CC BY
5ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИЛИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ ДИХЛОРДИМЕТИЛСИЛАНОМ
Н.Г. Комарова, Е.С. Струлева
Исследовано влияние предварительной обработки древесины осины и условий химического модифицирования (продолжительности и температуры) на прирост массы и содержание связанного кремния.
Ключевые слова: силилирование, древесина осины, дихлордиметилсилан, кремнийорга-нические соединения
ВВЕДЕНИЕ
Древесина нашла широкое применение в различных отраслях [1].
Она применялась сначала в деревообрабатывающей промышленности, в углежжении и смолокурении. По мере развития химической науки и технологии древесина стала использоваться как химическое сырье.
В связи с возрастанием объема отходов деревообрабатывающих производств перед исследователями стоит задача поиска новых методов их переработки. Сокращение объемов образующихся отходов лесозаготовок за счет разработки и внедрения малоотходной и безотходной технологии, а также переработка остатков сырья в ресурсосберегающих производствах позволяет более полно использовать биологическую массу дерева и таким образом сохранить значительное количество растущего леса как источника сырья и части окружающей среды.
В научной литературе имеются сведения, в основном, о поверхностном модифицировании (путем пропитки) изделий из древесины различными кремнийорганическими соединениями, с целью придания им ценных эксплуатационных свойств, таких как огнестойкость, погодоустойчивость, формоустой-чивость, износостойкость и так далее [2].
В последние годы все больше растет интерес к глубокому химическому модифицированию древесины. Применение реакций си-лилирования для модифицирования древесины и древесных материалов объясняется увеличением гидрофобности и водостойкости обработанных объектов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве силилирующего агента был использован дихлордиметилсилан. Для проведения данной работы опилки древесины осины просеивались на ситах и отбиралась фракция 0,63-1,25мм.
В ходе исследования разработаны две схемы модифицирования, различающиеся способами предварительной подготовки сырья. В качестве предварительной обработки использовали предгидролиз и взрывной автогидролиз.
Перед проведением предгидролиза из древесины были удалены экстрактивные вещества в аппарате Сокслета спиртобензоль-ной смесью в течение восьми часов. Затем опилки были подвергнуты собственно пред-гидролизу 1 % - ным раствором серной кислоты в течение четырех часов (с целью удаления гемицеллюлоз древесины) [3].
Также была произведена предварительная обработка опилок древесины методом взрывного автогидролиза.
Автогидролиз включает кратковременную обработку древесины водяным паром и последующий моментальный сброс давления - «выстрел» обработанной древесины из реактора, поэтому процесс получил название «взрывной автогидролиз». Преимуществом данного процесса по сравнению с автогидролизом, проводимым в других условиях является то, что он протекает быстрее (в течение нескольких минут), причем в меньшей степени разлагаются моносахариды и в меньшей мере конденсируется лигнин. Это позволяет при экологически мало вредном процессе добиться довольно высокой степени разделения лигнифицированной растительной биомассы на основные компоненты: геми-целлюлозы в виде водного раствора, лигнин и техническую целлюлозу, содержащую остатки гемицеллюлоз и лигнина.
При воздействии высокотемпературного водяного пара на древесный комплекс отщепляются ацетильные группы, которые способствуют мягкому кислотному гидролизу ге-мицеллюлоз, а декомпрессия обеспечивает разволокнение древесного сырья.
В данной работе взрывной автогидролиз проводили при температуре 190 °С в течение десяти минут. Выбор схемы модифицирования в основном определяется техническими возможностями (наличием установки взрыв-
ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИЛИРОВАНИЯ ОТХОДОВ ДРЕВЕСИНЫ ОСИНЫ ДИХЛОРДИМЕТИЛСИЛАНОМ
ного автогидролиза) и необходимостью введения определенного количества кремния.
Проведен качественный и количественный анализ полученного продукта на содержание связанного кремния, а качественной реакцией Бельштейна установлено наличие связанного хлора.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе исследования было рассмотрено влияние предварительной обработки и условий модифицирования на прирост массы и содержание кремния в продуктах.
При увеличении продолжительности процесса от одного до восьми часов и температуре от 20 до 70 °С значения прироста массы и содержания кремния в случае модифицирования древесины, подвергнутой пред-гидролизу, проходят через максимум, либо зависимость имеет возрастающий характер, как видно на рисунках 1 и 2.
Рисунок 1. Зависимость содержания связанного кремния от температуры в предгидроли-зованной древесине при продолжительности модифицирования от 1 до 8 часов
Однако температура процесса не может быть повышена, так как ограничивается температурой кипения диметилдихлорсилана.
,Содержание кремния, %
1
Время^ч
Рисунок 2. Зависимость содержания кремния от продолжительности модифицирования в предгидролизованной древесине при температуре модифицирования от 20 до 70 °С
Очевидно, для достижения максимума необходимо изменение давления, что влечет значительное усложнение оборудования и проведение дополнительных исследований. Из полученных данных следует, что наибольшие значения прироста массы и содер-
жания связанного кремния были достигнуты при температуре 60 °С и продолжительности процесса четыре часа, следовательно, эти условия являются оптимальными по приросту массы и содержанию связанного кремния для процесса силилирования древесины осины, подвергнутой предгидролизу.
При увеличении продолжительности более четырех часов наблюдалось уменьшение прироста массы и содержания кремния, и дальнейшее увеличение продолжительности процесса нецелесообразно. Возможно, большая продолжительность при достаточно высоких для данной системы температурах приводит к преобладанию деструктивных процессов. Вероятно сильнополярные комплексы, инициирующие силилирование, при высоких температурах деструктируют, активного катиона не образуется и на практике мы можем наблюдать снижение прироста массы и содержания связанного кремния.
В случае силилирования древесины осины, подвергнутой взрывному автогидролизу максимальное значения, как видно на рисунках 3 и 4, содержание связанного кремния (7,8 %) было достигнуто при 50 °С и четырехчасовой продолжительности процесса, и прирост массы при этом тоже достаточно высок (12,6 %). Из этих данных можно сделать вывод о том, что эти условия являются оптимальными по приросту массы и содержанию кремния.
I ^Содержание кремния, %
\ 5
ч
л
V
Г.
Тем 1ература, С
10 20 30 40 50 60 70 80
Рисунок 3. Зависимость содержания связанного кремния от температуры в древесине, подвергнутой взрывному автогидролизу
1 ^Содержание кремния, %
•. 3
х.
5,-»-—
г ■
■ : т
Время,ч
123456789
Рисунок 4. Зависимость содержания связанного кремния от продолжительности модифицирования в древесине, подвергнутой взрывному автогидролизу
4
6
6
8
2
5
4
3
6
2
0
2
3
45
6
7
8 9
2
6
КОМАРОВА Н.Г., СТРУЛЕВА Е.С.
Сопоставляя две схемы модифицирования (с предгидролизом и со взрывным автогидролизом), можно сделать вывод, что схема с применением взрывного автогидролиза позволяет получать более высокие показатели при значительном сокращении продолжительности процесса. Продолжительность самого взрывного автогидролиза меньше, чем предгидролиза. Отсутствие участия различных опасных и вредных химических веществ в процессе взрывного автогидролиза также является его несомненным достоинством.
По экономическим оценкам взрывной автогидролиз - один из наиболее дешевых и эффективных методов переработки древесного сырья. Экологическая чистота и принципиальная простота этого метода говорят в пользу его развития, и у специалистов не возникает сомнений, что применение взрывного автогидролиза позволит в значительной мере решить проблему использования отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.
Сравнивая реакционную способность древесины осины, подвергнутой взрывному автогидролизу, и древесины осины, подвергнутой предгидролизу, в реакциях с диметил-дихлорсиланом, можно сделать вывод, что подвергнутая взрывному автогидролизу древесина осины более полно взаимодействует с силилирующим агентом, что очевидно связано с более высокой доступностью гидро-ксильных групп. Поэтому реакцию модифицирования древесины осины, подвергнутой
взрывному автогидролизу, можно проводить в менее жестких условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено силилирование предгидроли-зованной древесины осины и древесины осины, подвергнутой взрывному автогидролизу, дихлордиметилсиланом.
Исследовано влияние продолжительности и температуры процесса силилирования предгидролизованной древесины осины ди-хлордиметилсиланом на прирост массы и содержание кремния. Определены оптимальные условия проведения процесса модифицирования: продолжительность силилирования 4 часа, температура 60 °С.
Изучено влияние продолжительности и температуры процесса силилирования древесины осины, подвергнутой взрывному автогидролизу дихлордиметилсиланом на прирост массы и содержание кремния. Определены оптимальные условия процесса модифицирования: продолжительность силилиро-вания 4 часа, температура 50 °С.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Никитин В.М. Химия древесины и целлюлозы. -М., СПб.: Гослесбумиздат, 1960. - 654 с.
2. Комарова Н.Г., Новикова О.В. // Ползуновский вестник. - 2006. - №3. - С. 147-152.
3. Оболенская А.В., Ельницкая З.П., Леонович А.А. Лабораторные работы по химии древесины и целлюлозы. - М.: Экология, 1991. - 320с.
