Faanyagkémia-kémiai szerkezet, reakciók

Bevezetés
1. A faanyag kémiai összetétele
1.1. Elemi összetétel
1.2. A faanyag kémiai összetevői
1.2.1. Makromolekulás komponensek
1.2.2. Kismolekulás vegyületek
1.3. A fa kémiai összetevőinek elválasztása
1.3.1. A szénhidrátfrakció kinyerése (Holocellulóz-elválasztás)
1.3.2. A cellulóz kinyerése
1.3.3. A poliózok elválasztása (Hemicellu1óze1vá1asztás)
1.3.4. A lignin elválasztása
2. A cellulóz
2.1. A cellulóz kémiai felépítése
2.2. A cellulóz mint makromolekula
2.3. A celldóz szupermolekuáris szerkezete
2.3.1. A cellulóz kristályszerkezete
2.3.2. A cellulóz polimorfiája
2.3.3. A ceflulóz kristályossági foka
2.3.4. A cellulóz fibrilláris szerveződése
2.4. A cellulóz fizikai-kémiai tulajdonságai
3. Poliózok (Hemicellulóz)
3.1. Apoliózok kémiai felépítése
3.1.1. Xilanok
3.1.2. Mannánok
3.1.3. Glükánok
3.1.4. Galaktánok
3.1.5. Pektinek
3.2. A poliózok szerepe és elhelyezkedése a fában
A lignin
A lignin elemi és molekuláris szerkezete
A lignin makromolekuláris szerkezete
A lignin makromolekula szerkezete és tulajdonságai
A lignin fizikai tulajdonságai
A lignin a fában
Lignin-szénhidrát kapcsolatok

Járulékos anyagok (Extraktanyagok)
Általános jellemzés, Csoportosítás
Az egyszerű fenolok és lignánok
Fiavonok, flavonoidok és kondenzált tanninok
Flavonoidok
A tanninok csoportosítása
Hidrolizálható tanninok
A kondenzált tanninok
A flavonoidok színmeghatározó szerepe
Stilbének és kinonok
Stilbének
Kinonok
Terpének és gyanták
Fogalomkör és csoportosítás
Monociklikus monoterpének
A biciklikus monoterpének
A monoterpének oxigéntartalmú származékai
A szeszkviterpének
A diterpének
A gyantasavak
A triterpének és szteroidok
Szteroidok
Politerpének
Zsírok, viaszok és származékaik
A járulékos anyagok hatása a faanyag tulajdonságaira és felhasználására
A faanyag tulajdonságaira kifejtett hatások és hatóanyagok
A fa színében és színváltozásában szerepet játszó vegyületek
Védőhatás a fotodegradációval szemben
Védőhatás biológiai károsítókkal szemben
Az extraktanyagok hatása a fa fizikai-mechanikai tulajdonságaira
A fa illata
Az extraktanyagok fiziológiai hatása.
Vegyülettípusok
5.7.2.1. Extraktanyagok mérgező és gyógyító hatása
5.7.2.2. Mérgező extraktanyagok
5.7.2.3. Allergén hatású extraktanyagok
5.7.2.4. Karcinogén hatású extraktanyagok
5.7.3. A technológiai folyamatokat befolyásoló hatások és vegyületek
5.7.3.1. A polimerizációs folyamatok inhibeálása
5.7.3.2. A polikondenzációs folyamatok befolyásolása
5.7.3.3. A cementkötés gátlása, gátló anyagok
5.7.3.4. Az extraktanyagok hatása a fafeltárási folyamatokra
6. A faanyag és fő kémiai összetevőinek reakciói
6.1. A cellulóz kémiai átalakítása. A cellulóz reakciói
-
6.1.1. Akemiaireakciokfeltetelei
6.1.2. A cellulóz kémiai reakciói
6.1.2.1. A cellulóz végcsoport reakciói
6.1.2.2. A cellulóz poliszacharid reakciói
6.1.3. A cellulóz poliol jellegéből adódó reakciók
6.1.3.1. A cellulóz oxidációja
6.1.3.2. A cellulóz dehidratációja
6.1.3.3. Alkáli-cellulóz, cellulóz adduktok
6.1.3.4. Cellulóz-észterek
6.1.3.5. Cellulóz-éterek
6.1.4. A cellulóz oltásos reakciói. Oltásos kopolimerek
6.2. A poliózok kémiai átalakítási lehetőségei
6.2.1. A poliózok kémiai reakciói
-
6.2.1.1. A pohozok láncvégi reakciói
6.2.1.2. A poliózok poliszacharid reakciói
6.2.1.3. A poliózok poliol reakciói
6.3. A lignin kémiai reakciói
6.3.1. Ligninreakciók savas közegben
6.3.1.1. A lignin színreakciói
6.3.2. Ligninreakciók bázikus közegben
6.3.2.1. A lignin degradációs reakciói
6.3.2.2. A hgnin kondenzacios reakcioi
6.3.3. A lignin oxidációs reakciói
6.3.3.1. A lignin oxidációja elektrofil niechanizmusú folyamatban
6.3.3.2. A lignin oxidációja nukleofil mechanizmusú folyamatban
6.3.3.3. A lignin oxidációja gyökös mechanizmusú folyamatban
6.3.4. A lignin hidroxilcsoportjainak reakciói
6.3.5. Ligninbázisú polimerképzés kémiája
6.3.5.1. A lignin intermolekuláris kondenzációja
6.3.5.2. A lignin térhálósítása aldehidekkel
6.3.5.3. A lignin homo-éskopolirnerizációja
6.3.5.4. A hgnin terhalositasa izocianatokkal
6.4. A faanyag kémiai módosítása
6.4.1. A faanyag éterezési reakciói
6.4.2. A faanyag észterezési reakciói
6.4.3. A faanyag plasztifikálása
6.4.4. A fafelület módosítása és aktiválása
6.4.4.1. A fafelület aktiválása
6.4.4.2. A felületi réteg termoplasztifikálása
7. Víz a faanyagban
7.1. A víz szorpciója a fában
7.1.1. A vízszorpció termodinamikai alapjai
7.1.1.1. A szorpciós hő
7.1.2. A víz szorpciós elmélete
7.1.2.1. Szorpciós izotermák
7.1.3. A víz szorpciója a fában
7.1.4. A víz szorpciójának csökkentési lehetőségei
Irodalom

A faanyag kémiai összetétele
.............................

1.1. Elemi összetétel

A faanyag anatómiai felépítésének elemzése alátámasztja azt a vizuális vizsgálat alapján is levonható következtetést, hogy a szerkezeti felépítést tekintve egy meglehetősen inhomogén rendszerrel van dolgunk. A faanyag kémiai elemzésének első jelentős problémáját is ez a tény határozza meg. A kémiai elemzést két nézőpontról megközelítve hajthatjuk végre. Az egyes, morfológiailag elkülöníthető részek összetételének vizsgálatából kiindulva, vagy a faanyag mint kémiai, energetikai, szerkezeti anyagforrás oldaláról indítva. Mindkét elemzési formának megvan az indoka, magyarázata, előnye és a rendszer jellegéből eredő hátránya.
A morfológiailag elkülöníthető részek kémiai elemzése a faanyag finomfelépítésének és az ebből adódó sajátságoknak a kémiai magyarázatát adja meg. Ilyen módon hozhatók kapcsolatba a biokémiai folyamatok a szerkezeti elemekkel és felépítéssel. A morfológiai részek kémiai felépítésének ismeretében adható csak válasz a faanyag számos, a gyakorlati felhasználás szempontjából is fontos tulajdonságára. A faanyagról így kapott kép azonban már az anatómiai felépítettség sokszínűsége, bonyolultsága következtében is igen összetett.
A faanyagot mint kémiai vagy energetikai anyagforrást tekintve egységesebb, egyszerűbb képre van szükség. A kémiai technológiai és energetikai folyamatokban az egyes anatómiai részek nem kezelhetők külön, bár anatómiai sajátságok a technológiai folyamatokat is befolyásolhatják. Ilyen megközelítésben a faanyagot — mint majd látni fogjuk — bonyolult összetételű, de egységes anyagnak tekinthetjük.
A faanyag a fotoszintézis végterméke. Ebből kiindulva tehát nem meglepő, hogy a végtermék, a faanyag összetétele a fotoszintézis kiinduló anyagainak, a szén-dioxidnak és a víznek elemösszetételét tükrözi. A felépítési folyamat, a fotoszintézis egységessége alapján érthető tehát, hogy különböző éghajlati klímában, eltérő termőhelyi viszonyok mellett, más-más korú fák elemi összetétele kis eltérést mutat. Különböző szerzők szerint a széntartalom 48,5 és 50,4%, az oxigéntartalom 43,4 és 44,5% és a hidrogéntartalom 5,8.. .6,3% között mozog.
A faanyag a biokémiai folyamatok eredményeképpen nitrogéntartalmú vegyületeket is tartalmaz, ezeknek mennyisége azonban csekély, így a faanyag nitrogéntartalma is alacsony, 0,04...0,26% közötti.


Az előzőek alapján a faanyag elemi összetétele sok esetben jó közelítéssel állandónak vehető.
A nitrogéntartalom elhanyagolásával
a széntartalom C—49,5%
a hidrogéntartalom H 6,3%
az oxigéntartalom 0—44,2%
Az atomi összetétel a tömegszázalékos összetételtől az atomtömegek különbözősége miatt némiképp eltér, de a számított értékek alapján sem állapítható meg egy „univerzális” vegyület a fa felépítése számára.
A faanyagban részben a biokémiai folyamatok eredményeképpen, részben a környezeti hatások következtében szervetlen anyagok is találhatók. A szervetlen anyagok jelentősebb része az életműködéshez szükséges makro- és mikrotápelemekből
származik. A szervetlen összetevők meghatározása a fa elégetése után visszamaradt hamutartalom és annak elemzése alapján történik. Az égés alatt lejátszódó folyamatokat figyelembe véve tehát a hamutartalom mennyisége kissé eltér a fában lévő szervet-
len anyagok mennyiségétől és minőségétől.
A hamu mennyisége a száraz fára vonatkoztatva 0,1...0,5% között mozog. A lombos fák hamutartalma általában magasabb, mint a fenyőké. A fán belül a szijács tartalmaz több hamut, mint a geszt. A kéreg a legmagasabb hamutartalmú, de a reális megítéléshez hozzátartozik, hogy a kérgen a legnagyobb a mechanikai szennyeződés lehetősége.
A faanyag hamujának fő összetevői: a kalcium, a kálium és a magnézium vegyületei. A kalcium mennyisége száraz fára számítva 800... 1100 ppm értéket ís elérhet, míg a káliumé 200... 1000 ppm és a magnéziumé 100.. .200 ppm között mozog.
A többi elem koncentrációja 50 ppm alatt van a faanyagban, ezért ezeket nyomelemeknek nevezik. A 12 legfontosabb nyomelem a Ba, Al, Fe, Zn, Cu, Ti, Pb, Ni,V, Co, Ag és a Mo, melyek a biokémiai folyamatokban töltenek be fontos szerepet.
Az előzőek mellett további több mint 50 elemet határoztak meg a fákban, elsősorban neutronaktivációs analízissel. Az elemeket a fában lévő mennyiségük alapján 0,001...1000 ppm-en belül több csoportba szokták sorolni. Érdekességként említhető még ezeken belül az arany, a lantanoidák és a bróm.
A mikroelemek feldúsulása a faanyagban a biokémiai tényezők mellett elsősorban a talaj kémiai összetételétől függ. A faanyag szervetlen elemének mennyiségben emellett azonban a fajtabeli adottságok is szerepet játszanak.
A mikroelemek feldúsulását a környezet, így a környezetszennyezés is befolyásolja . Az útmenti talajokból az ólom, valamint az utak sózásától származó elemek is bejutnak a faanyagba. A levegő szennyező anyagai közül a kén és fluor feldúsulása mutatható ki. A radioaktív mikroelemek feldúsulását lehetett meghatározni
nukleáris robbantások, valamint reaktorbalesetek után.
Egyes trópusi fafajokban jelentős szilícium-dioxid-tartalmat határoztak meg, melynek a fa ellenálló képességét befolyásoló hatásával kapcsolatban nem egyértelműek a kutatási eredmények.
A faanyag hamujában meghatározható szervetlen vegyületek összetétele a legtöbb esetben nem egyezik meg a fában lévő szervetlen anyagok összetételével. A hamutartalom meghatározása során oxidatív folyamatok játszódnak le, melyeknek eredményeképpen elsősorban oxidok keletkeznek, ill. a reakciáképes oxidokból karbonátok és szulfátok. A hamu kémiai összetételét bemutató adatok tehát csak utalnak a faanyagban lévő szervetlen anyagok minőségére. A mennyiségi viszonyokat viszont egyértelműen tükrözik, jól meghatározott vizsgálati feltételek esetében.
A faanyag elemi összetételéből a kémiai felépítésére nem lehet következtetni. Egyértelmű az összetétel alapján, hogy a faanyag szerves anyag, melynek termikus stabilitása korlátozott. Az összetétel alapján nemcsak az éghetőség, hanem az égéskor felszabaduló hőmennyiség is meghatározható, mely a faanyag energiaforrásként való felhasználhatóságáról ad felvilágosítást.
Az elemi összetétel arra is utal, hogy a faanyag jelentős szénforrás, mégpedig szerves kötésben, ami viszont azt határozza meg, hogy a faanyag értékes szerves kémiai anyagforrás.
A szervetlen elemek mennyisége a faanyagban mint láttuk csekély. Sajnos ez nem akadályozta az emberiséget hosszú évszázadokon keresztül, hogy a faanyagot az elégéskor keletkező fahamuban lévő kálium-karbonát lúgos hatásának kihasználása miatt óriási mennyiségben elégesse.