2488

11

Реактивы и оборудование

1.Образцы древесных опилок.

2.Стеклянный или алюминиевый бюкс с притѐртой крышкой.

3.Аналитические весы.

4.Сушильный шкаф.

5.Эксикатор.

Экспериментальная часть

Методика определения. В стеклянный или алюминиевый бюкс с притѐртой крышкой, предварительно высушенный и взвешенный на аналитических весах, отвешивают около 1 г исследуемого материала (опилок) и сушат с навеской в сушильном шкафу в течении 3 - 4 часов при температуре 103±2°С. По истечении этого времени бюкс с навеской охлаждают в эксикаторе, закрывают крышкой и взвешивают. Вторичное и последующие высушивания продолжают по одному часу. Всѐ это повторяют, пока содержимое бюкса не высохнет до постоянной массы, то есть пока последнее взвешивание по сравнению с предыдущим не покажет убыль в массе менее 0,0004 г или не начнѐтся увеличение массы вследствие окислительных процессов.

Относительную влажность древесины, %, рассчитывают по формуле

,

где m - масса бюкса г ;

m1 - масса бюкса с навеской до высушивания, г ; m2 - масса бюкса с навеской после высушивания, г.

Расхождение между результатами двух параллельных определений не должно превышать 0,5%.

Коэффициент сухости древесины вычисляют по формуле

.

Во всех последующих химических анализах для расчѐта абсолютно сухой навески древесины значение взятой воздушно – сухой навески умножают на Ксух.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Понятия об относительной, абсолютной влажности и коэффициенте сухости.

2.Методы определения влажности. Достоинства и недостатки.

3.Чем определяется указанный диапазон (103±2 0С) температур для сушки?

12

4. Какие свойства древесины вынуждают использовать для сушки только бюксы с крышками?

5. Что понимают под термином «постоянная масса»? Как она достигается и определяется?

Лабораторная работа № 3

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОЛЬНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ

Цель работы:

Познакомиться с методикой определения зольности древесины.

Теоретическая часть

Массовая доля минеральных веществ в древесине низкая (для пород умеренной климатической зоны 0,1…1,0%, а для пород субтропической и тропической зон может достигать 5…8%). Минеральные вещества при сжигании древесины образуют золу. Количество золы характеризует содержание минеральных веществ в древесине, но точно не равно ему. При сжигании и последующем прокаливании золы многие минеральные вещества переходят в оксиды или карбонаты, а также возможны потери золы, обусловливаемые летучестью некоторых хлоридов и солей аммония. Состав золы определяют химическим анализом (с использованием гравиметрических, титриметрических, фотоколориметрических и комплексонометрических методов), а также методами спектроскопии пламени, эмиссионной спектроскопии, атомной абсорбционной спектроскопии, нейтронного активационного анализа и др.

Методы определения содержания золы основаны на сжигании древесины в фарфоровом (или платиновом) тигле с последующим прокаливанием остатка в муфельной печи. Для определения зольности можно использовать высушенные при определении влажности опилки. Температура озоления влияет на получаемый результат, тем не менее встречаются различные рекомендации. В соответствии с большинством методик прокаливание проводят до постоянной массы при температуре

550…600ºС (575± 25ºС), что примерно соответствует температуре слабого красного каления муфельной печи. Для получения точных результатов температуру следует строго контролировать.

Иногда при анализе древесины определяют так называемую нелетучую золу при температуре (800±20ºС) для характеристики зольности и общую золу при температуре (425±10ºС). Эту золу используют для определения состава золы.

Более воспроизводимые, но и несколько более высокие значения массовой доли золы можно получить методом определения так

13

называемой сульфатной золы. С этой целью все неорганические соединения переводят в нелетучие сульфаты добавлением серной кислоты (1…2 капли 50%-ной Н2SО4)

Реактивы и оборудование

1.Образцы древесных опилок.

2.Фарфоровый тигель с крышкой.

3.Муфельная печь или электрическая плитка.

4.Эксикатор.

5.Аналитические весы.

Экспериментальная часть

Пустой фарфоровый тигель с крышкой прокаливают в муфельной печи при стандартной температуре (575±25ºС) или другой заданной температуре до постоянной массы. В тигель помещают навеску опилок массой 2-3 г. Опилки должны занимать не более половины объема тигля. Осторожно озоляют пробу древесины на электрической плитке (в вытяжном шкафу) или на краю муфельной печи (можно тигель закрыть крышкой). Если тигель не вмещает всю навеску, то ее вносят по частям, осторожно добавляя новую порцию после озоления предыдущей. При озолении нельзя допускать воспламенения древесины во избежание потерь золы, поэтому этот процесс проводят осторожно в тигле с закрытой крышкой. Затем тигель с золой прокаливают в муфельной печи при заданной температуре в течение 3…4 ч до полного удаления углерода, о чем свидетельствует отсутствие черных частичек. Если зола при этом имеет темный цвет, ее осторожно смачивают несколькими каплями 3%-ного раствора Н2О2, выпаривают жидкость (помещая тигель на плитку) и вновь прокаливают около 1 ч. Тигель извлекают из муфельной печи щипцами, закрывают крышкой и дают немного остыть, поместив на несгораемую подставку (1-2 мин), после чего переносят в эксикатор. После охлаждения в эксикаторе (30-40 мин) тигель с золой взвешивают и продолжают прокаливание по 1ч до достижения постоянной массы (т1) (разница двух взвешиваний не более 0,0002 г). Массовую долю золы, % к абсолютно сухой древесине, рассчитывают по формуле

,

где m1 – масса тигля с золой, г; m – масса пустого тигля, г;

g – масса абсолютно сухой навески древесины, г.

Расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 0,05%.

14

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Что такое зольность древесины?

2.Каким образом минеральные вещества попадают в древесину?

3.Содержание минеральных веществ в древесине.

4.Для чего необходимо определять содержание минеральных веществ?

5.Методы, используемые для определения зольности древесины?

6.Какие меры предосторожности и почему следует применять при озолении навески древесины?

Лабораторная работа № 4

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОДОПОГЛОЩЕНИЯ И РАЗБУХАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ

Цель работы:

Ознакомиться с методикой определения водопоглощения древесины.

Теоретическая часть

Водопоглощение – способность древесины поглощать капельножидкую воду. Водопоглощение происходит при непосредственном контакте древесины с водой. При этом в древесине увеличивается содержание как связанной, так и свободной влаги. Общее количество свободной воды зависит от объема полостей в древесине. Водопоглощение зависит от породы древесины, от ее плотности; чем больше плотность древесины, тем меньше объем полостей, которые могут быть заполнены свободной водой, и, следовательно, водопоглощение будет меньше. Водопоглащение ядра меньше, чем у заболони. Скорость водопоглощения больше у образцов с большими размерами торцевой поверхности. С повышением температуры также ускоряется процесс водопоглошения.

Разбухание – это свойство древесины обратное усушке и подчиняется тем же закономерностям. Разбуханием называется увеличение линейных размеров и объема древесины при повышении содержания связанной воды.

Разбухание наблюдается при увеличении влажности до предела гигроскопичности, увеличение свободной воды (заполняющей полости клеток) не вызывает разбухания. Наибольшее разбухание происходит в тангенциальном направлении и наименьшее – вдоль волокон.

Так же как и усушка, разбухание является отрицательным свойством древесины. Однако в некоторых случаях оно играет положительную роль: обеспечивает плотность соединений в бочках, лодках, деревянных трубах и судах.

15

Реактивы и оборудование

1.Эксикатор.

2.Образцы древесины.

3.Вода дистиллированная.

4.Аналитические весы.

5.Микрометр или штангенциркуль.

Экспериментальная часть

и высотой вдоль волокон 10 мм.

Образцы высушивают в бюксах до абсолютно сухого состояния и взвешивают с погрешностью не более 0,001 г.

С помощью микрометра или штангенциркуля по середине радиальной и тангентальной поверхности измеряют размеры поперечного сечения каждого образца Lr min в радиальном и Lt min в тангентальном направлениях, а также La min в направлении вдоль волокон с погрешностью не более 0,01 мм.

Образцы помещают в эксикатор под вставку, заливают дистиллированной водой так, чтобы одна из плоскостей поперечного разреза оставалась сухой, закрывают крышкой и выдерживают при температуре 20±2 °С.

После выдерживания образцов в воде в течение 2 ч после первоначального погружения, образцы вынимают из воды, осушают поверхность фильтрованной бумагой и взвешивают в бюксах с погрешностью не более 0,01 г. Измеряют размеры поперечного сечения каждого образца Lr max в радиальном и Lt max в тангентальном направлениях, а также La max в направлении вдоль волокон.

Количество поглощенной влаги (W) в процентах вычисляют с точностью до 0,1 % по формуле

где m - масса бюксы, г;

m1 - масса бюксы с образцом в абсолютно сухом состоянии, г;

mn - масса бюксы с образцом, взвешенной через n суток с момента первоначального погружения образца в воду, г.

Максимальное разбухание (αmax) в процентах вычисляют по формулам: для радиального направления

(1)

16

для тангентального направления

(2)

где Lr max, Lt max, La max - размеры образца при влажности, равной или выше предела насыщения клеточных стенок в направлениях соответственно радиальном,

тангентальном и вдоль волокон, мм;

Lr min, Lt min, La min - размеры образца в абсолютно сухом состоянии в направлениях соответственно радиальном, тангентальном и вдоль волокон, мм.

Результат округляют с точностью до первого десятичного знака.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Что такое водопоглощение древесины?

2.Чем отличается водопоглощение от влагопоглощения древесины?

3.От каких факторов зависит водопоглощение древесины?

4.Что такое разбухание древесины?

5.В каких направлениях измеряют разбухание древесины?

6.В каком направлении наблюдается наибольшее набухание?

Лабораторная работа № 5

Тема: ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Цель работы:

Ознакомиться с химическими свойствами древесины.

Теоретическая часть

Химические свойства древесины обуславливаются ее элементарным составом. Полностью сухое вещество содержит в своем составе около 49 - 49,5% углерода, 44 - 44,2% кислорода, 6 – 6,3% водорода и около 0,1 – 0,3% азота.

Именно эти химические элементы формируют органические сложные соединения, такие как: лигнин, целлюлоза, гемицеллюлоза (в абсолютно сухой древесине данных соединений 90-95% от общей массы). Остальную массу представляют смолы и дубильные вещества, которые можно извлечь из древесины при помощи растворителей (эфиры, вода, спирты). Также в состав данного строительного материала входят неорганические компоненты, получаемые из золы, после того, как лесоматериал сгорит.

В обычных условиях вода не разрушает древесину. Находясь в воде, древесина некоторых пород может сохраняться тысячелетиями. Примером того мо-

17

жет служить мореный дуб, который не только сохраняется, но и приобретает такие свойства, которые делают его ценнейшим поделочным материалом. Сваи из древесины лиственницы, служащие фундаментом зданий в Венеции служат уже несколько столетий.

Однако при повышенной температуре и давлении разрушающее действие воды на древесину может быть весьма заметным. Прочность древесины при пропарке и высокотемпературной сушке существенно снижается. В среде перегретого водяного пара уже при температуре 180...190 °С разлагаются пентозаны и в значительном количестве целлюлоза, а при температуре около 275 °С древесина почти полностью переводится в растворимые в воде соединения.

Древесина обладает определенной стойкостью против воздействия растворов солей, слабых кислот и щелочей и ряда органических веществ. Поэтому из нее нередко для химических заводов делают сосуды, чаны и другую аппаратуру, эксплуатация которых отличается достаточно большой длительностью.

Газы обычно действуют на древесину менее агрессивно, чем на металлы. Газы с неполярными молекулами (водород, азот, кислород) в гораздо меньшей степени адсорбируются волокнами древесины, по сравнению с полярными (хлороводород, аммиак, двуокись серы, двуокись углерода). Последние вызывают разбухание древесины. Газы с полярными молекулами прочно удерживаются древесным волокном и обычно удаляются только в вакууме при повышенной температуре. Адсорбция и диффузия газов в древесине зависят также от породы, возраста деревьев, направления воздействия газов на древесные волокна и местоположения в стволе (заболонь, ядро).

Растворы солей обычно разрушающе действуют на древесину только при высоких температурах и давлении. Наибольшее набухание вызывают соли цинка, кальция, магния, а в меньшей степени — соли натрия и калия. Соли алюминия и меди на древесину практически не действуют и ее прочностные свойства не снижают.

Действие кислот на древесину при обычной температуре незначительно, если их рН > 2,5, однако оно становится существенным при повышении концентрации или температуры. Например, действие 10 % соляной, серной или азотной кислоты снижает сопротивление изгибу древесины хвойных пород почти на 10 %, а большинства лиственных пород - до 25 %. При длительном воздействии более крепких растворов кислот древесина теряет прочность. Уксусная кислота при концентрации более 16 % существенно снижает прочность древесины, но для некоторых пород при длительном воздействии этой кислоты прочность опять увеличивается.

Воздействие кислот и щелочей разрушает древесину, и чем выше концентрация химических материалов, тем сильнее их разрушающее действие. Слабощелочные растворы не разрушают древесину. В кислой среде древесина начинает разрушаться при рН-2, тогда как разрушение бетона и стали начинается при рН-4. Хвойные породы считаются более стойкими к действию серной,

18

азотной, соляной и уксусной кислоты, чем лиственные, а из хвойных пород наибольшей стойкостью обладает лиственница.

Древесина отличается значительной долговечностью в среде органических кислот: уксусной, молочной, щавелевой, муравьиной и др. Она устойчива также к воздействию разбавленных растворов минеральных кислот. Агрессивное воздействие последних значительно усиливается при увеличении их концентрации и температуры.

Реактивы и оборудование

1.Водяная баня.

2.Образцы древесины разных пород.

3.Концентрированные серная, соляная и азотная кислоты.

4.Концентрированные гидроксиды натрия и калия.

5.Набор растворов кислот разной концентрации.

6.Набор растворов щелочей разной концентрации.

7.Набор растворов солей.

8.Секундомер.

Экспериментальная часть

Для изучения влияния различных химических реагентов на свойства древесины используют образцы прямоугольной формы различных пород древесины. Последовательно нанесите с помощью пипетки на поверхность образца исследуемой древесины каплю реактива. Наблюдайте изменение окраски древесины и другие изменения. Сделайте вывод о влиянии данного реагента на свойства древесины различных пород и в зависимости от продолжительности воздействия. В качестве исследуемых реагентов используют холодную и горячую воду; растворы органических и неорганических кислот разной концентрации; концентрированные серную, соляную и азотную кислоты; расворы щелочей разной концентрации; концентрированные гидроксиды натрия и калия; а также растворы различных солей.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Чем определяются химические свойства древесины?

2.Какие компоненты входят в состав древесины?

3.Каков элементарный состав древесины?

4.Какие факторы влияют на химические свойства древесины?

5.Какие из солей оказывают наибольшее воздействие на древесину?

6.Как действуют на древесину газы?

7.Какое влияние оказывает на древесину вода?

19

Лабораторная работа № 6

Тема: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ЛИГНИНА И ЭКСТРАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В ДРЕВЕСИНЕ

Цель работы: ознакомиться с получением и свойствами нитратов и ацетатов целлюлозы.

Теоретическая часть

Целлюлоза является самым распространенным органическим веществом на земной поверхности. Она представляет собой линейный полисахарид – поли-1- 4- -D–глюкопиранозил–D–глюкопиранозу и является гликозидом глюкозы. Макромолекулы целлюлозы образованы гликозидными остатками в пиранозной форме, соединенными -глюкозидной связью в положении 1 – 4. Молекулярная масса целлюлозы превышает 1 млн.

Строение макромолекулы целлюлозы изображается формулой

n

Целлюлоза очень устойчива к механическим и химическим воздействиям. Она нерастворима в воде, разбавленных щелочах и в органических растворителях (спирт, ацетон, эфир и др.). Препараты целлюлозы со степенью полимеризации менее 200 растворяются в 10…20 %-ном растворе NaOH, а со степенью полимеризации менее 1000 – в 85 %-ной фосфорной кислоте. Целлюлоза растворяется в медно аммиачном реактиве, или реактиве Швейцера (раствор гидроксида меди в концентрированном растворе аммиака), а также в некоторых других комплексных соединениях меди, никеля, кадмия и цинка.

Для определения целлюлозы в древесине и в другом растительном сырье используют свойства целлюлозы, отличающие еѐ от других компонентов древесины. Так, в отличии от экстрактивных веществ целлюлоза не растворяется в воде и органических растворителях. В отличие от лигнина она сравнительно устойчива к действию окислителей и гидролизуется под действием кислот, а в отличие гемицеллюлозы не растворяется в водных растворах щелочей и труднее гидролизуется.

Используют три способа определения целлюлозы: прямой способ, основанный на количественном выделении еѐ из растительных тканей; определение целлюлозы через холоцеллюлозу; косвенный способ, основанный на рассчете содержания целлюлозы по выходу Д – глюкозы при полном гидролизе.

20

При прямом способе из древесины удаляют экстрактивные вещества, лигнин (делигнификация) и большую или меньшую часть гемицеллюлоз. В полученном целлюлозном остатке – «сырой» целлюлозе определяют примеси гемицеллюлоз и остаточного лигнина и вносят соответствующие поправки.

Прямые методы вследствие относительной простоты анализа имеют широкое применение и чаще всего применяют азотно-спиртовой метод или метод Кюршнера. Этот метод основан на обработке древесины спиртовым раствором азотной кислоты. Лигнин нитруется и частично окисляется. Продукты нитрования и окисления растворяются в спирте. Гемицеллюлозы гидролизуются на 65 – 75%. Окислительная деструкция целлюлозы под действием азотной кислоты в спиртовой среде по сравнению с водной уменьшается, степень полимеризации целлюлозы понижается и целлюлоза частично аморфизируется. Предварительного экстрагирования древесного сырья не требуется, так как экстрактивные вещества удаляются эталоном в ходе обработки азотно-спиртовой смесью.

Лигнин представляет собой комплекс ароматических нерегулярных полимеров, построенных из фенилпропановых звеньев. Макромолекула лигнина образована не из однородных структурных единиц, а из нескольких различающихся производных фенилпропана. Многообразие связей, возникающих между структурными элементами при образовании лигнина в растениях, приводит к полимеру с нерегулярным строением.

Лигнины различных растений заметно отличаются друг от друга. Различают лигнины хвойной древесины, лигнины лиственной древесины и лигнины травянистых растений. Лигнины накапливаются в растениях в процессе лигнификации в серединной пластинке и в клеточной стенке. Окончание процесса лигнификации обычно совпадает с прекращением жизнедеятельности клетки.

Лигнин, содержащийся в растительных тканях, легко изменяется под влиянием повышенной температуры и различных реагентов. Природный лигнин легко окисляется. На этом свойстве лигнина основаны процесс отбелки целлюлозы и получение ряда ценных продуктов.

Содержание лигнина в древесине и другом растительном сырье преимущественно определяют прямыми способами. Они основаны на выделении лигнина удалением экстрактивных веществ соответствующей экстракцией и полисахаридов гидролизом концентрированными минеральными кислотами.

Содержание лигнина в древесине и другом растительном сырье преимущественно определяют прямыми способами. Они основаны на количественном выделении лигнина удалением экстрактивных веществ соответствующей экстракцией и полисахаридов гидролизом концентрированными минеральными кислотами. При количественном определении лигнина кислотным гидролизом из растительного сырья необходимо предварительно удалить из него смолы, жиры, воски, неомыляемые вещества подходящими органическими растворителями. Растворитель должен достаточно полно извлекать экстрактивные вещества и при этом не вызывать потерю самого лигнина.