Исследования структуры целлюлоз и лигнинов различного происхождения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Химия растительного сырья. 2005. №3. С. 31-59.

УДК 541.64

ИССЛЕДОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ЦЕЛЛЮЛОЗ И ЛИГНИНОВ РАЗЛИЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

© Л.А. Алешина , Н.В. Мелех, А.Д. Фофанов

Петрозаводский государственный университет, пр. Ленина, 33,

Петрозаводск, 185910 (Россия) E-mail: aleshina@psu.karelia.ru

В работе представлен обзор результатов рентгенографических исследований атомной структуры целлюлоз, древесины, коры, луба, их полуфабрикатов и лигнинов, выполненных за последние годы в ПетрГУ. Описаны особенности методики эксперимента и обработки данных. Оценена степень кристалличности, определены размеры областей когерентного рассеяния и рассчитаны периоды решетки кристаллической компоненты исследованных материалов. Уточнение значений периодов выполнялось методом Ритвельда. При изучении структуры аморфных образцов использовался метод Уоррена-Финбака. Рассчитаны и проанализированы значения радиусов и размытий координационных сфер и координационные числа для лигнинов, водорослевой клетчатки, небеленой сульфатной целлюлозы и аморфной составляющей древесины. Рассмотрены возможные модели областей ближнего упорядочения.

Работа выполнена при поддержке гранта № PZ-013-02 Американского фонда гражданских исследований и развития независимых государств постсоветского пространства (АФГИР), Министерства Образования Российской Федерации и гранта РФФИ № 02-02-97504.

Введение

Получение информации об атомном строении целлюлозы и других компонентов, входящих в состав природных объектов на ее основе (древесина, водоросли и т. д.), является актуальной, но довольно сложной задачей. К настоящему моменту выполнено большое количество экспериментальных и теоретических работ по выяснению структурных особенностей упорядоченных, кристаллических фаз целлюлозы, обзор которых проведен в [1-2]. Установлено, что структуру нативных, хорошо закристаллизованных целлюлоз можно описать на основе двух кристаллических модификаций: триклинной a-фазы с одной цепочкой на элементарную ячейку и моноклинной р, для которой возможны три разных модели взаимного расположения целлобиозных фрагмента в элементарной ячейке: антипараллельная, параллельная up и параллельная down [1-3].

Дифракционные картины природных целлюлоз настолько размыты, что их анализ требует нестандартного подхода [4]. Кроме того, на основе анализа дифракционных картин природную целлюлозу рассматривают как двухфазную систему с кристаллическими и некристаллическими областями. Было показано, что в древесине аморфная составляющая наибольший вклад вносит в картины рассеяния, полученные на различных срезах в геометрии на просвет [4].

Структура целлюлозы в древесине [5, 6], лубе и корке [4] в нативном состоянии до сих пор описана недостаточно, так как дифракционная картина от этих объектов мало контрастна и содержит небольшое количество отражений. Фактически экспериментально регистрируются только наиболее интенсивные отражения, так как слабые рефлексы размываются и вуалируются рассеянием от аморфной составляющей.

Одной из составляющих древесины, количество которой достигает 30%, является лигнин. Лигнин придает жесткость клеточным стенкам и в древесных растениях действует как межклеточное связующее вещество.

* Автор, с которым следует вести переписку.

Водорослевая клетчатка является одним из основных компонентов бурых водорослей. Известно, что с химической точки зрения она должна представлять собой полисахарид, аналогичный целлюлозам высших растений.

В данной работе суммированы результаты рентгенографических исследований структуры древесины, целлюлоз различного происхождения и лигнина, выполненных на КФТТ ПетрГУ.

1. Характеристики исследуемых объектов

Рентгенограммы были получены на рентгеновских дифрактометрах ДРОН-4, ДРОН-3 в геометриях на отражение и просвет на излучениях Бе, Си и Мо Ка [2, 4, 7-28]. Использовался автоматический метод регистрации дифракционных картин.

При исследовании радиальных срезов древесины сосны и ели в геометрии на отражение оси волокон древесины были перпендикулярны поверхности образца, на которую падает пучок рентгеновских лучей. При исследованиях тех же образцов в геометрии на просвет падающие лучи проходят сквозь образец параллельно оси волокон. Для получения рентгенограмм от тангентальных срезов (пластин) ранней и поздней древесины образцы устанавливались на дифрактометре таким образом, что в геометрии на отражение оси волокон располагались вертикально, перпендикулярно плоскости гониометра, в которой лежит падающий пучок. В геометрии на просвет оси волокон лежали в плоскости гониометра (образец поворачивался на 90°) и при нулевом положении счетчика были перпендикулярны падающим лучам.

Древесина не является чисто целлюлозным объектом и имеет довольно сложный химический состав, представленный в таблице 1 по данным [29].

Средние пробы (250-300 г) луба, корки и древесины были отобраны из одного дерева ели и измельчены в опилки. Для исследований использовалась фракция опилок размером 0,25-1,0 мм. Экстракцию луба и корки последовательно гексаном, диэтиловым эфиром и спиртом проводили в соответствии с [30], экстракцию горячей водой и определение целлюлозы по Кюршнеру-Хофферу осуществляли общепринятыми методами [31]. Углеводный состав определяли по методу [32]. Лубяной волокнистый полуфабрикат получали из отходов сухой и мокрой окорки древесины ели методом гидротермического воздействия [33]. Наряду с опилками изучали луб в виде пластин, толщина которых была равна толщине слоя вторичной флоэмы (0,70-1,50 мм), и отдельные чешуи корки. Данные химического анализа представлены в таблице 2.

Содержание целлюлозы условно принималось равным количеству глюкана. Кроме того, исследовались необработанные образцы ранней и поздней древесины, радиальный срез, луб и кора быстрорастущей сосны, а также полуфабрикаты на основе древесины хвойных пород, сведения о которых приведены в таблице 3.

Исследовались также диоксанлигнин и гидролизный лигнин после различных обработок [22, 25, 27]. Исходный гидролизный лигнин был получен путем перколяции 0,5-1% раствора серной кислоты через слой древесины ели при температуре 180-185 °С. Типы обработки гидролизного лигнина приведены в таблице 4.

Таблица 1. Химический состав ранней (РД) и поздней (ПД) древесины сосны (%)

Сосна обыкновенная (Северный край. Европейская часть России)

ты нт е н о о 4 Образец I Образец II

РД ПД РД ПД

Плотность в абс. сух. сост., г/см3 0,323 0,779

Вещества, экстрагируемые: диэтиловым эфиром 1,83 1,35 2,48 2,47

этиловым спиртом 1,29 0,84 1,29 0,99

горячей водой 0,62 0,57 0,35 0,36

Целлюлоза (по Кюршнеру-Хофферу) 53,18 4,42 55,08 54,68

Пентозаны 12,22 0,90 13,25 10,85

Уроновые кислоты 3,56 2,58 2,72 1,89

Общие метоксильные группы 4,80 4,02 4,29 4,18

Лигнин (по Кенигу) 28,45 7,86 29,48 29,35

Метоксильные группы в лигнине 15,09 2,55 15,61 14,39

Метилпентозаны 0,89 0,63 0,75 0,89

Гемицеллюлоза 20,68 0,36 24,00 24,36

Целлюлоза (после удаления гемицеллюлоз) 51,40 2,68

Таблица 2. Химический состав образцов (в весовых %).

Вещества, экстрагируемые растворителями Содержание

№ образца Характеристика образца лигнина углеводов целлюлозы Кюршнера- Хоффера целлюлозы

1 Хлопок 0,3 0,07 Целлюлоза+ следы ксилозы 94

2 Корка исходная (опилки) 31,3 22,4 44,5 17,8 15-1 б

3 Корка после экстракции органическими растворителями - 30,9 57,3 27,5 23-24

, а 55 Целлюлоза Кюршнера - Хоффера из корки - 1,1 91,0 100,0 83

б Луб исходный (опилки) 33,2 9.0 59.0 29,4 25-2б

ба Луб исходный (пластина) 22,6 9,0 59,0 29,4 25-2б

7 Луб после экстракции водой (пластина) 13,8 45,0 38-39

8 Луб после экстракции водой (опилки) 13,4 44,0 37-38

9 Луб после экстракции органическими растворителями (опилки) - 11,б 76,5 38,0 33-35

10 Лубяной волокни- мокрой окорки 4,3 28,5 65,0 - 50

11 стый полуфабрикат из отходов: сухой окорки 4,8 27,8 67,4 - 50

13, 13а Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из луба - 0,1 100,0 100,0 85

14 Древесина 1,9 2б.8 67,0 50,8 45

15, 15а Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из древесины - 0,5 98,9 - 83

Таблица 3. Исследуемые полуфабрикаты различного спектра выхода древесной массы и целлюлозы (в % от массы а.с.д.)

Образец Выход, % Источник изготовления

Древесная масса 97-98 АО «Кондопога»

Небеленая бисульфитная целлюлоза из 54-55 АО «Кондопога»

древесины ели

Небеленая сульфатная целлюлоза из 52-53 АО «Сегежабумпром»

древесины сосны

Беленая сульфатная целлюлоза 47-48 Финляндия

Беленая сульфатная целлюлоза 4б-47 Flash ORION ECF

Таблица 4. Тип обработки гидролизного лигнина и толщины (1) образцов

№ Характеристика лигнина t, см

1 Исходный 0,092

2 Промыт до нейтральной среды 0,150

3 Экстрагирован бензиловым спиртом 0,155

4 Экстрагирован бензиловым спиртом, с последующим гидролизом на углеводный состав 0,122

5 Экстрагирован диэтиловым эфиром 0,230

б После щелочной обработки 0,151

7 Обработан щелочью, нейтрализация до рН=5, промывка до рН=5,5-6 0,075

В качестве исходного материала для изготовления катионитов [28] был использован декатионизирован-ный технический лигносульфонат ОАО «Кондопога», полученный при переработке щелоков бисульфит -ной варки на натриевом основании.

Кроме того, исследовались скорлупа кедрового ореха, микрокристаллическая целлюлоза и водорослевая клетчатка [26]. Скорлупа ореха была приготовлена в виде опилок. Микроцеллюлоза была получена в АГТУ из целлюлозы путем кислотного гидролиза, размер частиц исследуемого образца - около 40 мкм.

2. Методика обработки экспериментальных данных

В измеренные экспериментально значения интенсивностей рассеяния вводились поправки на рассеяние воздухом, собственный фон регистрирующей схемы, поглощение и поляризацию. Перевод в электронные единицы на единицу состава (формульную единицу соединения) проводился методом Крог-Мое и Нормана и методом Уоррена. Из полученных кривых рассчитывались кривые распределения 8-взвешенной интерференционной функции Н(б) и парных функций Б(г) (8 - длина дифракционного вектора, 8 = 4я5ш9/Х, 9 -угол скольжения, X - длина волны падающего излучения). Характеристики ближнего порядка определялись методом Финбака. Подробно методика обработки результатов эксперимента и метод Финбака изложены в [34].

Определение периодов элементарной ячейки кристаллической составляющей целлюлозы проводилось с использованием метода полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов [10, 14, 16]. Полнопрофильный анализ проводился с использованием программы, разработанной в [35].

Теоретические расчеты кривых распределения интенсивности рассеяния проводились в рамках модели хаотически разориентированных неискаженных и искаженных кластеров.

Кривые распредефения интенсивности рассеяния для такой модели рассчитывались по формуле Дебая:

1(8):

N 2 N-1 N 1 ^ ^ Г:)

I ^ + 21 I 1 • [f1fГ + ££ ]----------------------^

1=1 1 :=1+12 8 • г:

где ^ - функции атомного рассеяния 1-го и ]-го атомов; N - число атомов в рассматриваемой конфигурации; N,1, - число формульных единиц в конфигурации.

Затем из кривых 1(8) рассчитывались Б-взвешенные интерференционные функции Н(б) и кривые распределения парных функций Б(г).

В первом приближении хаотически разориентированные области представляли собой правильные конфигурации, состоящие из определенного числа элементарных ячеек кристаллических фаз целлюлозы. Конфигурации были получены путем трансляции элементарной ячейки вдоль направлений X, У, Ъ кристалла. Число трансляций варьировалось. Затем модели, для которых распределение интенсивности рассеяния в большей степени соответствовало эксперименту, искажались путем преобразования в пакеты слоев.

Суть построения модели искаженных областей решетки состояла в следующем. Сначала формировался кластер целлюлозы, представляющий собой пакет слоев (сеток) атомов, расположенных на заданных расстояниях друг от друга. Затем модель искажалась несколькими способами:

1) каждый слой разворачивался вокруг оси X, проходящей через первые атомы в обеих сетках, на некоторый фиксированный угол. Пример разворота слоев показан на рисунке 1а. Были заданы следующие значения углов: 5, 10, 20, 50 и 80°;

2) угол разворота составлял 0°, но задавалась его дисперсия (при этом слои разворачивались случайным образом, каждый на свой угол в соответствии с гауссовым распределением);

3) слои сдвигались вдоль осей У и Ъ (независимо) на некоторое расстояние в ангстремах относительно первой сетки. Задаваемые расстояния лежали в пределах от -0,5 до 0,5 А. Примеры сдвигов показаны на рисунках 1 б, 1 в;

4) расстояние между сетками варьировалось в соответствии с гауссовым распределением для задаваемых среднего расстояния и дисперсии.

Все описанные искажения проводились по отдельности или комбинировались друг с другом в зависимости от желаемого изменения картины рассеяния.

При построении конфигурации проводилась проверка на пересечение атомов. С этой целью рассчитывались расстояния между всеми атомами кластера. Если расстояние от какого-либо атома присоединяемой к кластеру сетки до любого атома кластера было меньше заданного Ктт, то этот атом отбрасывался, так что на его месте образовывалась вакансия.

1

Рис. 1. Схемы моделей, состоящих из нескольких слоев и искаженных: а - посредством разворота слоев вокруг оси Х; б - посредством сдвига слоев вдоль оси У; в - посредством сдвига вдоль оси Ъ

3. Результаты эксперимента и их обсуждение

Дифракционные картины исследованных образцов (рис. 2-4) мало контрастны, имеющиеся отражения размыты, а при больших углах рассеяния наблюдается просто диффузный фон.

По приведенным в литературе координатам атомов и значениям периодов и углов элементарных ячеек для всех трех рассмотренных возможных вариантов двухцепочечных моделей целлюлозы р1 и одноцепочечной модели а1, были рассчитаны рентгенограммы, представленные в [2, 4]. На рисунке 2а в сопоставлении с рентгенограммами радиального среза сосны приведена рентгенограмма фазы р1. Ширина отражений соответствует долям градуса, т.е. случаю очень хорошо закристаллизованного объекта.

Основная интенсивность рассеяния целлюлозой на рассчитанных теоретически рентгенограммах кристаллических фаз сосредоточена в трех отражениях, индексы которых на рентгенограммах моноклинных фаз р1, для которых характерны двухцепочечные элементарные ячейки (110), (110) и (200), в установке кристаллографических осей а<Ь, с=10.34 А, а=р=90°, у>90°. На рентгенограмме триклинной фазы а1 индексы этих отражений (100), (010) и (110). Все остальные отражения на рассчитанных теоретически рентгенограммах очень слабые. Такой характер картины рассеяния обусловлен тем, что целлюлоза является ориентированным полимером, поскольку все цепочки ориентированы в одном направлении вдоль оси с. Рентгенограммы, рассчитанные для триклинной фазы а1 и различных моделей строения моноклинной фазы р1, различаются между собой количеством слабых отражений, смещениями отражений относительно друг друга (в силу различия в периодах элементарной ячейки) и некоторым перераспределением интенсивности указанных выше трех основных отражений [2, 4].

Фактически экспериментально на поликристаллических образцах регистрируются только наиболее интенсивные отражения, так как слабые рефлексы размываются и вуалируются рассеянием от аморфной составляющей.

На рисунке 2 приведены фрагменты рентгенограмм, полученных для ранней и поздней древесины сосны и ели (тангентальные срезы), водорослевой клетчатки и опилок скорлупы кедрового ореха, на которых еще есть хотя и сильно размытые, но выделяющиеся на общем фоне дифракционные максимумы. Рентгенограмма хлопковой целлюлозы приведена на рисунке 3. Из анализа рентгенограмм рисунка 2 и хлопковой целлюлозы видно, что дифракционные картины природных объектов разнообразны. Аналогичные картины, полученные для полуфабрикатов в геометрии на отражение, качественно идентичны как друг другу, так и рентгенограммам хлопковой целлюлозы, микроцеллюлозы и целлюлозы по Кюршнеру (рис. 3). В геометрии на просвет качественно подобны рентгенограммы беленой сульфатной и хлопковой целлюлоз.

Остановимся несколько подробнее на особенностях дифракционных картин исследованных образцов древесины хвойных пород и изготовленных из нее полуфабрикатов.

Рентгенограммы ранней и поздней древесины быстрорастущей сосны, отснятые в геометриях на отражение и просвет, различаются между собой, и это различие заключается в большем размытии дифракционных картин, отснятых на просвет, т.е. для случая, когда оси волокон в нулевом положении образца перпендикулярны падающим лучам и лежат в горизонтальной плоскости. Если сравнивать рентгенограммы радиального среза сосны с рентгенограммами ранней и поздней древесины, то рентгенограмма радиального среза, полученная в геометрии на отражение, оказывается наименее размыта и подобна картинам рассеяния полуфабрикатами и хлопковой целлюлозой, полученным и в той же геометрии. В геометрии на просвет в области наиболее интенсивных отражений картина рассеяния радиальным срезом диффузна и характеризует аморфную составляющую древесины.

Рис. 2. Рентгенограммы: а) радиального среза древесины сосны---на отражение, на просвет, расчет

для целлюлозы р1; б) водорослевой клетчатки; в) скорлупы кедрового ореха; г, д) поздней и ранней древесины ели (на отражение); е) опилки ели; ж, з) ранней и поздней древесины сосны; — на отражение, ..на просвет

Рис. 3. Рентгенограммы целлюлоз: а) хлопковой; б) беленой сульфатной (Flash ORION ESF); в) небеленой бисульфитной; г) древесной массы; д) беленой сульфатной (Финляндия); е) небеленой сульфатной из древесины сосны; ж) выделенной по Кюршнеру; з) микроцеллюлозы; — на отражение, на просвет

1|эл. еа,

Рис. 4. Рентгенограммы пластин: а) коры ели, — на отражение,..на просвет; б) на отражение, — луб,..

кора сосны со стороны луба; в) — кора сосны с внешней стороны... со стороны луба; г) лигнин

В случае древесины ели нет столь сильного различия в полученных на отражение дифракционных картинах радиального среза, ранней и поздней древесины. Размытие рентгенограммы образца древесины ели в виде опилок есть не что иное, как следствие хаотической ориентации микрофибрилл относительно друг друга и относительно направления нормали к поверхности образца [9].

Рентгенограммы коры и луба были получены от образцов, приготовленных в исходном необработанном состоянии в виде таблеток из опилок, чешуи и пластин [7]. Было установлено, что кора и луб в опилках дают идентичные рентгенограммы, на которых три основных рефлекса очень размыты [7]. Иная картина наблюдается для образцов в виде пластин, рентгенограммы которых приведены на рисунке 4.

Видно, что резко различаются как рентгенограммы, отснятые на отражение и просвет, так и рентгенограммы внешней и внутренней по отношению к стволу дерева стороны коры. Рентгенограмма коры, отснятая со стороны луба (показана точками на рис. 4в), напоминает рентгенограмму лигнина (рис. 4г). В целлюлозе из коры и в пластинах луба присутствует оксалат кальция: на дифрактограммах эти отражения наблюдаются в виде узких интенсивных максимумов (рис. 4в).

Полученные на отражение дифракционные картины древесины хвойных пород и изготовленных из нее полуфабрикатов оказались аналогичными рентгенограммам хлопковой целлюлозы и микроцеллюлозы. Это дает основание считать тип элементарной ячейки целлюлозы, входящей в состав изученных образцов, одинаковым и соответствующим целлюлозе I [36], что согласуется с данными, относящимися к дубу [37] и тропическим породам [38].

На всех рентгенограммах присутствуют два наиболее интенсивных максимума, причем первый из них соответствует двум основным отражениям рентгенограмм моделей: (110) и (110), а второй - отражению (200) моноклинной фазы.

Вследствие большого размытия отражений указанные линии не разделяются даже на рентгенограммах, полученных на длинноволновом РеКа-излучении.

Одной из концепций строения целлюлоз является представление о них как о полимере, состоящем из двух фаз: кристаллической с той или иной степенью дефектности и аморфной, которую рассматривают на основе представлений об идеальном расплаве [39-42]. Анализ дифракционных картин, отснятых при различных ориентациях волокон относительно направления падающих лучей (в геометриях на отражение и просвет) показывает, что в геометрии на отражение в картину рассеяния целлюлозами и древесиной основной вклад вносит кристаллическая составляющая целлюлозы. В геометрии на просвет, при которой падающие лучи проходят сквозь образец параллельно оси волокон, практически для всех исследованных образцов рассеяние становится диффузным, свидетельствуя о нарушении порядка. Наиболее ярко этот эффект выражен на рентгенограмме радиального среза сосны (рис. 2а): наиболее интенсивные отражения кристаллической фазы ( 1 10), (110), (200) проявляются только в виде перегибов. Появляющаяся в области углов рассеяния 29Ре ~ 44° узкая линия имеет индексы (004). Известно, что ширина рентгеновских дифракционных линий зависит от размеров областей кристалличности, чаще называемых блоками мозаики, или областями когерентного рассеяния (ОКР): чем выше размер этих областей, тем уже отражения на рентгенограмме. Ширина линии (004) характеризует длину ОКР в направлении нормали к отражающим плоскостям, т.е. в направлении [001] - направлении, вдоль которого вытянуты целлюлозные цепочки и оси микрофибрилл целлюлозы, регулярно расположенных в аморфной матрице. Расчет при аппроксимации контура линии по Гауссу дает значение длины ОКР микрофибриллы 100 А.

3.1. Кристаллическая составляющая целлюлозы

Для характеристики строения целлюлозы было введено понятие «степень кристалличности» и разработано несколько методов ее определения [43, 44]. Найденная из рентгенографических исследований степень кристалличности характеризует долю регулярно упакованных молекул, совокупность которых обусловливает появление на дифракционной картине брэгговских отражений, взятую по отношению к хаотически ориентированным молекулам, рассеивающим излучение диффузно [37].

Не вдаваясь в описание методов определения степени кристалличности, подробно описанных и проанализированных ранее [5-9, 39, 45-47], отметим, что нами был реализован метод Руланда [45], позволяющий автоматизировать расчеты за счет использования ЭВМ, в сочетании с методом выделения рассеяния аморфной составляющей, описанным в работе [46]. Контуры пиков аппроксимировались функцией Гаусса. Полученные таким способом значения степени кристалличности исследованных образцов приведены в таблице 5. Там же приведены размеры областей кристалличности, рассчитанные из ширины отражения (200) по формуле Шеррера. Указанные величины дают размер упорядоченного расположения молекул целлюлозы вдоль направления, перпендикулярного оси волокна, т.е. определяет величину поперечного сечения упорядоченной области микрофибриллы целлюлозы вдоль оси а.

Из таблицы 5 видно, что для коры и луба ели в опилках степень кристалличности низка (24-26%). Образцы коры и луба ели, приготовленные в виде пластин, имеют более высокую степень кристалличности (36-38%). В то же время размеры ОКР оказываются примерно одинаковыми (табл. 5). Согласно химическому составу природного луба (табл. 2), наблюдаемый эффект можно объяснить малым содержанием лигнина (9%).

Уширение рефлекса (200), величина которого обратно пропорциональна размеру областей кристалличности, может быть обусловлено как небольшими размерами упорядоченных областей микрофибрилл и микродеформациями решетки целлюлозы, так и высоким содержанием веществ, экстрагируемых органическими растворителями. После экстракции водой (обр. №7), в результате чего было извлечено 35% веществ, степень кристалличности луба несколько возросла, и его физические характеристики приблизились к характеристикам необработанной древесины ели (обр. №14).

Последовательная экстракция гексаном, эфиром и спиртом и экстракция отдельно горячей водой исходных образцов корки и луба в виде опилок приводит к аналогичным результатам (обр. №3, 8, 9), причем эффективность обработки образцов двумя различными способами примерно одинакова (обр. №8 и 9).

Что касается образца 3 (корка после экстракции органическими растворителями), степень кристалличности и другие параметры которого значительно ниже, чем у природного луба, то эти различия, очевидно, можно объяснить повышенным содержанием лигнина. К аналогичному эффекту может приводить высокое содержание других аморфных составляющих, например, гемицеллюлоз как в образце 9 (луб после экстракции органическими растворителями).

Таблица 5. Степень кристалличности и размеры ОКР образцов в направлении оси а

№ образца Тип образца Степень кристалличности, в % Размер ОКР, по (200), А

1 Хлопок 66-75 56

2 Кора ели исходная (опилки) 24 17

2а Кора ели с внешней стороны чешуи 19-22 14

2б Кора ели с внутренней стороны чешуи 36 23

3 Кора ели после экстракции органическими растворителями 30 22

5 Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из коры ели (сушка при комнатной температуре) 51 26

5а Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из коры ели (сушка при 105°С) 52 26

6 Луб ели исходный (опилки) 26 18

6а Луб ели исходный (пластина) 38 (35-41) 22

7 Луб ели после экстракции водой (пластина) 43 24

8 Луб ели после экстракции водой (опилки) 37 22

9 Луб ели после экстракции органическими растворителями (опилки) 35 24

10 Лубяной волок- мокрой окорки ели 56 30

11 нистый полуфаб- сухой окорки ели 52 33

12 рикат из отходов: сухой окорки ели, обработанной С102 52 30

13 Целлюлоза Кюршнера- Хоффера из луба ели (сушка при комнатной температуре) 60 30

13а Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из луба ели (сушка при 105 °С) 60 31

14 Древесина ели (пластина) 53 24

15 Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из древесины ели (сушка при комнатной температуре) 59 29

15а Целлюлоза Кюршнера-Хоффера из древесины ели (сушка при 105 °С) 59 29

16 кора быстрорастущей сосны, слой с внешней стороны 68 23

17 кора быстрорастущей сосны, слой со стороны луба 21 16

18 луб быстрорастущей сосны 28 32

19 ранняя древесина быстрорастущей сосны 33-35 23-32

20 поздняя древесина быстрорастущей сосны 37 23-32

21 радиальный срез сосны на отражение 70 32

22 поздняя древесина сосны 49 23

23 ранняя древесина ели 58-68 22

24 радиальный срез ели 59 22

25 опилки ели 35 22

26 лигнин 13 17

27 микроцеллюлоза 68 50

28 водорослевая клетчатка 11 -

Отдельно следует рассмотреть виды целлюлозы, выделенные по Кюршнеру-Хофферу из луба, корки и древесины ели (обр. №5, 5а, 13, 13а, 15, 15а), высушенные при 105° или комнатной температуре. Из таблицы 5 видно, что изменение режима сушки не приводит к изменению физических параметров образцов.

Отличаясь высоким содержанием целлюлозы, приближающимся к содержанию ее в эталонном образце

1, целлюлозы Кюршнера-Хоффера тем не менее по структурным характеристикам аналогичны образцам 10-12, в которых почти вдвое меньше целлюлозы. Отсюда следует, что степень кристалличности образца определяется не только количеством кристаллической фракции, но и ее «качеством», т. е. степенью иска-женности целлюлозной решетки и размерами областей когерентного рассеяния.

Как и следовало ожидать, для хлопковой целлюлозы и микроцеллюлозы размеры ОКР имеют наибольшее значение (50-56) А, а для целлюлозы коры, природного луба ели и лигнина наименьшее (14-8) А. Несколько выше средний размер упорядоченных областей у древесины ели и луба после водной экстракции и после экстракции органическими растворителями - приблизительно 24 А (табл. 5). Целлюлозы, выделенные из корки ели по Кюршнеру (обр. №5, 5а), также отличаются от целлюлоз луба и древесины (обр. №13,

13а, 15, 15а) меньшими размерами ОКР, но последние совпадают по размерам с областями рассеяния образцов 10-12, как и степень кристалличности.

Особо выделяя целлюлозные массы луба, можно отметить, что условия удаления различных компонентов неадекватно влияют на изменение физического состояния целлюлоз луба: при гидротермической обработке изменения максимальны по сравнению с изменениями, наблюдаемыми после экстракции водой и органическими растворителями при температурах ниже 100 °С.

Приведенные в таблице 5 структурные параметры показывают, что целлюлоза ранней древесины сосны с обычной скоростью роста более сформирована, чем целлюлоза быстрорастущей сосны. У поздней древесины сосны степень кристалличности несколько выше, чем у ранней, как для сосны с обычной скоростью роста, так и для быстрорастущей.

В [9] показано, что физические характеристики целлюлозы, полученной из древесины ели, противоположны таковым для древесины сосны и изменяются подобно изменению угла рассеяния текстуры. Целлюлоза поздней и ранней древесины быстрорастущей ели с одинаковыми параметрами более совершенна, чем целлюлоза ели обыкновенной. Для последней наблюдаются различия в степени кристалличности поздней и ранней древесины (для ранней на 15% выше).

На рентгенограммах хлопковой целлюлозы (рис. 3а), небеленой сульфатной целлюлозы (рис. 3е) и ранней древесины сосны (рис. 2ж), полученных в геометрии на просвет, в области угла рассеяния 29Ре«44° наблюдается четко выраженное отражение целлюлозы с индексами (004). Значения рассчитанных из ширины отражения (004) размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) равны для всех вышеуказанных объектов ~ 50А. На наиболее диффузной в области первых двух максимумов рентгенограмме радиального среза сосны, отснятого в геометрии на просвет (рис. 2а), максимум, соответствующий отражению (004), наиболее узкий и интенсивный. Оценка ОКР из ширины этого отражения для данного образца дает размер, равный 132А. Рассчитанный из ширины брэгговских отражений (004) размер ОКР определяет размер области упорядоченного расположения атомов в проекции на направление нормали к отражающим плоскостям. Следовательно, размер ОКР в данном случае дает нам длину упорядоченно расположенных вдоль оси Ъ целлюлозных цепочек. Для хлопковой целлюлозы, небеленой сульфатной целлюлозы и ранней древесины сосны эта длина равна ~5 целлобиозным фрагментам, а для радиального среза сосны —13 целлобиозным фрагментам. В направлениях осей X и У наименьшая дальность корреляция во взаимном расположении целлобиозных фрагментов имеет место в образцах радиального среза сосны, отснятых в геометрии на просвет. Об этом свидетельствует размытие отражений (020) и (200): 29Ре«27.6 и 28.8° соответственно.

Результаты расчета степени и размеров областей кристалличности (ОКР) из рентгенограмм полуфабрикатов приведены в таблице 6. Наименьшая степень кристалличности характеризует образцы древесной массы (АО «Кондопога»). Степень кристалличности остальных полуфабрикатов выше, чем таковая для хлопковой целлюлозы и целлюлозы по Кюршнеру (табл. 5).

Развитие метода полнопрофильного анализа (ППА) рентгенограмм поликристаллов и накопление данных о расположении атомов в элементарной ячейке целлюлозы позволило не только провести построение модельных рентгенограмм, но и максимально приблизить их профиль к экспериментальному путем последовательного уточнения коэффициента нормировки, коэффициентов полинома фона и параметров, описывающих ширину отражений. Подробно методика проведения процесса уточнения изложена в [14].

Таблица 6. Степень кристалличности и размер ОКР полуфабрикатов из древесины хвойных пород

№ Образец Степень кристалличности (%) Размер ОКР, А

1 Древесная масса (АО «Кондопога») 55-б0 30

2 Небеленая бисульфитная целлюлоза из древесины ели (АО «Кондопога») 70-81 30

3 Небеленая сульфатная целлюлоза из древесины сосны (АО «Сегежабумпром») 78 30

4 Беленая сульфатная целлюлоза (импортная) 75-81 37

5 Беленая сульфатная целлюлоза FLASH Orion ECF (импортная) 75-81 30

Методом полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов было проведено уточнение профильных характеристик, включающих в себя периоды и углы элементарной ячейки для вышеперечисленных образцов. Координаты атомов задавались из литературных данных [3, 48] для следующих моделей: целлюлозы а1, целлюлозы pi с параллельной up и down ориентацией цепочек и с антипараллельным расположением цепочек. Некоторые результаты расчета, характеризующие степень совпадения рассчитанных и экспериментальных профилей рентгенограмм, представлены на рисунке 5.

Модели, для которых наблюдается наилучшее согласие между расчетом и экспериментом, уточненные значения периодов элементарной ячейки, а также факторы недостоверности - профильный RP и брэгговский Rf - приведены в таблице 7.

Рис. 5. Сравнение рентгенограмм: — кривые, рассчитанные методом полнопрофильного анализа по

координатам атомов различных моделей целлюлозы;_____экспериментальные кривые для: а) хлопковой

целлюлозы; б) микроцеллюлозы; в) небеленой сульфатной целлюлозы; г) и д) тангентальных срезов ранней и поздней древесины сосны соответственно; е) радиального среза сосны в геометрии на отражение

Таблица 7. Периоды и углы элементарной ячейки целлюлоз в сравнении с соответствующими данными для моделей целлюлозы I

Образец Модель а, А b, А с, А Y,° % % сС R % % R

Хлопковая целлюлоза Р1, антипараллельная 8,060 8,330 10,34 97,0 17 5,3

Микроцеллюлоза Р1, параллельная up 7,967 8,123 10,41 97,1 10 5,1

Небеленая сульфатная целлюлоза сосны al, триклинная* 6,720 5,970 10,37 81,8 10 2,4

Беленая сульфатная целлюлоза, (Финляндия) al, триклинная* 6,740 5,970 10,35 81,3 9 3,0

Беленая сульфатная целлюлоза, Flash ORION al, триклинная* 6,740 5,940 10,36 81,3 10 2,5

Небеленая бисульфитная целлюлоза ели Р1, параллел. down Р1, паралл. up 8,020 8,030 8,170 8,160 10,35 10,33 96.3 96.3 10 3,0

Ранняя древесина сосны Р1, параллельная down 7,910 8,170 10,34 97,0 11 2,8

Поздняя древесина сосны Р1, антипараллельная 8,090 8,170 10,34 96,4 12 7,9

Радиальный срез сосны на отражение al, триклинная* 6,740 5,930 10,360 81,3 18 12

*Для триклинной целлюлозы al углы: a = 117 °, р = 113 °; Аа = Ab = 0,001 А, Ac= 0,01 А

Из анализа таблицы 7 можно сделать вывод, что хлопковая и микроцеллюлоза, а также целлюлозные составляющие ранней и поздней древесины сосны характеризуются моноклинной элементарной ячейкой, на которую приходится две цепочки. Для небеленой и беленой сульфатной целлюлоз характерна низкосимметричная триклинная а1 элементарная ячейка (на одну ячейку приходится одна молекула).

3.2. Гидролизный лигнин

Лигнин представляет собой смесь полимеров родственного происхождения, в основе которых лежат ароматические вещества. Макромолекула лигнина содержит от 16 до 20 мономерных единиц. Схема макромолекулы лигнина по Фрейденбергу приведена в [49].

Фрейденберг предложил относить к группе лигнинов вещества, удовлетворяющие составу в пределах С9И8-оснз02(И20)<1(ОСИз)<1>5. Основанием для такого предложения послужили результаты исследования процесса биосинтеза лигнина. Было показано, что состав лигнина зависит от типа древесины и от способа получения. Для елового лигнина Бьеркманом [50] получена формула С9И8,8302,37(0СИ3)0,96. Схема строения хвойного лигнина приведена в [51].

Результаты исследования структурного состояния и пористости гидролизного лигнина после различных обработок были приведены в [22, 27]. Тип обработки гидролизного лигнина и толщины образцов представлены в таблице 4. Образцы лигнина были приготовлены прессовкой при давлении 200 технических атмосфер, которое сохранялось постоянным в течение 5 мин.

Исходный гидролизный лигнин (лигнин 1, табл. 4) был получен путем перколяции 0,5-1% раствора серной кислоты через слой древесины при температуре 180-185 °С. Известно [51], что выделенный таким способом гидролизный лигнин содержит от 13 до 30% полисахаридов, от 8 до 15% смол и жиров, 1,5-3% серной кислоты и 1-5% золы.

Показано [22, 27], что в исходном гидролизном лигнине есть непрогидролизовавшаяся целлюлоза: на рентгенограмме (рис. 6а) присутствуют размытые отражения (110), (102), (200). Отражения, отмеченные (*) на рентгенограмме лигнина 1, не принадлежат целлюлозе.

После промывки до нейтральной среды (лигнин 2) количество целлюлозной компоненты в лигнине заметно уменьшается (рис. 6б). Исчезают и отражения, не принадлежащие целлюлозе.

При экстракции гидролизного лигнина бензиловым спиртом количество экстрагируемых веществ составило 21,7%, при этом не извлекался низкомолекулярный лигнин. В лигнине, экстрагированном бензи-ловым спиртом (лигнин 3, рис. 6в), имеется большое количество непрогидролизовавшейся целлюлозы с высокой степенью упорядочения в направлении [ 1 10].

Последующий гидролиз на углеводный состав (лигнин 4) вымывает кристаллическую составляющую целлюлозы: картина рассеяния соответствует аморфному материалу (рис. 6в).

Рис. 6. Кривые распределения интенсивности рассеяния: а) исходным гидролизным лигнином (1, табл. 4), -— беленой сульфатной целлюлозой; б) — лигнином 1, — лигнином 2 (табл. 4); в) — лигнинами 3 и —

4; г) лигнинами —1 и — 5; д) лигнинами —1 и — 6; е) лигнинами — 7 и — 6. На рисунках а, в, г приведена рентгенограмма целлюлозы р1, рассчитанная по координатам, приведенным в [3]

При экстракции диэтиловым эфиром извлекались только смольные компоненты, и количество экстрагируемых веществ составляло 8,3%. Экстракция диэтиловым эфиром (лигнин 5) незначительно уменьшает количество целлюлозной составляющей по сравнению с исходным гидролизным лигнином (рис. 6г).

Обработка исходного гидролизного лигнина водным раствором щелочи (концентрация 55 г на литр) проводилась при температуре 85-90 °С в течение 1 ч (лигнин 6). Количество экстрагируемых веществ составило 26,5%: были извлечены зольные и смольные компоненты, трудногидролизуемые полисахариды, редуцирующие элементы и часть низкомолекулярного лигнина. Картина рассеяния гидролизным лигнином, прошедшим щелочную обработку (лигнин 6), близка к таковой для аморфного материала с незначительными включениями кристаллической целлюлозы (рис. 6д).

Последующая нейтрализация соляной кислотой до значений pH~5 и промывка горячей водой (образец 7) способствуют увеличению степени совершенства целлюлозной кристаллической составляющей (рис. 6е).

Таким образом, полностью аморфный гидролизный лигнин, т.е. без остатков целлюлозы, получается только после экстракции бензиловым спиртом с последующим гидролизом на углеводный состав (лигнин 4).

3.3. Результаты анализа аморфной составляющей

Полностью диффузные дифракционные картины (рис. 7), свидетельствующие об аморфности изучаемых объектов, наблюдались для скорлупы кедрового ореха (опилки) и катионообменных смол, полученных из лигносульфонатов бисульфитной варки. На рентгенограммах образцов гидролизного лигнина 4 и диоксанлигнина на фоне диффузных максимумов присутствовало небольшое число очень слабых отражений от кристаллов.

Дифракционная картина для диоксанлигнина качественно подобна дифракционным картинам, полученным для водорослевой клетчатки (рис. 8а) и радиального среза древесины сосны, отснятого в геометрии на просвет (рис. 8б). Несколько иной характер рассеяния наблюдается для древесной массы, опилок ели, небеленой сульфатной целлюлозы (рис. 8в, 8г): для них более четко выражено отражение (200), являющееся наиболее интенсивным на рентгенограммах наиболее упорядоченных целлюлоз (рис. 3).

Различия в интенсивностях представленных на рисунках 7, 8 картин рассеяния выходят за пределы ошибок эксперимента и могут свидетельствовать как о различии в составе образцов, так и о различии в характере расположения атомов. Последний факт подтверждается результатами расчета кривых распределения парных функций D(r), характеризующих распределение электронной плотности в образцах (рис. 9, 10): положения максимумов на кривых D(r) отвечают межатомным расстояниям, на которых расположены центры атомов, минимумы соответствуют расстояниям, на которых центров атомов нет или число их минимально.

Рис. 7. Картины рассеяния для: а) — гидролизного лигнина 4,...скорлупы кедрового ореха;

б) — гидролизного лигнина 4,....№ - катионита; в) катионитов — редкой сшивки,......частой сшивки;

г) — № - катионита, декатионизированного образца

I,' эл. ед. 1„ ЭЛ. ед.

1 ' 2 ' Л ' 4 ' 5 ' 6 зД-1?’ ■ 1 ' 2 ' 3 ' 3 ' * в. А'1

Рис. 8. Картины рассеяния для: а) — водорослевой клетчатки, радиального среза древесины сосны;

б) — водорослевой клетчатки, диоксанлигнина; в) — древесной массы, опилок ели;

Рис. 9. Кривые распределения парных функций для: а) — гидролизного лигнина 4, скорлупы кедрового

ореха; б) — гидролизного лигнина 4,......№ - катионита; в) катионитов — редкой сшивки, частой

сшивки; г) — № - катионита, декатионизированного образца

Рис. 10. Кривые распределения парных функций для: а) — водорослевой клетчатки,....радиального среза

древесины сосны; б) — водорослевой клетчатки,.....диоксанлигнина; в) — древесной массы,.....опилок

ели; г) — небеленой сульфатной целлюлозы, ранней древесины сосны на просвет

При расчете Б(г) уточняются, вернее, определяются значения средней электронной плотности ре исследуемого материала. Возможность такого уточнения связана с тем, что кривая Б(г) должна осциллировать относительно прямой линии 2я2гре22_і, где - атомный номер элемента, входящего в формульную единицу исследуемого соединения (суммирование ведется по единице состава), а осцилляции, наблюдающиеся до первого максимума, должны быть симметричны относительно оси г. Неправильно заданное значение ре приводит к нарушению этого закона, поэтому в процессе расчета величина ре подбирается.

В таблице 8 приведены значения средней электронной плотности ре и данные о составе лигнинов и катионообменных смол, полученные при расчете кривых Б(г). Наименьшую среднюю электронную плотность имеют катионообменные смолы частой и редкой сшивки. Несколько выше значение средней электронной плотности для гидролизного лигнина.

Таблица. 8. Состав исследуемых образцов (число атомов в формульной единице) и средняя электронная плотность исследованных материалов ре (число электронов на А3)

Образец Ре (эл/А3) С о Н Б Ыа

Гидролизный лигнин 4 0,31 6,0 2,008 6,46 - -

Диоксанлигнин 0,5 6,0 1,99 7,01 - -

Ыа-катионит 0,57 6,0 2,82 3,88 0,47 0,47

Декатионизированный образец 0,57 6,0 4,65 4,65 0,47 -

Катионообменные частая сшивка 0,23 6,0 2,82 4,35 0,588 -

смолы редкая сшивка 0,22 6,0 3,3 4,66 0,6 -

Целлюлозы и древесины 0,63 6,0 5,0 10,0 - -

Водорослевая клетчатка 0,50 6,0 5,0 10,0 - -

Чтобы исключить влияние нормировки кривых распределения интенсивности рассеяния на различные формульные единицы и различия в значениях средних электронных плотностей образцов, для лигнинов и №-катионита были построены кривые радиального распределения атомов W(r)=D(r)/( 2л2гре22^, характеризующие вероятность нахождения атомов на данных расстояниях друг от друга (рис. 11).

Осцилляции на всех трех кривых W(r) затухают при значении г~6А, т.е. дальность корреляции в расположении атомов в указанных объектах одна и та же и не превышает размера фенилпропановой единицы в направлении цепочки углеродных атомов. Низкая электронная плотность для образцов гидролизного лигнина по сравнению с диоксанлигнином, вероятно, связана с менее плотной упаковкой мономерных единиц.

Фрагменты возможных связей между мономерными структурными единицами лигнина показаны на рисунке 12. Существенное различие в значениях средней электронной плотности (табл. 8) свидетельствует о наличии в гидролизном лигнине наноразмерных полостей между мономерными структурными единицами. В диоксанлигнине молекула лигнина, по-видимому, менее пространственно разветвлена, т. е. мономерные единицы упакованы более плотно (возможно, в виде клубков, как предполагалось в [51]).

Расхождение в D(r) катионитов частой и редкой сшивки (рис. 9в) может быть объяснено различием в связях между полимерными фрагментами, т.е. в строении вновь образующихся пространственных макромолекул. У образца, полученного в результате декатионизации, резко уменьшается площадь под первым максимумом (рис. 9г), что свидельствует об изменении координации атомов вследствие удаления катионов №.

При исследованиях целлюлоз и древесины значения средней электронной плотности при нормировке на состав С6О5Н10 составляли 0,63 эл./А3. Для водорослевой клетчатки величина средней электронной плотности при нормировке на тот же состав получилась равной 0.5 эл./А3 (табл. 8). Последнее значение практически в точности соответствует величинам, рассчитанным для моделей целлюлоз.

Рис. 11. Функции радиального распределения атомов для — гидролизного лигнина, экстрагированного бензиловым спиртом с последующим гидролизом на

углеводный состав,....диоксанлигнина и

+ + + №-катионита

пн

Рис. 12. Схемы строения отдельных структурных единиц в макромолекуле лигнина: 1, 3 -диарилпропандиолы, 2 - пинорезинол

Несмотря на отсутствие различия в величинах средней электронной плотности, кривые распределения парных функций Б(г), рассчитанные для целлюлоз и древесины, различаются довольно заметно как по ширине, так и по положению максимумов (рис. 10), что свидетельствует о различии в расположении атомов в области ближнего порядка.

Для ряда исследованных объектов из экспериментальных кривых парного взаимодействия атомов Б(г) был произведен расчет характеристик ближнего порядка методом Уоррена-Финбака.

Характеристики ближнего порядка для лигнинов и радиального среза древесины сосны, кривые распределения интенсивности которого были отсняты в геометрии на просвет и нормированы на формульную единицу для гидролизного лигнина, сравнивались с аналогичными данными, рассчитанными для теоретических моделей соединения фенилпропановых единиц, входящих в состав молекулы лигнина и показанных на рисунке 12. В данном случае рентгенограмма радиального среза была отнормирована на формульную единицу лигнина. Теоретические расчеты межатомных расстояний и координационных чисел для моделей, показанных на рисунке 12, были проведены в предположении, что среднее значение длины связи С-О составляет 1,35 А, а среднее значение длины связи С-С - 1,54 А. В первом приближении мономерные единицы считались плоскими. Результаты расчета представлены в таблице 9.

Следует отметить, что здесь и ниже дробные значения координационных чисел обусловлены тем, что не все атомы данного сорта, помещенные в центр координационной сферы, имеют одинаковое ближайшее окружение. Так, например, атом углерода, связанный с группой ОН (рис. 12, 2), имеет в своем ближайшем окружении 1 атом кислорода и 2 атома углерода, а атом углерода, связанный с группой СНОН окружен 3 атомами углерода, кислорода в числе его ближайших соседей нет. В результате среднее число атомов углерода на первой координационной сфере около углерода (только с учетом рассматриваемых двух атомов) будет 2,5, атомов кислорода - 0,5. Усреднение проводится по всем атомам рассматриваемой модели.

Из сравнения координационных чисел и радиусов координационных сфер гидролизного лигнина ели и теоретических моделей различным образом связанных друг с другом мономерных единиц лигнина 1-3 (рис. 12, табл. 9) видно, что в данном образце лигнина в основном присутствуют димерные структуры типа диарилпропандиола, представленные на рисунке 12, 1. Более низкое значение радиуса координационной сферы С-Оь полученное из экспериментальных кривых Б(г), объясняется тем, что при теоретическом расчете не учитывались вклады пар атомов С-Н и О-Н.

Для образца диоксанлигнина трудно отдать предпочтение какому-либо типу связей мономерных единиц, поскольку наблюдается лишь частичное совпадение характеристик ближнего порядка с таковыми для теоретических моделей: уже координационные числа С-С2 и С-О2 существенно завышены. Причиной последнего также является более плотная упаковка (возможно, в виде клубков, как указывалось выше, мономерных единиц).

Значения координационных чисел, рассчитанные для радиального среза древесины сосны в предположении, что состав ее отвечает лигнину, не совпадают с данными для моделей строения мономерных единиц лигнина: совпадает с расчетами только координационной число С-С1 (табл. 9). Поэтому в дальнейшем кривые распределения интенсивности для радиального среза были отнормированы на состав целлюлозы: С6Н10О5. Аналогичная нормировка кривых распределения интенсивности была выполнена для ранней древесины сосны, водорослевой клетчатки и небеленой сульфатной целлюлозы.

Таблица 9. Результаты расчета характеристик ближнего порядка из кривых Б(г) для гидролизного лигнина, диоксанлигнина и радиального среза древесины сосны в сопоставлении с соответствующими данными, рассчитанными для моделей связей между мономерными единицами лигнина 1, 2, 3 (рис. 12)

Эксперимент

Тип д ро о л и н лигнин Диоксанлигнин Радиальный срез древесины сосны 1 2 3

Гу, А Ыу, ат оу, А Гу, а Ыу, ат. °у, А Гу, а Ыу, ат. °у, А гу, А Ыу, ат. гу, А Ыу, ат. гу, А Ыу, ат.

С-О! 1,26 0,52 0,17 1,25 0,502 0,0 1,20 1,40 0,26 1,35 0,35 1,35 0,35 1,35 0,50

С-С! 1,49 1,63 0,37 1,55 1,778 0,19 1,53 1,81 0,27 1,54 1,88 1,54 1,76 1,54 2,07

С-С2 2,29 0,58 0,10 2,10 2,471 0,0 2,16 4,82 0,0 2,25 0,48 2,0 0,12 2,34 0,25

С-О2 2,48 0,58 0,09 2,52 1,389 0,12 2,40 2,62 0,23 2,5 0,47 2,50 0,47 2,5 0,6

С-С3 2,66 3,18 0,30 2,65 2,600 0,34 2,78 1,87 0,1 2,67 2,3 2,67 1,89 2,67 1,9

С-С4 2,97 3,33 0,54 2,96 4,510 0,08 2,93 13,98 0,1 2,98 2,78 2,80 2,14 2,8 1,46

Теоретические модели

Аг1)=±0,05 А, А№)=±0,1 ат,, Аау=±0,05А

Теоретические расчеты координационных чисел и радиусов координационных сфер проводились для моделей целлюлоз а1 и pi с параллельной up и down и антипараллельной упаковками цепочек. Результаты расчетов приведены в таблицах 10-12 в сравнении с данными, рассчитанными из экспериментальных кривых распределения D(r) для радиального среза и ранней древесины сосны, водорослевой клетчатки и небеленой сульфатной целлюлозы. Жирным шрифтом выделены эффективные значения, рассчитанные по данным, приведенным выше них.

Рисунок 13 на примере целлюлозы pi с up ориентацией цепочек иллюстрирует длины связей, указанные в таблице 10.

Таблица 10. Результаты расчета радиусов координационных сфер для моделей целлюлоз а1 и Р1

в сравнении с аналогичными данными, полученными из экспериментальных кривых D(r) для радиального среза древесины сосны (Рад. С.), ранней древесины сосны (РДС), водорослевой клетчатки (вод.), небеленой сульфатной целлюлозы (НСЦ) Дг^=0,01 А

Пары a1 Р1,ант. P1, up P1, down Рад. С РДС вод. НСЦ

гуА гуА rij,A rij, A rij, А rij, А rij, А rij, А

C-Oj 1,43 1,42 1,39 1,39 1,20 1,25 1,39 1,39

C-Cj 1,53 1,52 1,50 1,50 1,54 1,53 1,46 1,52

O-Oj 2,27 2,26 2,26 2,26 2,18 2,15

C-O2 2,39 2,39 2,40 2,40

C-C2 2,38 2,38 2,36 2,36

C-O2 2,39 2,39 2,39 2,39 2,38 2,36 2,45 2,38

C-C 2,51 2,47 2,50 2,50

C-O 2,51 2,51

C-C 2,56

C-C2 2,51 2,50 2,50 2,50 2,54 2,48 2,61 2,48

C-O 2,65 2,65

C-C 2,74 2,74

O-O 2,76 2,73 2,78

C-C 2,87 2,87 2,88 2,88

C-O 2,84 2,90 2,90

O-O 2,89 2,86 2,87 2,90

O-O 2,94 2,96

C-O 3,02 3,00 3,13 3,14

O-O 3,08

О-О2 2,93 2,90 2,98 3,00 2,90 2,92 2,86

Рис. 13. Целлюлозная цепочка Р1 ир: а, б, в - проекция на Х2, г - вид при указанной на рисунке ориентации осей. Межатомные расстояния: — - кратчайшие С-Оь С—Сх; а) О-О: -.-.-2,26 А;--------------

2,76-2,78 А;______2,89-3,08 А; б) С-С: « « 2,39 А •-•-• 2,51 А- - -2,87 А 2,74 А; в) С-О: - - -

2.37:2.43 А 2,51 А , ^=12,9 А , 3,14 А

Из таблицы 10 следует, что средние значения кратчайшего расстояния С-Оь рассчитанные из эксперимента для радиального среза и ранней древесины сосны, занижены относительно значений, полученных для моделей. Кратчайшие расстояния С-О1 - это расстояния С-О в кольцах, связи атомов углерода кольца с внешними кислородами цепочки и связи углеродов целлобиозных остатков с соединяющим их кислородом (рис. 13). Разброс этих расстояний относительно среднего значения (размытие стС-О1) значительно превышает аналогичные данные для моделей (табл. 11). Среднее значение координационного числа ЫС-О1 (число атомов кислорода, находящихся на кратчайшем расстоянии от атома углерода), рассчитанное из эксперимента для радиального среза, выше соответствующих значений для моделей. Для ранней древесины сосны оно близко к данным для целлюлоз с параллельным расположением цепочек (табл. 12).

Экспериментальные значения расстояния С-О1 для водорослевой клетчатки и небеленой сульфатной целлюлозы соответствуют результатам расчета для моделей (табл. 10), однако экспериментально полученное значение координационного числа для водорослевой клетчатки резко занижено по сравнению с таковым для моделей (табл. 12). Координационное число ЫС-О1 для небеленой сульфатной целлюлозы совпадает ЫС-О1 для радиального среза (табл. 12).

Значения кратчайших межатомных расстояний С-С1 для образцов древесины и целлюлозы практически совпадают с таковыми для моделей. Для водорослевой клетчатки длина связи С-С1 на 0,1 А меньше. Координационное число ЫС-С1 для водорослевой клетчатки (табл. 12) завышено по сравнению с целлюлозами. В совокупности с уменьшением ЫС-О1 это увеличение можно объяснить тем, что в водорослевой клетчатке длины некоторых связей С-О1 увеличиваются, приближаясь по своим значениям к длинам связей С-С1. Занижение величины ЫС-С1 для ранней древесины сосны на данном этапе исследований объяснить затруднительно.

Кратчайшие кислород-кислородные (О-О) расстояния показаны на рисунке 13а пунктиром. Поскольку число пар О-О мало по сравнению с общим числом атомов кислорода в цепочке, то среднее значение координационного числа оказывается меньше единицы. В пределах погрешности это значение согласуется с соответствующим значением, рассчитанным для водорослевой клетчатки. Для радиального среза древесины величина ЫО-О1 завышена на порядок. Это завышение можно объяснить присутствием в древесине металлически примесей: сумма радиусов металла и кислорода близка к значению расстояния О-О1. По этой же причине значение электронной плотности для небеленой сульфатной целлюлозы и древесины выше (0,63 А) теоретически рассчитанного для моделей целлюлоз (0,50-0,52 А).

Таблица 11. Результаты расчета дисперсий радиусов координационных сфер для моделей целлюлоз а1 и Р1 в сравнении с аналогичными данными, полученными из экспериментальных кривых Б(г) для радиального среза древесины сосны (Рад. С.), ранней древесины сосны (РДС), водорослевой клетчатки (вод.), небеленой сульфатной целлюлозы (НСЦ) Асту=0,05 А.

Па ы а1 Р1, ант. Р1, иР Р1, с1ом>п Рад. С РДС вод. НСЦ

ары СТуД СТуД СтуД СТуД оу, А су, А СТц, А сту, А

С-О! 0,01 0,004 0,04 0,04 0,23 0,26 0,0 0,33

С-С! 0,01 0,02 0,02 0,02 0,32 0,18 0,05 0,05

О-О1 0,04 0,000 0,00 0,00 0,26 0,05

С-О2 0,01, 0,01 0,025 0,01

С-С2 0,01 0,02 0,01 0,01

С-О2 0,01 0,02 0,02 0,01 0,19 0,11 0,05 0,1

С-С 0,02 0,07 0,01 0,01

С-О 0,00 0,00

С-С 0,00

С-С2 0,02 0,07 0,01 0,01 0,30 0,0 0,06 0,15

С-О 0,00 0,00

С-С 0,00 0,00

О-О 0,02 0,00 0,03

С-С 0,006 0,00 0,00 0,00

С-О 0,03 0,02 0,02

О-О 0,02 0,03 0,03 0,02

О-О 0,02 0,00

С-О 0,04 0,01 0,01 0,01

О-О 0,00

О-О2 0,14 0,1 0,15 0,12 0,14 0,37 0,0

Таблица 12. Результаты расчета координационных чисел для моделей целлюлоз а1 и Р1 в сравнении

с аналогичными данными, полученными из экспериментальных кривых Б(г) для радиального среза древесины сосны (Рад. С.), ранней древесины сосны (РДС), водорослевой клетчатки (вод.), небеленой сульфатной целлюлозы (НСЦ)

Пары a1 P1, ант p1, up P1, down Рад. С. РДС вод. НСЦ

Njj, ат Njj, ат ^,ат ^,ат Njj, ат. ANjj, ат. Njj, ат. ANjj, ат Njj, ат ANjj, ат Njj, ат ANjj, ат

C-Oj 1,17 1,4 1,17 1,17 1,49 ±0,05 1,03 ±0,01 0,40 ±0,10 1,48 ±0,10

C-Cj 1,7 1,67 1,67 1,67 1,71 ±0,05 1,11 ±0,03 1,90 ±0,20 1,62 ±0,20

O-Oj 0,4 0,4 0,4 0,4 4,60 ±0,01 0,63 ±0,04

9 °Г о о 1,83 0,67 1,83 0,33 1,67 0,67 1,50 0,67

C-O2 2,35 2,08 2,19 2,02 1,50 ±0,20 1,88 ±0,20 1,80 ±0,10 1,40 ±0,10

C-C C-O C-C 1,33 1,33 0,33 1,33 0,17 1,33 0,17

C-C2 1,33 1,66 1,55 1,55 0,60 ±0,10 1,29 ±0,03 2,98 ±0,05 1,20 ±0,10

C-O C-C O-O 1,4 0,4 0,17 0,33 0,17 0,33 0,80

C-C C-O O-O O-O C-O O-O 0,67 1,77 0,40 0,83 0,20 0,67 0,17 1,60 0,40 0,67 0,33 0,42 3,00 0,50 0,33 0,42 2,20 0,50

О-О2 3,43 3,01 3,78 2,98 8,90 ±0,30 3,72 ±0,15 3,20 ±0,20

Длины связей С—С2 и С—О2 практически одинаковы (табл. 10), поэтому координационное число, рассчитанное из эксперимента, является суммарным. Для кристаллов оно рассчитывалось исходя из равенства площадей под соответствующими парными функциями [34]. Расстояния С-С, соответствующие этим парам в кристаллах, показаны на рисунке 13б, а С-О - пунктиром на рисунке 13в. Координационные числа NC-C2 для ранней древесины и небеленой сульфатной целлюлозы совпадают в пределах погрешности с данными для целлюлозы а1. Для водорослевой клетчатки рассчитанное из эксперимента расстояние гС-С2 и координационное число NC-C2 завышены по сравнению с рассматриваемыми моделями целлюлозы. Расчеты показали, что в водорослевой клетчатке длины связей С-С и С-О, равные 2,5 А, и длины связей С-С, С-О и О-О, лежащие для целлюлоз в интервале от 2,65 до 2,78 А (табл. 10) сближаются по величине, так что в расчете из эксперимента возникает только одно значение радиуса: 2,61 А. Это можно объяснить несколько иной пространственной конформацией целлюлозной цепочки (рис. 13 г) в водорослевой клетчатке по сравнению с рассматриваемыми моделями строения целлюлозы.

Последняя принятая в расчет координационная сфера является наиболее сложной по числу и сорту вносящих в нее вклад пар атомов (табл. 10-12). Тем не менее экспериментальные и рассчитанные для моделей значения ее радиусов совпадают. Суммарное координационное число для ранней древесины сосны ближе к таковому для целлюлозы р1 с параллельной ир-ориентацией молекул (табл. 12), а для небеленой сульфатной целлюлозы совпадает со средним значением для моделей ai и р 1 с антипараллельной и параллельной down ориентациями молекул.

Резкое завышение координационного числа на этой сфере для радиального среза древесины также может быть объяснено наличием в древесине атомов металлов.

В ранней древесине сосны влияние наличия в ней атомов металлов на кривые распределения парных функций D(r) не проявляется. Поскольку при рассеянии рентгеновских лучей образцами радиального среза в облучаемый объем попадают кольца ранней и поздней древесины и области границы между ними, то ве-роятнне всего, атомы металла размещаются на границе между кольцами ранней и поздней древесины.

Предположение о присутствии атомов металла, характеризующихся значительно большей по сравнению с атомами углерода и кислорода рассеивающей способностью, требует специальной проверки, и по-

этому значения координационных чисел для радиального среза древесины сосны будут уточнены с учетом типа и количества металла.

Таким образом, исследования аморфных компонентов целлюлозы и древесины показали, что все они различаются по характеру ближнего упорядочения. Так, установлено, что в образце гидролизного лигнина в основном присутствуют димерные структуры типа диарилпропандиола. Исследования диоксанлигнина показали, что на данном этапе исследований трудно отдать предпочтение какому-либо типу связей мономерных единиц, но из анализа результатов следует, что они упакованы более плотно, чем в гидролизном лигнине. Причинами различия в количественных характеристиках ближнего порядка для целлюлоз различного происхождения и древесины можно считать, с одной стороны, гибкость целлюлозных цепочек, что приводит к вариации углов связи между звеньями и, как следствие, к изменению межатомных расстояний, с другой - разрыв связей между звеньями, неизбежно сопровождающий аморфизацию. И, наконец, сложный состав древесины (табл. 1) и возможность наличия в ней примесей металлов также приведут к изменению количественных характеристик ближнего упорядочения.

Полученные количественные характеристики ближнего порядка для всех исследованных объектов послужат основой для определения типа областей ближнего упорядочения и построения пространственных моделей атомной структуры в них. Одной из первых попыток решения этого вопроса было рассмотрение возможности интерпретации картин рассеяния на основе модели хаотически разориентированных малых искаженных и неискаженных кластеров.

3.4. Применение модели хаотически разориентированных кристаллитов и кластеров к анализу структуры объектов, содержащих целлюлозу

Пространственные модели взаимного расположения атомов в области ближнего упорядочения были сформированы путем построения неискаженных и искаженных кластеров целлюлозы.

В рамках модели хаотически разориентированных друг по отношению к другу и по отношению к первичному пучку областей когерентного рассеяния, полученных путем трансляций элементарной ячейки, был произведен расчет кривых распределения интенсивности рассеяния для целлюлоз с кристаллической структурой, соответствующей модификациям а1, р1-целлюлозам с параллельной up, down и антипарал-лельной ориентациями цепочек, целлюлозы II и целлобиозы (С12011И19). Анализировались картины рассеяния, создаваемые кластерами различных размеров.

Кривые распределения интенсивности рассеяния, рассчитанные для моделей, сравнивались с экспериментальными кривыми интенсивности рассеяния, полученными для радиального среза древесины сосны и водорослевой клетчатки.

На рисунке 14 представлены наиболее близкие эксперименту для радиального среза древесины сосны на просвет результаты расчета кривых распределения интенсивности рассеяния для модели р-целлюлозы с параллельным up расположением цепочек. Размер модели в трансляциях элементарной ячейки по осям координат 5a, 1b, 1с.

Рис. 14. Кривые распределения интенсивности рассеяния для радиального среза сосны на просвет — и модельного кластера р-целлюлозы с параллельной

ориентацией цепочек размером 5а, Ь, с-----

Наличие достаточно узкого максимума в области отражений (113) и (004) (8-2.35 А) свидетельствует о том, что степень упорядочения модельного кластера выше, чем у реального объекта. Поэтому для нарушения пространственной когерентности в расположении атомов, характерной для кластера, сформированного путем трансляций элементарной ячейки, с целью уменьшения интенсивности интерференционных максимумов, возникающих при дифракции на кристаллической решетке, модельные кластеры строились из групп элементарных ячеек, случайно развернутых друг относительно друга вокруг оси, перпендикулярной цепочкам молекул целлюлозы (раздел 2). Теоретические расчеты картин рассеяния были проведены для нескольких десятков вариантов модельных кластеров.

На рисунке 15 представлены наиболее близкие к эксперименту (сплошная кривая) результаты расчета для 2-х моделей, представляющих собой механические смеси двух типов областей когерентного рассеяния:

1. Точками (...) показана кривая рассеяния объектом, 40% объема которого занято кластерами разме-

ром 5а, 2Ь, 2с со структурой триклинной модификации а1, а 60% объема заполнено кластерами, состоящими из пяти элементарных ячеек целлюлозы р1 с параллельной ир ориентацией цепочек (5а, 1Ь, 1с), развернутых на случайные углы с гауссовым распределением и дисперсией 20°;

2. Пунктирная кривая - распределение интенсивности объектом, 33% объема которого занято кластерами размером 1а,10Ь,1с со структурой а1 целлюлозы, а 67% объема заполнено кластерами, состоящими из пяти элементарных ячеек целлюлозы р1 с параллельной ир ориентацией цепочек (5а, 1Ь, 1с), развернутых на случайные углы с гауссовым распределением и дисперсией 20°.

Видно, что согласие модельных кривых с экспериментальным распределением интенсивности рассеяния улучшается, но различие достаточно велико и выходит за пределы ошибки эксперимента.

При сравнении результатов расчета картины рассеяния в рамках модели хаотически разориентирован-ных неискаженных кластеров (т.е. кластеров, сформированных трансляцией элементарной ячейки) с данными дифракционного эксперимента для водорослевой клетчатки наилучший результат был получен для кластеров, построенных на основе Р-целлюлозы с параллельной ир и антипараллельной ориентациями цепочек в элементарной ячейке. В рамках модели механической смеси областей когерентного рассеяния разного типа, картины рассеяния модельными кластерами складывались в разных процентных соотношениях, и суммарная кривая рассеяния сопоставлялась с экспериментально измеренной для водорослевой клетчатки. На рисунке 16 показаны модельные кластеры, полученные трансляцией элементарной ячейки Р-целлюлозы с параллельной ир ориентацией цепочек с числом ячеек 5, 1, 2, и 2, 5, 1 (по осям а, Ь, с соответственно). На рисунке 17 представлена теоретически рассчитанная картина рассеяния в предположении, что 90% объема занято кластерами с размерами 5ах 1Ьх2с, а 10% - кластерами с размерами 2ах5Ьх 1с.

Рис. 15. Кривые распределения интенсивности

рассеяния: для радиального среза сосны на

просвет;.... рассчитанные для модельного

объекта, 40% объема которого занято кластерами размером 5ах2Ьх2с со структурой модификации а1, а 60% объема заполнено кластерами, состоящими из пяти элементарных ячеек целлюлозы р 1 с параллельной ир ориентацией цепочек, развернутых на случайные углы с гауссовым

распределением и дисперсией 20°;------

рассчитанные для модели, 33% объема которой занято кластерами размером ах 10Ьхс со структурой а1 целлюлозы, а 67% объема заполнено кластерами, состоящими из пяти элементарных ячеек целлюлозы р1 с параллельной ир ориентацией цепочек, развернутых на случайные углы с гауссовым распределением и дисперсией 20°

Рис. 16. Модельные кластеры р-целлюлозы с параллельной ир ориентацией цепочек: а - размером 5ах 1Ьх2с ; б - размером 2ах5Ьх 1с, проекция цепочек на плоскость ХУ; в - размером 2ах5Ьх 1с, изображение в пространстве

Рис. 17. Сравнение кривых распределения интенсивности рассеяния: сплошная линия -клетчаткой водоросли; пунктир - кривая для модели, представляющей собой сумму в процентном соотношении 90:10 моделей Р-целлюлозы с параллельной ир упаковкой молекул с числом трансляций 5, 1, 2 и 2, 5, 1 соответственно

Видно, что на теоретической кривой присутствует интенсивное отражение в области линии с индексами (113), которое дает модельный кластер размером 5а, 1Ь, 2с. Уменьшения интенсивности данного отражения можно добиться, искажая модельный кластер (малый кристаллик с идеальным расположением атомов). С целью нарушения условий интерференции данный кристаллит был представлен в виде пакета из пяти фрагментов размером 1Ь, 2с, которые были развернуты на случайные углы с гауссовым распределением с нулевым средним и дисперсией угла разворота цепочек вокруг оси Х - 5 и 10°. Данные кластеры показаны на рисунке 18.

Рис. 18. Ориентация цепочек в искаженном кластере Р-целлюлозы 5,1,2: а - дисперсия разворота цепочек вокруг оси Х равна 5°; б - дисперсия разворота цепочек вокруг оси Х равна 10°

Картины рассеяния, рассчитанные в рамках модели механической смеси, в которой 90% объема занято кластерами, искаженными случайным разворотом фрагментов (рис. 18), а 10% - неискаженными кластерами с размерами 2а, 5Ь, 1с, показаны на рисунке 19.

Из рисунка 19 следует, что при увеличении дисперсии разворота цепочек интенсивность отражения (113) уменьшается, однако проявляется еще один пик, в который вносят вклад отражения (002) и (111), и исчезает отражение (110). Интенсивность отражения (200) увеличивается.

Для проверки роли угла разворота фрагментов был сформирован искаженный кластер со случайными углами разворота фрагментов, заданными в соответствии с гауссовом распределением со средним углом разворота равным 5 и 10° и дисперсией 5°. Расчет теоретической кривой распределения интенсивности рассеяния такими кластерами показал, что картина рассеяния практически не изменяется.

Таким образом, максимум (113) является слишком интенсивным, так что его не удается уменьшить в рамках использованного способа искажения кластера (разворот цепочек идеальных элементарных ячеек вокруг оси а на случайные углы) без изменения распределения интенсивности других максимумов.

Сравнение распределения интенсивности рассеяния водорослевой клетчаткой проводилось также с моделями, сформированными на основе Р-целлюлозы с антипараллельной ориентацией цепочек (рис. 20).

Видно, что качественно ход экспериментальной и теоретической кривых подобен, за исключением области от 2 до 3 А-1 значения модуля дифракционного вектора, т.е. области, содержащей много слабых отражений на рентгенограмме поликристаллической р-целлюлозы (рис. 19). С целью выяснения причины такого расхождения в ходе кривых были проведены дополнительных серии расчетов с разными вариантами формирования модельных кластеров.

Для примера на рисунке 21 кривая распределения интенсивности рассеяния водорослевой клетчатки сравнивается с результатом расчетов в рамках модели механической смеси кристаллитов с размерами 5а, 2Ь, 2с элементарных ячеек р-целлюлозы с антипараллельной упаковкой и кристаллитов с размерами 5а, 1Ь, 2с элементарных ячеек р-целлюлозы с параллельной ир- укладкой цепочек (соотношение объемов 20 : 80). Там же приведена теоретическая кривая, рассчитанная для смеси кристаллитов с размерами 1а, 5Ь, 1с элементарных ячеек р-целлюлозы с антипараллельной упаковкой и кристаллитов с размерами 2а, 5Ь, 1с элементарных ячеек р-целлюлозы с параллельной ир-укладкой цепочек (соотношение объемов 80 : 20).

5

I,

Рис. 19. Сравнение кривых распределения

Рис. 20. Сравнение кривых распределения интенсивности рассеяния: сплошная линия -водорослевой клетчаткой; пунктир -теоретическая кривая, рассчитанная в рамках модели механической смеси в процентном соотношении 90 : 10 р-целлюлозы с антипараллельной укладкой молекул с размерами неискаженных кластеров 1ах5Ьх1с и 5ах2Ьх2с соответственно

интенсивности рассеяния:-----1 - водорослевой

клетчаткой; И 2 - кривая для модели, представляющей собой сумму в процентном соотношении 90:10 искаженного кластера Р-целлюлозы 5, 1, 2 с дисперсией разворота

цепочек 5° и неискаженного 2, 5, 1;----кривая

для модели, представляющей собой аналогичную сумму, но для случая, когда дисперсия равна 10°

Рис. 21. Сравнение кривых распределения интенсивности рассеяния: 1 - водорослевой клетчаткой, 2 - кривая, для модели, представляющей собой смесь в процентном соотношении 80:20 кластера Р-целлюлозы с антипараллельной ориентацией цепочек размером 1а, 5Ь, 1с и кластера Р-целлюлозы с параллельной ир-ориентацией цепочек 2а, 5Ь, 1с соответственно; пунктир - кривая, для модели, представляющей собой смесь в процентном соотношении 20 : 80 кластера Р-целлюлозы с антипараллельной ориентацией цепочек размером 5а, 2Ь, 2с и кластера Р-целлюлозы с параллельной ир-ориентацией цепочек размером 5а, 1Ь, 2с соответственно

Таким образом, можно заключить, что из-за присутствия на теоретических кривых интенсивного отражения (113) ни одной из рассмотренных выше моделей на основе Р-целлюлозы нельзя отдать предпочтение (рис. 14, 17, 19-21). Необходимо более сильное искажение областей когерентного рассеяния, которое привело бы не только к смещению цепочек молекул друг относительно друга, но и к изгибу этих цепочек. Информационной основой для моделирования характера изгиба цепочек молекул целлюлозы в аморфной составляющей являются данные о характеристиках ближнего порядка (табл. 10-12), из которых можно найти ось, вокруг которой необходимо развернуть слои и оценить углы разворота.

Выводы

1. Анализ структурного состояния кристаллической составляющей целлюлозы показал, что длина упорядоченно расположенных вдоль оси Ъ целлюлозных цепочек для хлопковой целлюлозы, микроцеллюлозы, небеленой сульфатной целлюлозы и ранней древесины сосны равна ~5 целлобиозным фрагментам, а для радиального среза сосны —13 целлобиозным фрагментам. Размеры областей когерентного рассеяния в направлении нормали к оси Ъ максимальны для хлопковой целлюлозы и микроцеллюлозы и составляют ~ 7 элементарных ячеек, т.е. 14-15 зигзагообразно упакованных цепочек. Применение метода полнопрофильного анализа позволило определить значения периодов элементарной ячейки и установить, что хлопковая и микроцеллюлозы, а также целлюлозная составляющая ранней и поздней древесины сосны характеризуются моноклинной элементарной ячейкой, на которую приходится две цепочки. Для небеленой и беленой сульфатной целлюлоз характерна низкосимметричная триклинная а 1 элементарная ячейка (на одну ячейку приходится одна молекула).

2. Полностью аморфный гидролизный лигнин, т.е. без остатков целлюлозы, получается только после экстракции бензиловым спиртом с последующим гидролизом на углеводный состав (лигнин 4). Атомномолекулярная структура аморфного гидролизного лигнина строится на основе димерных структурных единиц диарилпропандиола. Для образца диоксанлигнина трудно отдать предпочтение какому-либо типу связей мономерных единиц. По-видимому, в нем мономерные единицы упакованы более плотно, т.е. молекула лигнина менее пространственно разветвлена.

3. Анализ аморфной составляющей древесины и целлюлоз показал, что различие в количественных характеристиках ближнего порядка для целлюлоз различного происхождения и древесины обусловлено целым рядом причин: гибкость целлюлозных цепочек приводит к возможности вариации углов связи между звеньями; разрыв связей между звеньями, неизбежно сопровождающий аморфизацию; сложный состав древесины (табл. 1) и возможность наличия в ней примесей металлов.

Авторы считают своим долгом выразить искреннюю признательность и благодарность И. С. Гелесу за предоставление образцов, обсуждение задач исследований и постоянный интерес к их результатам.

Список литературы

1. O'Sullivan A.C. Cellulose: the structure slowly unravels // Cellulose 1997. V. 4. P. 173-207.

2. Алешина Л.А., Глазкова С.В. и др. Современные представления о строении целлюлоз // Химия растительного сырья. 2001. №1. С. 5-36.

3. French A.D., Howley P.S. Comparisons of struсtures proposed for cellulose // Cellulose. 1989. P. 159-167.

4. Алешина Л.А., Глазкова С.В., Луговская Л.А., Мелех М.В. и др. Строение целлюлозы. Атомно-молекулярная структура целлюлоз // И.С. Гелес. Древесная масса и основы экологически приемлемых технологий ее химико-технологической переработки. Петрозаводск, 2001. Гл. 4. C. 143-188.

5. Иванов М.А., Шашилов А.А., Королев М.И. Анализ рассеяния рентгеновских лучей целлюлозой при 20 = 32° для Cu-излучения // Химия древесины. 1980. №5. С. 5-11.

6. Иоелович М.Я., Тупурейне А.Д., Beверис Г.П. Изучение кристаллической структуры целлюлозы в растительных материалах // Химия древесины. 1989. №5. С. 3-6.

7. Мелех М.В., Петрова В.В., Гелес И.С. Исследование целлюлозы коры ели методами рентгеноструктурного анализа // Химия древесины. 1987. №6. С. 52-58.

8. Мелех М.В., Петрова В.В. Структура целлюлозы ранней и поздней древесины сосны и ели по данным рентгеновской дифракции на больших и крайне малых углах // Изв. вузов. Лесной журнал. 1994. №5-6. С. 97-101.

9. Петрова В.В., Мелех М.В. Исследование структурного состояния целлюлозы ранней и поздней древесины сосны и ели методами рентгенографии // Изв. вузов. Лесной журнал. 1993. №2-3. С. 116-122.

10. Алешина Л.А., Глазкова С.В., Луговская Л.А., Подойникова М.В., ФофановА.Д. Использование метода полнопрофильного анализа для исследования структуры целлюлоз // Тезисы докладов XIV международного совещания по рентгенографии минералов. СПб., 1999. C. 278

11. Алешина Л.А., Глазкова С.В., Луговская Л.А., Подойникова М.В., Фофанов А.Д. Анализ атомной структуры аморфной составляющей целлюлоз // Тезисы докладов XIV международного совещания по рентгенографии минералов. СПб., 1999. C. 277.

12. Мелех М.В., Петрова В.В., Гелес И.С. Влияние добавок аморфной компоненты на строение хлопковой целлюлозы // Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции по физике и химии целлюлозы. Минск, 1990.

13. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Фофанов А.Д., Глазкова С.В., Подойникова М.В. Анализ структурного со-

стояния целлюлозы на основе представлений об ее аморфном строении // Исследовано в России: Электронный журнал. 2003. 29. С. 299-308.

14. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Филатов А.С., ФофановА.Д., Глазкова С.В., Подойникова М.В. Исследование структуры целлюлоз методом полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов // Электронный журнал «Исследовано в России». 2002. 203. С. 2237-2243.

15. Алешина Л.А., Фофанов А.Д. Степень кристалличности целлюлозных материалов и определение размеров областей когерентного рассеяния // Химия и технология растительных веществ: Тезисы докл. II Всерос. конф. Казань, 2002. С. 141-142.

16. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Филатов А.С., Фофанов А.Д. Определение атомных характеристик структуры целлюлоз методом полнопрофильного анализа // Химия и технология растительных веществ: Тезисы докл. II Всерос. конф. Казань, 2002. С. 143-144.

17. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Фофанов А.Д. Проблемы и возможности анализа состояния аморфной составляющей целлюлозных материалов // Химия и технология растительных веществ: Тезисы докл. II Всерос. конф. Казань, 2002. С. 145-146.

18. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Фофанов А.Д., Репникова Е.А., Глазкова С.В., Подойникова М.В. Рентгенографические исследования и компьютерное моделирование структуры нативных целлюлоз // Карелия и РФФИ: Тез. докл. науч. конф. Петрозаводск, 2002. С. 92-93.

19. Aleshina L.A., Lugovskaya L. A., Fofanov A. D., Glazkova S.V., Podoinikova M.V. Analysys of the atomic structure of a cellulose amorphous component // ^nf. on Non-Crystalline Inorganic Materials Synthesis Structure Modelling. Germany. Bonn. 2003. P. 130.

20. Aleshina L.A., Lugovskaya L. A., Filatov A. S., Fofanov A. D., Glazkova S.V., Podoinikova M.V. Studies of native cellulose structure using x-ray Rietveld analysis. // XIX Conference on Applied Crystallography. Poland. Krakow. 2003. P. 56.

21. Алешина Л.А., Луговская Л.А., Фофанов А.Д., Глазкова С.В., Подойникова М.В. Исследование структуры нативных целлюлоз и полуфабрикатов на их основе методами рентгенографии // XV Меж. совещ. по рентгенографии и кристаллохимии минералов. СПб., 2003. С. 144-145.

22. Репникова Е.А., Алешина Л.А., Глазкова С.В., Фофанов А.Д. Исследование структуры лигнинов // Химия растительного сырья. 2004. №1. С. 5-9.

23. Алешина Л.А., Фофанов А.Д., Мелех Н.В. Анализ структурного состояния аморфной составляющей целлюлоз различного происхождения // Соврем. наука и образов. в решении проблем экономики европейского севера: мат. межд. науч.-техн. конф., посв. 75-летию АЛТИ-АГТУ. 2004. Т. 1. С. 188-190.

24. Алешина Л.А., Фофанов А.Д., Филатов А.С. Применение метода Ритвельда к уточнению структурных характеристик целлюлоз различного происхождения // Соврем. наука и образов. в решении проблем экономики европейского севера: мат. межд. науч.-техн. конф., посв. 75-летию АЛТИ-АГТУ. 2004. Т. 1. С. 190-192.

25. Алешина Л.А., Фофанов А.Д., Мелех Н.В. Возможности рентенографических исследований структуры лиг-нинов и лигносульфонатов // Соврем. наука и образов. в решении проблем экономики европейского севера: мат. межд. науч.-техн. конф., посв. 75-летию АЛТИ-АГТУ. 2004. Т. 1. С. 192-194.

26. Алешина Л.А., Авакова О.Г., Боголицын К.Г., Мелех Н.В., Фофанов А.Д. Рентгенографические исследования микроцеллюлозы и водорослевой клетчатки // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы II Всероссийской конференции, 21-22 апреля 2005 г. Барнаул. 2005. Кн. I. С. 65-69.

27. Репникова Е.А., Алешина Л.А., Глазкова С.В., Фофанов А.Д. Рентгенографические исследования гидролизных лигнинов // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы II Всероссийской конференции, 21-22 апреля 2005 г. Барнаул, 2005. Кн. I. С. 87-90.

28. Гелес И.С., Алешина Л.А., Мелех Н.В., Фофанов А.Д. Получение и структурные особенности катионитов лигносульфоната // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы II Всероссийской конференции, 21-22 апреля 2005 г. Барнаул,. 2005. Кн. I. С. 96-99.

29. Гелес И.С. Древесная биомасса и основы экологически приемлемых технологий ее химико-механической переработки. Петрозаводск, 2001. 382 с.

30. Гелес И.С., Глушко Л.А., Жученко Л.Г. Изучение химического состава коры ели и сосны // Химия древесины. 1973. №2. С. 107-116.

31. Оболенская Л.В., Щеголев В .В., Аким Г. Л., Аким Э. Л. и др. Практические работы по химии древесины и целлюлозы. М., 1965. 411 с.

32. Гелес И.С., Коржова М.Л. Метод определения состава полисахаридов и лигнина в древесине и целлюлозе. Информ. листок № 125-79. Карельский ЦНТИ. Петрозаводск, 1979.

33. Гелес И.С. и др. Свойства лубяного волокнистого полуфабриката из отходов сухой и мокрой окорки древесины ели и влияние его на качественные показатели бумаг // Целлюлозные массы из древесины и коры: состав, свойства, применение. Петрозаводск, 1985. С. 49-74.

34. Алешина Л.А., Фофанов А.Д. Рентгеноструктурный анализ аморфных материалов. Петрозаводск, 1987. 88 c.

35. Товбис А.Б. Программа уточнения параметров структур по дифракционным данным порошкового эксперимента (метод Ритвельда) / Институт кристаллографии РАН. М., 1994.

36. Китайгородский А. И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел. М.; Л., 1952. 588 с.

37. Binotto A. P., Murphey W. К., Cutter В. Е. X-ray diffraction studies of cellulose from bark and wood // Wood and Fiber, 1971. V. 3. №3. Р. 179-184.

38. Parameswaran N. Zur Kristallinitat der Cellulose in Rinde und im Holz einiger tropischen Baumarten // Holzforschung. 1973. Bd. 27. №5. P. 151-153.

39. Петрова В.В. Рентгенография целлюлоз. Петрозаводск, 1994. 37 c.

40. Вундерлих Б. Физика макромолекул. М., 1976. 503 с.

41. Роговин З.А. Высокомолекулярные соединения. М., 1960. Т. 2. 1588 с.

42. Оболенская А.В., Щеголев В.П. Химия древесины и полимеров. М., 1980. 160 с.

43. Ant-Wuorinen О., Visapaa A. Diffractometric method for the evolution of the cristallinity of cellulose // Paperi ja Puu. 1961.V. 43. N 3. P. 105-108.

44. Иоелович М.Л., Веверис Г.П. Изучение размеров и дефектности кристаллических областей целлюлозы // Химия древесины. 1985. №6. С. 30-34.

45. Ruland W.W. X-ray determination of crystallinity and diffuse disorder skattering // Acta cryst. 1961. V.14. P. 1480.

46. Murthy N.S., Minor H. General procedure for evaluating amorphous scattering and crystallinity from X-ray diffraction scans of semicrystalline polymers // Polymer. 1990. V. 31. June. P. 996-1002.

47. Иванов М.А., Шашилов А.А. Структурное состояние целлюлозы // Субмикроскопичсское строение древесины и его роль и процессах делигнификации: тез. докл. 2-го науч. семинара. Рига, 1983. С. 117-121.

48. Claffey W., Blackwell J. Electron Diffraction of Valonia Cellulose. Quantitative Interpretation // Biopolimers.1974.V. 15. P. 1093-1915.

49. Лигнины / под ред. К.В. Сарканена и К.Х. Людвига. М., 1975. 592 с.

50. Богомолов Б.Д. Химия древесины и основы химии высокомолекулярных соединений. М., 1973. 398 с.

51. Кононов Г.Н. Химия древесины и ее основных компонентов. М., 1999. 247 с.

Поступило в редакцию 24 ноября 2005 г.