8,31 -8,79 -3.79 --2.47

12 ТКФ + ЭГС 0,370,78 0,18 -0,38 5,94 -6,53 -2,17 --1,99 0,340.77 0,16 -0,36 6.41 -7.13 -2.51 --2.31

Для всех изученных реакций силилирования характерна общая закономерность: с увеличением степени силилирования увеличивается Еа (реже остается неизменной), но уменьшения Еа не происходит. Это обусловлено образованием дополнительных связей между модификатором и подложкой, и возникшими в связи с этим пространственными затруднениями реакций.

Наивысшая степень силилирования наблюдается при реакции фосфорилированной ДМФ целлюлозы/древесины МСН. Силилирование в этом случае происходит в кинетической области с образованием новых ковалентных связей. При силилировании древесины и целлюлозы последовательно ТИТ и МСН, налицо диффузное ограничение реакции (низкие значения Еа), ТКФ и МСН -кинетическое ограничение (высокие значения Еа).

Для реакций между целлюлозой/древесиной и ТЭС характерны низкие значения Еа, но и низкая степень силилирования. Здесь, очевидно, влияние диффузного ограничения на процесс силилирования. Разветвленным молекулам ТЭС трудно проникнуть к реакционным центрам целлюлозы и древесины, не способствует этому и предварительное фосфорилирование (табл.1, №5-8).

При силилировании целлюлозы и древесины ЭГС реакция протекает в кинетической области с очень низкими степенями силилирования и высокими значениями Еа реакций.

Изменение предэкспоненты характеризует изменение энтропии активации. Энтропия активации связана с наличием доступных реакционных центров. Исходя из этого положения и определённых значений к0 реакций силилирования, можно сделать следующий вывод. Минимальная энтропия активации характерна для силилирования древесины и целлюлозы, предварительно фосфорилированной ДМФ и ТИТ. Это свидетельствует о том, что в ходе процесса силилирования увеличивается упорядоченность в структуре целлюлозы/древесины за счет образования новых связей между молекулами КОС и подложкой. Исключение составляют лишь некоторые фосфорилированные образцы п.3 и п.6 табл.1. В этих случаях не происходит увеличения упорядоченности, возможно из-за отсутствия реакции между ФОС и КОС.

Выводы:

Кинетика процесса последовательного фосфорилирования и силилирования целлюлозы и древесины может быть описана в координатах полихронной кинетики с распределением по величинам энергии активации и энтропии.

Последовательное фосфорилирование и силилирование в интервале температур 20-800С для систем ТИТ+МСН, ДМФ+ТЭС протекает с диффузными ограничениями, реакции силилирования последовательно ДМФ+МСН, ДМФ+ЭГС, ТИТ+ЭГС протекают в кинетической области. Это характерно, как при использовании в качестве подложки целлюлозы, так и древесины.

Большие отрицательные значения предэкспонент характеризуют упорядоченность систем, что свидетельствует об образовании связей между подложкой и модификаторами в системах МСН, ДМФ+МСН, ЭГС, ДМФ+ЭГС, ТИТ+ЭГС.

Для силилирования древесины в мягких условиях необходим реакционно-способный мостик между подложкой и модификатором. Силилирование древесины и целлюлозы в мягких условиях с образованием ковалентных связей происходит при предварительном фосфорилировании.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Покровская Е.Н., Котенёва И.В. Гидрофобизация древесных материалов фосфор- и кремнийорганическими соединениями // Строительные материалы, №5, 2003г., с.40-42.

2. Эмануэль Н.М., Бучаченко А.Л. Химическая физика старения и стабилизации полимеров. М.:Наука, 1982, 360с.

3. Михайлов А.И., Лебедев Я.С., Бубен Н.Я. Кинетика и катализ. 1964г., Т.5, с.1020; 1965, Т.6, с.48.

4. Лебедев Я.С. Кинетика и катализ, 1978, Т.19, с.1367.

Михайлов А.И., Большаков А.И., Лебедев Я.С., Гольданский В.И. Физика твердого тела. 1972, Т.14, с.1172.

Покровская Е.Н. Химико-физические основы увеличения долговечности древесины. Сохранение памятников деревянного зодчества с помощью элементоорганических соединений. Монография - М.: Изд-во АСВ, 2003. - 104 с.

Методы количественного органического элементного микроанализа/ Гельман Н.Э., Терентьева Е.А., Шанина Т.М. и др. - М.: Химия, 1987. 296с.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.