2548

2

УДК 630*81

Дмитренков, А. И. Химия древесины [Текст] : методические указания к лабораторным работам (с элементами УИРС) для студентов по направлению подготовки 250400 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств / А. И. Дмитренков, Л. И. Бельчинская, Н. А. Ходосова ; М-во образования и науки РФ, ФГБОУ ВПО «ВГЛТА». –

Воронеж, 2014. – 43 с.

Печатается по решению учебно-методического совета ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» (протокол № 6 от 28 февраля 2014 г.)

Рецензент заведующий кафедрой ВМС и коллоидов ФГБОУ ВПО «ВГУ» д-р хим. наук, проф. Г.В. Шаталов

Научный редактор канд. техн. наук, доц. А.И. Дмитренков

(целлюлозы и ее производных) …………………………………………………… 10

Лабораторная работа № 3. Получение сложных эфиров целлюлозы ………….. 14 Учебно-исследовательская работа. Определение медного числа целлюлозы ... 18 Лабораторная работа № 4. Нецеллюлозные компоненты древесины ………….. 21 Лабораторная работа № 5. Определение экстрактивных веществ ……………... 23 Лабораторная работа № 6. Особенности крашения древесины различных пород (с элементами УИРС) ……………………………………………………… 26

Лабораторная работа № 7. Определение краевого угла смачивания древесины и древесных материалов различными жидкостями ……………………………… 31

Библиографический список ……………………………………………………….. 41

4

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания предназначены для бакалавров лесопромышленного факультета по направлению подготовки 250400 – Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств при изучении дисциплины «Химия древесины» и содержат лабораторные работы по данному курсу. При освоении данной дисциплины студент должен приобрести знания по основным ее разделам – химии целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных веществ, так и по теории важнейших процессов химической переработки древесины, например, варки и отбелки целлюлозы, гидролиза лигнина, пиролиза и др. Особое внимание следует уделить новым областям приложения химии древесины – химии побочных продуктов целлюлозного производства, комплексной переработки сульфитных щелоков, химии фурфурола и фурановых соединений, очистке сточных вод и воздушной среды целлюлозных, гидролизных и лесохимических предприятий и др.

Вопросы рационального комплексного использования древесины как ценнейшего органического сырья имеют большое народнохозяйственное значение.

Знания химии древесины необходимы будущим бакалаврам при изготовлении изделий из древесины, ДВП, ДСтП, фанеры, при пропитке древесины и получении древесно-полимерных композитов, при улучшении прочности склеивания и пленкообразования, водо- и химической стойкости изделий из древесины, процессов крашения древесины и ее отделки.

Дисциплина «Химия древесины» использует знания, полученные в курсе «Органические соединения» и «Полимерные композиционные материалы». Она способствует более глубокому усвоению специальных курсов «Древесиноведение», «Гидротермическая обработка древесины», «Технология клееных плит и материалов» и др.

Методические указания включают лабораторные работы, содержащие методы химической идентификации некоторых природных полимеров, а так же методики оценки физических и химических свойств отдельных компонентов древесины.

При самостоятельной подготовке к лабораторной работе студент должен составить конспект лабораторной работы и изучить теоретический материал по соответствующему разделу химии древесины. Для получения допуска к лабора-

5

торной работе студент представляет конспект и отвечает на вопросы преподавателя по теории и порядку выполнения опытов.

Оформление отчета по лабораторной работе студент выполняет по следующей форме:

1)тема работы;

2)название опыта;

3)химизм опыта: уравнения реакций;

4)необходимые расчеты определяемых показателей;

5)выводы: что наблюдалось, объяснение причины явления и итогов проведенных расчетов.

Отчет по лабораторной работе сдается преподавателю, при этом студент должен уметь ответить на вопросы по теме лабораторной работы.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

Перед лабораторной работой изучите теоретический раздел и описание лабораторной работы. Покажите преподавателю конспект теоретической и практической части лабораторной работы. Сдайте преподавателю допуск для проведения лабораторной работы.

Уясните технику выполнения лабораторной работы.

Всоответствии с техникой безопасности запрещается:

брать реактивы больше требуемого количества;

неизрасходованные или взятые в избытке реактивы возвращать обратно в склянки (их надо сдать лаборанту);

загромождать рабочее место (во время работы на лабораторном столе должны находиться только необходимые приборы, реактивы и лабораторная тетрадь);

уносить приборы, реактивы общего пользования на свое рабочее место.

путать пробки от склянок.

принимать пищу в химической лаборатории.

Необходимо выполнять следующие требования.

Перед началом работы следует ополоснуть чистую посуду дистиллированной водой над раковиной, затем при необходимости высушить её.

6

После окончания работы следует тщательно вымыть посуду, кюветы и вытереть фильтровальной бумагой корзину для кювет.

Склянки и реактивы должны находиться в определенном месте, их нельзя переносить на другие столы.

Следует работать без лишней торопливости, не проливать и не просыпать реактивы, если все же это случилось, нельзя сливать загрязненный реактив обратно в склянку с чистым реактивом, а следует собрать его и передать лаборанту; стол (или другой запачканный предмет) нужно вымыть и вытереть.

Бросать бумагу, бытовое стекло и другие предметы можно только в специальные сосуды и мусорницы.

Если во время работы будет пролита в большом количестве кислота или другой раствор, нужно тотчас сообщить о случившемся лаборанту.

Удалять растворы нужно быстро, так как эти реактивы портят стол и другие предметы, и осторожно, чтобы не прожечь одежду и не повредить руки.

При всех несчастных случаях необходимо тотчас обращаться к лаборанту или преподавателю.

При работе с электроприборами необходимо соблюдать следующие пра-

вила.

1.Работу с приборами можно начинать только после тщательного ознакомления с инструкцией по их эксплуатации.

2.Включать приборы только в сеть переменного тока с напряжением 220 В.

3.Электроприборы должны располагаться на лабораторном столе таким образом, чтобы химические реактивы не попадали на них, а также в электрическую розетку.

4.Если произошло замыкание электроустановки или возник пожар, необходимо немедленно обесточить прибор. Тушить пожар следует песком и огнезащитной тканью.

5.Приборы должны иметь рабочую изоляцию, элемент для заземления.

6.В электроприборах имеются элементы, находящиеся под напряжением, поэтому запрещается самостоятельно вскрывать и ремонтировать их, а также работать с неисправными приборами.

7.После окончания работы необходимо отключить прибор от сети.

7

Лабораторная работа № 1 Тема: ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

Опыт 1. Определение степени набухания целлюлозы древесины в растворах щелочей

Цель работы:

1.Познакомиться с процессом набухания целлюлозы.

2.Определить степень набухания исследуемых образцов целлюлозы в растворах щелочей.

Теоретическая часть

При действии на целлюлозу растворов щелочей происходят как структурные и химические изменения, так и физико-химические процессы. Последние приводят к интенсивному набуханию целлюлозы (увеличивается диаметр целлюлозного волокна и его длина) и к ее частичному растворению (неограниченному набуханию).

Природная целлюлоза не растворяется в растворах щелочей, а только набухает. Большинство технических целлюлоз имеют более высокую способность

кнабуханию, чем природная целлюлоза, и могут частично растворяться в щелочах. Это связано с тем, что в процессе переработки у целлюлозы снижается степень полимеризации и появляются новые карбонильные и карбоксильные группы. Кроме того, в технических целлюлозах всегда содержатся нецеллюлозные примеси (гемицеллюлозы, лигнин, смолы и жиры), способные растворяться в щелочах.

Способность целлюлозы к набуханию и растворению в растворах гидроксида натрия имеет важное техническое значение, особенно в вискозном производстве и при получении простых эфиров целлюлозы.

Для характеристики способности целлюлозы к набуханию в растворах гидроксида натрия используют такой показатель как степень набухания. Это показатель качества технической целлюлозы, характеризующий способность её

кнабуханию, определяемый по приращению массы образцов целлюлозы в 17,5 %-м растворе гидроксида натрия, в процентах.

Вводе целлюлоза набухает значительно меньше, чем в растворах щелочей, но способность целлюлозы к набуханию в воде имеет важное значение в производстве бумаги и картона.

8

Набухание целлюлозы в растворах щелочей – сложный физикохимический процесс. Важнейшими факторами, оказывающими влияние на степень набухания целлюлозы, являются структура волокна, природа и концентрация реагента и температура. Степень набухания древесных технических целлюлоз значительно ниже, чем хлопковых.

Важную роль при набухании играет концентрация раствора гидроксида натрия. В очень концентрированных растворах степень набухания целлюлозы уменьшается. Концентрация раствора щелочи, при которой происходит максимальное набухание, зависит от природы целлюлозы и температуры ее обработки. С понижением температуры степень набухания целлюлозы в растворах увеличивается, так как набухание целлюлозы в щелочи – процесс экзотермический.

Реактивы и оборудование

1.Пробойник для вырубания кружков целлюлозы диаметром 30 + 1 мм с отверстием 9 + 1 мм.

2.Прибор для определения набухания целлюлозы (рис. 1).

3.Водяной термостат.

4.Секундомер.

5.Термометр.

6.Технические весы.

Экспериментальная часть

Сущность метода заключается в определении приращения массы целлюлозы при её набухании в растворах гидроксида натрия, в процентах. Испытания проводят в соответствии с ГОСТом 7516 – 85 на приборе (см. рис. 1), состоящем из стеклянного цилиндра с двумя дырчатыми пластинами из нержавеющей стали.

Из подготовленных листов целлюлозы, предназначенной для определения степени набухания, вырубают с помощью пробойника или вырезают вручную образцы целлюлозы в виде кружков диаметром 30 + 1 мм с отверстием в центре кружка диаметром 9 + 1 мм. Края кружков должны быть ровными.

Стержень с двумя пластинами взвешивают на технических весах с точностью до 0,02 г, нанизывают на него 10 кружков целлюлозы и снова взвешивают. По разности находят массу кружков целлюлозы. Затем стержень из целлюлозы помещают в стеклянный цилиндр, в который предварительно заливают 70 мл

9

17,5 %-го раствора NaOH при температуре 20 + 2 оС, и закрепляют зажимом в крышке прибора таким образом, чтобы нижняя пластинка находилась на расстоянии около 5 мм от дна цилиндра. Цилиндр помещают в водяной термостат для поддержания температуры раствора гидроксида натрия в течение всего процесса набухания 20 + 2 оС. После пятиминутного набухания стержень с кружками целлюлозы поднимают и закрепляют в крышке цилиндра так, чтобы целлюлоза находилась выше уровня щелочи. В течение 5 минут дают стекать избытку щелочи с целлюлозы. Затем стержень с целлюлозой вынимают из цилиндра и осушают фильтровальной бумагой стержень над верхней пластинкой, наружные стенки и отверстия пластин. Следует избегать прикосновения фильтровальной бумаги к образцам целлюлозы и их придавливания. После этого стержень с набухшей целлюлозой и пластинками взвешивают.

Рис. 1. Прибор для определения набухания целлюлозы

Степень набухания по массе, %, рассчитывают по формуле

где m2 – масса стержня с пластинками и кружками целлюлозы после набухания, г;

m1 – масса стержня с пластинками и кружками целлюлозы до набухания, г; m – масса стержня с пластинками, г.

10

Расхождение между двумя параллельными определениями не должно превышать 20 %.

Вопросы для самоконтроля и повторения

1.Какие процессы протекают при действии на целлюлозу растворов щелочей?

2.В чем причина различной растворимости природной и технической целлюлозы в растворах щелочей?

3.Что такое степень набухания целлюлозы?

4.Какое значение имеет процесс набухания целлюлозы в воде?

5.Какое техническое значение имеет способность целлюлозы к набуханию и растворению в растворах щелочей?

6.Какиефакторывлияютнапроцесснабуханияцеллюлозыврастворахщелочей?

7.Как изменяется степень набухания целлюлозы в растворах с понижением температуры?

Лабораторная работа № 2

Тема: ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ ДРЕВЕСИНЫ (ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ЕЁ ПРОИЗВОДНЫХ)

Цель работы:

1.Ознакомиться с химическими свойствами целлюлозы.

2.Осуществить кислотный гидролиз целлюлозы в медно-аммиачном растворе.

Теоретическая часть

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

Строение макромолекулы целлюлозы изображается формулой