Главная
страница 1

На правах рукописи




Полина Ирина Николаевна



ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛИГНИНА

МЕТОДАМИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

05.21.03 – Технология и оборудование химической

переработки биомассы дерева; химия древесины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата химических наук

Архангельск – 2008

Работа выполнена в лаборатории физикохимии лигнина Института химии Коми научного центра УрО РАН

Научный руководитель: доктор химических наук,

Карманов А. П.

Официальные оппоненты: доктор химических наук

Афанасьев Николай Иванович
кандидат химических наук

Бровко Ольга Степановна

Ведущая организация: Алтайский государственный университет

г. Барнаул

Защита диссертации состоится 5 декабря 2008 года в «10» часов на заседании диссертационного совета Д.212.008.02 в Архангельском Государственном Техническом Университете по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17.

Тел. (8-8282) 21-89-48

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского Государственного Технического Университета.

Автореферат разослан « » 2008 года.

Отзывы на автореферат, заверенные подписями и печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, Набережная Северной Двины, 17, АГТУ, диссертационный совет Д.212.008.02.

Ученый секретарь диссертационного

совета, кандидат химических наук, доцент

Скребец Т.Э.




Введение

Актуальность. Исследования структурной организации растительных биополимеров создают научную основу технологических процессов химической переработки древесины и ее компонентов. В настоящее время промышленное использование лигнинов ограничено техническими лигнинами гваяцильного типа, на основе которых выпускают энтеросорбенты и онкопротекторные препараты, тогда как лигнины других типов практически не применяются. Исследования, проведенные Фрейденбергом и его последователями, показали изменчивость и многовариантность химической структуры природных лигнинов, особенности которой зависят от многих факторов. В связи с этим успешное решение задачи о комплексном и рациональном использовании различных видов растительного сырья может быть обеспечено лишь на базе глубокого познания природных лигнинов различного ботанического происхождения на различных уровнях структурной организации. Одной из нерешенных проблем химии древесины остается проблема топологии полимерных цепей макромолекул лигнина. Актуальными задачами в этом плане являются установление гидродинамических свойств и фрактальных параметров, а также скейлинговых индексов изолированных лигнинов, выделенных из различных пород древесины. Изучение структурных особенностей лиственных лигнинов и их физико-химических свойств является фундаментом для решения прикладных задач, направленных на рациональное и комплексное использование растительного сырья.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР Института химии Коми НЦ УрО РАН по темам: «Исследование структуры, физико-химических свойств и закономерностей образования макромолекул природного лигнина» № Г.Р. 01.960.010010 и «Структурная организация, полимерные свойства и применение лигнина и других биополимеров растительного происхождения» № Г.Р. 01. 2.00102726 в рамках проблемы 3.4. «Научные основы процессов полимеризации, структура и физико-химические свойства полимерных веществ и макромолекул синтетического и природного происхождения» (Перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований. Постановление Президиума РАН №7 от 13.01.98).



Целью работы является характеристика химической и топологической структуры макромолекул диоксанлигнина древесины рябины Sorbus aucuparia.

В соответствии с целью работы были выдвинуты следующие задачи:



  1. Выделение и химическая характеристика лигнина древесины рябины Sorbus aucuparia (ДЛР);

  2. Исследование гидродинамических и конформационных свойств макромолекул в разбавленных растворах лигнина;

  3. Определение фрактальных и топологических параметров полимерных цепей лигнина;

  4. Исследование поведения макромолекул лигнина в растворе при изменении состава растворителя и температуры.

Научная новизна. Получены новые экспериментальные данные о макромолекулярных свойствах лигнинов гваяцилсирингильного типа на примере лигнина древесины рябины Sorbus aucuparia. На основании изучения фракций лигнина определены гидродинамические характеристики – коэффициенты поступательной диффузии, скоростной седиментации и характеристической вязкости макромолекул ДЛР в диметилформамиде (ДМФА), а также параметры молекулярно-массового распределения лигнина. Показана молекулярная дисперсность полимерной системы и установлена идентичность гидродинамического поведения в седиментационных и вискозиметрических экспериментах. Выявлена взаимосвязь между молекулярными массами фракций и гидродинамическими параметрами, указывающая на выполнимость принципа скейлинга. Определены скейлинговые индексы в уравнении Марка-Куна-Хаувинка и рассчитаны фрактальные параметры макромолекул ДЛР. Показано, что макромолекулы ДЛР в ДМФА находятся в конформации набухшего непротекаемого клубка. На основании сопоставления гидродинамических, скейлинговых и фрактальных характеристик фракций ДЛР сделан вывод, что лигнин древесины рябины Sorbus aucuparia относится к классу звездообразных полимеров. Выявлены температурно-концентрационные эффекты гидродинамического поведения фракций лигнина и установлено, что повышение температуры в интервале от 25 до 85 С приводит к снижению гидродинамических радиусов макромолекул ДЛР. Исследовано влияние добавок низкомолекулярной соли LiCl на вискозиметрические свойства фракций ДЛР, и обнаружен эффект значительного разбухания макромолекул ДЛР в системе ДЛР–ДМФА–LiCl.

Практическая значимость. Результаты гидродинамических исследований дополняют информационную базу данных о топологической структуре природных лигнинов. Материалы диссертации рекомендуется использовать в научно-исследовательской практике при изучении полимерных свойств природных лигнинов различного таксономического происхождения и в учебном процессе в высших учебных заведениях химического, химико-технологического и лесохимического профилей. Представленные данные найдут применение в работах технологического направления с целью рационального использования биополимеров растительного сырья и станут научной основой для разработки и получения новых продуктов, имеющих широкий спектр практического использования.

На защиту выносятся:

  • Результаты исследования макромолекулярных свойств диоксанлигнина рябины методами молекулярной гидродинамики;

  • Результаты анализа фрактальных свойств ДЛР;

  • Экспериментальные данные о влиянии состава и температуры на поведение системы ДЛР – ДМФА.

Апробация работы. Материалы исследований обсуждались на конкурсе лучших научно-исследовательских и прикладных разработок, выполненных в Институте химии Коми НЦ УрО РАН в 2001 году в номинации “фундаментальные работы” по направлению “органическая химия” (г. Сыктывкар); на Межрегиональной молодежной научной конференции “Севергеоэкотех-2002” (г. Ухта, 2002 г.); на 12- ой Коми Республиканской научной конференции студентов и аспирантов (г. Сыктывкар, 2002 г.); на научно-практической конференции «Февральские чтения» (г. Сыктывкар, 2007 г.); на 2–ой Международной конференции «Физикохимия лигнина» (г. Архангельск, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 статьи и 5 тезисов докладов.

Объем и структура работы. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 22 таблиц, 36 рисунков и состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов и выводов. Список литературы содержит 119 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В литературном обзоре изложены современные представления о химической структуре природных лигнинов, выделенных из хвойных, лиственных и травянистых растений. Приведены литературные данные об элементном и функциональном составе малоизмененных лигнинов. Проанализированы результаты исследования лигнинов методами вискозиметрии, скоростной седиментации и поступательной диффузии. Показано, что методы молекулярной гидродинамики позволяют установить конформацию макромолекул лигнинов в растворах и топологическую структуру полимерных цепей. Отмечено, что наибольшее число ранее проведенных работ посвящено изучению лигнинов гваяцильного типа, выделенных их древесины хвойных пород. На основе анализа литературных данных сформулированы цели и задачи исследования.

В экспериментальной части диссертационной работы приведены характеристики древесного сырья, использованного для выделения образцов лигнина. Описана методика выделения лигнинов диоксановым методом и способ фракционирования препаратов. Приводится подробное описание гидродинамических методов исследования, использованных в работе, а также методов спектрального анализа.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

  1. Исследование химической структуры лигнинов

В соответствии с целью работы основным объектом исследования является диоксанлигнин, выделенный из древесины рябины обыкновенной Sorbus aucuparia (ДЛР). Для повышения достоверности выводов нами был исследован также другой препарат лиственного лигнина, который был выделен из ореховой древесины Juglans regia (ДЛО).

Как показали данные элементного состава и содержания основных функциональных групп, лиственные лигнины ДЛР и ДЛО по химической структуре отличаются незначительно. Установлено, что исследуемые лигнины характеризуются существенно более высоким содержанием кислородсодержащих функциональных групп, в первую очередь метоксилов ОСН3, и более низким содержанием углерода, чем хвойные лигнины (таблица 1).

Таблица 1 – Характеристика химической структуры лигнинов, % масс


Образец

Углерод

Водород

Кислород

ОСН3

СООН

ДЛО

57,6

5,6

36,8

21,9

4,1

ДЛР

57,7

5,9

36,4

21,2

3,3

ДЛЛ*

63,3

6,4

30,3

15,5

1,5

ДЛЛ* – диоксанлигнин древесины лиственницы Larix sibirica (Кузьмин Д.В., 2004 г.)

Спектры ЯМР 13С подтверждают наличие существенных различий по химической структуре препаратов лиственных (ДЛР, ДЛО) и хвойных (ДЛЛ) лигнинов (рисунок 1).

а

б




в

Рисунок 1 – Спектры ЯМР 13С препаратов ДЛР (а), ДЛО (б) и ДЛЛ (в).



Во-первых, характерной особенностью ЯМР 13С спектров лиственных лигнинов ДЛР и ДЛО является наличие резонансного сигнала с двумя вершинами в области 59–61 м.д., характерного для углерода метоксильных групп в гваяцильных и сирингильных структурах. Во-вторых, в области сигналов ароматических атомов углерода: 103–107 м.д. для ДЛР находятся пики, соответствующие резонансным сигналам третичных атомов ароматического кольца (С-2 и С-6) с метоксильными группами в орто-положении. Для ДЛЛ в данной области сигналы отсутствуют (рисунок 1). В-третьих, для ДЛР в области 142–160 м.д. находятся резонансные сигналы ароматических атомов, связанных с атомами кислорода, в том числе с метоксильными группами. Хвойный лигнин ДЛЛ интенсивные сигналы в области 150–160 м.д. не имеет. Наличие этих особенностей свидетельствует о том, что хвойный лигнин и лиственные лигнины (ДЛР и ДЛО) относятся к лигнинам различных классов.

Как показывает оценка мономерного состава полимерных цепей, лигнин ДЛР характеризуется наличием трех типов структурных единиц – гваяцильных, сирингильных и п-кумаровых, причем содержание G- и S-структур практически одинаково и достигает в сумме почти 90 единиц из 100. В отличие от ДЛР и ДЛО, лигнины хвойных пород имеют более однородную структуру, с преобладанием гваяцильных единиц.

На основании данных ИК-спектроскопии, в рамках хемотаксономической классификации Кавамура-Хигуши, показано, что ДЛР и ДЛО относятся к лигнинам класса L, а ДЛЛ – к лигнину класса N. В первом случае об этом свидетельствует выполнимость следующих спектральных критериев: А15001460; А12701123; А1130А1030; А1130 – max; наличие пиков при 924 и 1320 см-1; во втором случае: А1500А1460; А1270А1123; А1130А1030; А1270 – max; отсутствие пиков при 924 и 1320 см-1.


  1. Гидродинамические свойства и топологическая структура макромолекул лигнина

Фракционирование лигнина ДЛР проводили методом дробного осаждения в системе диоксан–бензол. Каждую из фракций, а также нефракционированный образец исследовали с помощью методов молекулярной гидродинамики: капиллярная вискозиметрия, поступательная диффузия и скоростная седиментация. Растворитель – ДМФА. Измерения выполняли при 298 К. Коэффициенты скоростной седиментации S были измерены на ультрацентрифуге МОМ-3180 в двухсекторной полиамидной кювете с образованием искусственной границы при 48000 об/мин (рисунок 2). Определения проводились при концентрации растворов 310-3 г/cм3. Влияние концентрации на значение коэффициента седиментации не учитывали, поскольку критерий Дебая с[] 1.



Рисунок 2 – Зависимость Δlnx (х – координата максимума границы) от времени седиментации для фракций ДЛР.



Рисунок 3 – Временная зависимость дисперсии (S/H)2 для ряда фракций ДЛР.

Коэффициенты диффузии D определяли классическим методом максимальной ординаты и площади с использованием аналитической ультрацентрифуги при 5000 об/мин (рисунок 3).

Вязкости растворов измеряли стандартным методом в капиллярном вискозиметре Оствальда со временем истечения растворителя 43,4 сек при 298К. Концентрацию растворов изменяли в интервале от 0,02 до 0,07 г/см3 , что обеспечило соблюдение неравенств с[]1 и отн1,1. Расчет [] проводили стандартным методом по уравнению Хаггинса с учетом поправки на плотность растворов: []=[]изм./0. Молекулярную массу (ММ) определяли методом Сведберга, который, как известно, относится к «абсолютным» методам, не требующим привлечения каких-либо косвенных данных или модельных представлений, при этом используется комбинация двух независимо определяемых гидродинамических характеристик макромолекулы – коэффициента диффузии D и константы седиментации S, входящих в уравнение Сведберга.

В таблице 2 представлены значения ММ и основных гидродинамических параметров для исследованных систем: лигнин-ДМФА. Молекулярные массы МD фракций ДЛР изменяются в пределах от 2,5´103 до 20,4´103. По результатам фракционирования (массовые доли Wi и MDh фракций) рассчитывали ММ разного усреднения и параметры полидисперсности, которые составили следующие величины: Mw=11,4103, Mn=8,1103, Mz=13,8103, Mw/Mn =1,4, Mz/Mw =1,2 для ДЛР.

Таблица 2 – Гидродинамические параметры ДЛР





[],

см3



D107, см2

S107,

с


МSD10-3

МD10-3

А0·1010,

эргК-1моль-1/3



1

12,9

7,5

2,11

21,2

20,4

2,8

2

11,4

8,6

1,78

15,6

15,3

2,7

3

10,1

9,4

1,66

13,3

13,2

2,7

4

8,0

10,9

1,49

10,3

10,7

2,7

5

7,6

11,7

1,39

8,9

9,1

2,7

6

6,8

12,3

-

-

8,8

-

7

5,6

13,7

-

-

7,7

-

8

4,7

16,0

-

-

5,8

-

9

3,5

23,3

-

-

2,5

-

н,ф,*

7,8

12,1

-

-

7,9

-

н.ф.* – нефракционированный образец.

Установлено, что характеристическая вязкость [h] увеличивается с ростом ММ, что отражает возрастание гидродинамических радиусов и, соответственно, величины коэффициента вращательного трения макромолекул. В то же время величины [] всех фракций лигнина ДЛР сравнительно невелики. В частности, при МSD = 21,2103 (фракция 1) значение [] составляет 12,9 см3/г, а вязкость исходного нефракционированного образца ДЛР составляет 7,8 см3/г при Мw = 11,4103. Хвойные лигнины, в отличие от лиственных, характеризуются весьма высокой плотностью макромолекулярного клубка, превышающей аналогичные характеристики для типичных линейных макромолекул, а также исследуемого лигнина ДЛР. Об этом свидетельствуют расчеты так называемой степени глобулярности, оцениваемой как отношение объема гипотетической глобулы с данной ММ и плотностью 1/`v к объему макромолекулярного клубка с гидродинамическим радиусом rH, рассчитанным по уравнению Стокса-Эйнштейна. По нашим данным степень глобулярности препарата ДЛР равна 18%, тогда как для хвойных лигнинов достигает 40 % и более. По Горингу макромолекулы лигнинов моделируются жесткими сферами Энштейна. В данном случае эта концепция не применима, что подтверждается расчетом коэффициентов набухания q, найденных по соотношению q=0,4[] /`v. Согласно расчетам, значения q для высокомолекулярных фракций ДЛР достигает 7–11. Лигнины древесины хвойных пород при прочих равных характеризуются существенно меньшими значениями коэффициента набухания q = 3–4, что подтверждает факт сравнительно высокой плотности макромолекулярных клубков хвойных лигнинов.

Коэффициенты диффузии закономерно уменьшаются при увеличении ММ; минимальное значение D равно 7,510-7 см2/c для фракции с MSD=21,2´103, максимальное значение составляет 23,2´10-7 см2/c. В сравнении с линейными полимерами диффузионная подвижность макромолекул лигнина ДЛР достаточно высока, что позволяет высказать предположение о наличии узлов разветвлений в макромолекулах. Совокупность таких параметров, как характеристическая вязкость [h], коэффициенты поступательной диффузии D и седиментации S, молекулярная масса фракций, позволяет оценить конформационное состояние и топологическую структуру макромолекул полимера.

Зависимость между этими параметрами выражается соотношениями типа Марка-Куна-Хаувинка (МКХ), которые устанавливают взаимосвязь между гидродинамическими характеристиками и молекулярной массой.





Рисунок 4 – Зависимости lgD (1) и lg[] (2) от lgМD и lgS от lgМSD(3) для системы ДЛР ДМФА.

Логарифмические зависимости апроксимируются прямыми линиями (коэффициент корреляции – 0,98). Это показывает, что фракции ДЛР являются топологически подобными, следовательно, существует возможность для оценки скейлинговых параметров МКХ. Вискозиметрический параметр a, вычисленный по короткой зависимости (фр.1–фр.5), составляет величину 0,65 ± 0,06 и по данным соотношения []–МD: –0,68 ± 0,06. Значения диффузионного параметра b равны соответственно –0,52 ± 0,02 и –0,56 ± 0,02, что согласуется с результатами вискозиметрических и седиментационных измерений (таблица 3).

Таблица 3 – Скейлинговые индексы ДЛР в ДМФА



Характеристика

a

-b

c

[]-MSD

0,65

-

-

D0- MSD

-

0,52

-

S0- MSD

-

-

0,48

Набухший непротекаемый клубок (теория)

0,5÷0,8

0,5÷0,6

0,4÷0,5

При анализе скейлинговых индексов установлена практическая выполнимость соотношения (1-c)=-b=1/3(a+1), указывающая на корректность проведенных расчетов и соответствие гидродинамических размеров, оцениваемых по эффектам как вращательного, так и поступательного трения. Значения параметров МКХ для ДЛР отвечают линейным полимерам в конформации набухшего непротекаемого клубка. Кроме того, последовательность этих индексов по численным значениям a│-b│ c отражает типичную для линейных полимеров закономерность по чувствительности к изменению ММ соответствующих гидродинамических параметров.

Согласно теории растворов линейных полимеров, величина гидродинамического инварианта Цветкова-Кленина А0 не зависит от термодинамического качества растворителя и ММ. Разветвленность полимера уменьшает данный показатель в среднем на 15-20 % по сравнению с показателями для типичных линейных гибко- и жесткоцепных полимеров. Для препарата ДЛР установлено, что величина гидродинамического инварианта Цветкова-Кленина А0 практически не изменяется при переходе от фракции к фракции (рисунок 5), что подтверждает топологическую однородность полимера.

Величина А0 для препарата ДЛР равна 2,710-10 эргК-1моль-1/3, что существенно ниже значений, найденных для линейных макромолекул, и попадает в область, характерную для хаотически разветвленных макромолекул лигнинов хвойной древесины (2,3–2,910-10 эргК-1моль-1/3).



Рисунок 5 – Величина инварианта А0 по фракциям ДЛР (№1-№5) и для линейных гибкоцепного (№6) и жесткоцепного (№7) полимеров.

Характерной особенностью полимерных систем лигнин-растворитель считается изменчивость значений коэффициентов Хаггинса kx вне зависимости от природы лигнина, метода выделения и выбора растворителя.



Рисунок 6 – Значения коэффициентов Хаггинса для фракций ДЛР.

Для системы ДЛР-ДМФА диапазон изменений коэффициентов Хаггинса составляет 0,80–1,23, причем наблюдается тенденция к уменьшению значений kx с увеличением молекулярной массы фракции (рисунок 6), что отражает специфику поведения ДЛР в ДМФА.

Анализ всей совокупности экспериментальных данных приводит к выводу, что из всего многообразия возможных типов топологических структур наиболее вероятным является заключение о звездообразной структуре цепей.

С точки зрения характеристики ДЛР как фрактального объекта было установлено, что величина фрактальной размерности df, вычисленная по углу наклона зависимости lgM=f(lgR) (рисунок 7), составляет 1,8.

Рисунок 7 – Взаимосвязь между гидродинамическим радиусом R и молекулярной массой фракций образца ДЛР.

Использование других методов расчета фрактальной размерности, в частности метода Козлова-Темираева-Созаева, который опирается на значения коэффициентов Хаггинса, показало, что величины фрактальной размерности фракций практически одинаковы 1,80,1 (рисунок 8) и совпадают с показателем df, определенным по скейлинговым индексам МКХ.

Рисунок 8 – Значения фрактальной размерности фракций №1 – №5 ДЛР, определенные по уравнению Козлова-Темираева-Созаева.

Выводы фрактального анализа подтверждают данные молекулярной гидродинамики и указывают на то, что ДЛР в растворе ДМФА находится в конформации набухший непротекаемый клубок и имеет звездообразную топологическую структуру.

4. Влияние температуры на вязкость раствора ДЛР в ДМФА

В работе изучены физико-химические свойства растворов полимеров при различных температурах. Вискозиметрические измерения для систем ДЛР-ДМФА и ДЛО-ДМФА проведены при варьировании температуры раствора в интервале от 25 до 85 0С. Характеристическую вязкость рассчитывали экстраполяцией к нулевой концентрации приведенной вязкости уд/с в интервале концентраций 2–7,5% (рисунки 9, 10).



Рисунок 9 – Зависимость приведенной вязкости от концентрации для ДЛО.



Рисунок 10 – Зависимость приведенной вязкости от концентрации для ДЛР.

Значения характеристической вязкости убывают с ростом температуры (таблица 4), что свидетельствует об уменьшение гидродинамических размеров макромолекул лигнинов. Как показали расчеты, в исследованных системах лигнины имеют отрицательный температурный коэффициент характеристической вязкости dln[h]/dT, составляющий в среднем величину –10,110-3 см3/гК (ДЛО-ДМФА) и –5,0 10-3 см3/гК (ДЛР–ДМФА). Для хвойного лигнина (Pinus) динамика температурной зависимости [h] заметно слабее и не превышает –3,310-3 см3/гК.

Таблица 4 – Характеристическая вязкость образцов ДЛО и ДЛР



Характеристическая вязкость [η], см3

Температура, °С

25

35

45

55

65

75

85

ДЛО

6,22

6,06

5,82

5,60

5,33

4,97

5,06

ДЛР

7,13

6,59

6,31

5,99

5,86

5,46

5,68

В области концентраций от 0,1 до 1% для системы ДЛР-ДМФА (рисунок 11) наблюдаются следующие закономерности: во-первых, с уменьшением концентрации происходит не снижение, а рост приведенной вязкости при всех наблюдаемых температурах, во-вторых, с ростом температуры число вязкости уд./с снижается, причем чем ниже концентрация, тем больше по абсолютной величине температурный градиент вязкости.

Рисунок 11 – Зависимость приведенной вязкости от концентрации для ДЛР.

Для препарата лигнина ДЛО наблюдаются еще более сложные температурно-концентрационные зависимости приведенной вязкости (рисунок 12).

Наиболее вероятной причиной повышения вязкости в области низких концентраций раствора (менее 1%) является эффект полиэлектролитного разбухания макромолекулы. Температурные зависимости характеристической вязкости (область 2–8%) определяются балансом эффектов объемных взаимодействий, связанных с изменением термодинамического качества растворителя, а также равновесной гибкости полимерных цепей. В сильно разбавленных растворах к указанным факторам добавляются эффекты электростатических взаимодействий.



Рисунок 12 – Зависимость приведенной вязкости от концентрации для ДЛО.

Введение низкомолекулярных солей в растворы полимеров с ионогенными группами проводят с целью как подавления возможных электростатических взаимодействий, так и изучения конформационных изменений при варьировании внешних параметров (рисунок 13).

Рисунок 13 – Зависимость приведенной ηуд/С вязкости от концентрации для ДЛР в присутствии LiCl.



Введение в систему ДЛР–ДМФА соли LiCl приводит к существенному увеличению гидродинамического радиуса макромолекул ДЛР за счет улучшения термодинамического качества растворителя (рисунок 13).

ВЫВОДЫ:

  1. Реализован классический подход к исследованию полимерных свойств молекулярно-дисперсной системы ДЛР-ДМФА и определены коэффициенты поступательной диффузии (7,5–23,3107, см2/с), скоростной седиментации (1,39–2,1110-13 с) и характеристической вязкости (2,5-12,9 см3/г) для фракций ДЛР, и по результатам фракционирования (массовые доли Wi и MDh фракций) рассчитаны ММ разного усреднения и параметры полидисперсности, которые составили следующие величины: Mw=11,4103, Mn=8,1103, Mz=13,8103, Mw/Mn =1,4, Mz/Mw =1,2.

  2. Показано, что фракции ДЛР являются топологически подобными, параметры уравнения типа Марка-Куна-Хаувинка: а = 0,55, b = – 0,52 и с = 0,48. Доказано, что макромолекулы ДЛР в ДМФА принимают конформацию набухшего непротекаемого клубка с параметрами, характерными для линейной топологии цепей.

  3. На основании определения гидродинамического инварианта Цветкова-Кленина (2,7×106 эргК 1моль-1/3) и скейлинговых индексов показано, что структура макромолекул ДЛР отвечает звездообразной конфигурации.

  4. Методом фрактального анализа подтверждено, что макромолекулы диоксанлигнина рябины находятся в растворе ДМФА в конформации набухший непротекаемый клубок и имеют звездообразную топологическую структуру.

  5. Методами ИК– и ЯМР 13С–спектроскопии, элементного и химического анализа установлено, что ДЛР относится к композиционно неоднородным биополимерам, состоящим из мономерных единиц гваяцильного, сирингильного и п-кумарового типа в соотношении 46:44:10. В рамках классификации Кавамура-Хигуши ДЛР относится к L- типу.

  6. Выявлены температурно-концентрационные эффекты гидро-динамического поведения фракций лигнина ДЛР и ДЛО и установлено, что в интервале от 25 до 85 С лигнины имеет отрицательный температурный коэффициент характеристической вязкости dln[h]/dT, составляющий в среднем величину –2,6 10-3 см3/гК (ДЛО-ДМФА) и –3,3 10-3 см3/гК (ДЛР–ДМФА). В области концентраций от 0,1 до 1 % для ДЛР наблюдается увеличение гидродинамических размеров макромолекул, обусловленное электростатическими взаимодействиями. Установлено, что введение в систему ДЛР–ДМФА низко-молекулярной соли LiCl усиливает полиэлектролитный эффект.

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

    1. Шамшина, И. Н. Вязкость и температурное поведение макромолекул гваяцилсирингильных лигнинов в диметилформамиде [Текст]: Химия высокомолекулярных соединений, лесохимия и органический синтез: тр. Коми науч. центра УрО РАН (№ 167) / И. Н. Шамшина, А. П. Карманов. – Сыктывкар, 2002. – С. 117-120. – ISBN 5-89606-118-8.

  1. Шамшина, И. Н. Гидродинамические и конформационные свойства лигнинов рябины (Sorbus aucuparia) и грецкого ореха (Juglans regia) [Текст] : тез. докл. II всерос. конф. «Химия и технология растительных веществ» / И. Н. Шамшина, В. Ю. Беляев, А. П. Карманов. – Казань, 2002. – С. 160.

    1. Шамшина, И.Н. Вязкость и температурное поведение макромолекул гваяцилсирингильных лигнинов в диметилформамиде [Текст]: тез. докл. межрегион. молодежн. научн. конф. «Севергеоэкотех-2002» / И. Н. Шамшина, А. П. Карманов. – Ухта, 2002. – С. 210.

    2. Шамшина, И. Н. Исследование гидродинамических свойств лигнина рябины (Sorbus aucuparia) [Текст] : тез. докл. XII Коми республ. научн. конф. студентов и аспирантов / И. Н. Шамшина, А. П. Карманов. – Сыктывкар, 2002. – С. 50.

    3. Карманов, А. П. Топологическая структура природных лигнинов. III. Гидродинамические свойства лигнина древесины рябины (Sorbus aucuparia) [Текст]: Химия и технология растительных веществ : тр. Коми науч. центра УрО Российской АН (№ 171) / А. П. Карманов, В. Ю. Беляев, И. Н. Шамшина, Л. И. Данилова. – Сыктывкар, 2003. – С. 48-54. – ISBN 5-89606-118-8.

    4. Карманов, А. П. Исследование гидродинамических и конформационных свойств лигнинов из древесных растений Sorbus aucuparia и Robinia pseudoacacia [Текст] / А. П. Карманов, Д. В. Кузьмин, И. Н. Шамшина, В. Ю. Беляев, Л. С. Кочева, Д. В. Матвеев, Ю. Б. Монаков // Высокомол. соед., Сер. А, 2004. – Т. 46. – № 6. – С. 997-1004. – ISSN 0507-5483.

    5. Полина, И. Н. Исследование топологической структуры диоксанлигнина рябины [Научное электронное издание] : сб. матер. научно-практич. конф. «Февральские чтения» / И. Н. Полина, А. П. Карманов. – Сыктывкар, 2007. – ISBN 5-9239-0063-7.

    6. Полина, И. Н. Гидродинамические характеристики и конформация макромолекул лигнина древесины рябины обыкновенной Sorbus aucuparia [Текст] : матер. II междунар. конф. «Физикохимия лигнина» / И. Н. Полина, А. П. Карманов. – Архангельск, 2007. – С. 40-43. – ISBN 5-261-00335-X.


Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.х.н. Карманову А.П., а так же сотрудникам лаборатории физикохимии лигнина Института химии Коми НЦ УрО РАН и к.х.н. Беляеву В.Ю.

Заказ № 39 Тираж 100 экз.

Издательство Коми НЦ УрО РАН

167982, Республика Коми,



г. Сыктывкар, ул. Первомайская, д. 48



Смотрите также:
Исследование структуры и свойств лигнина методами молекулярной гидродинамики 05. 21. 03 Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
250.24kb.
1 стр.
Устойчивость и агрегация низкоконцентрированных водных дисперсий технических лигнинов, выделенных при переработке древесного сырья 05. 21. 03. технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
635.65kb.
5 стр.
Полиэлектролитные взаимодействия лигносульфонатов с полиаминами 05. 21. 03. Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины
376.06kb.
1 стр.
Химия и технология химически волокон (технологические схемы и оборудование производств синтетических волокон): учеб пособие/ М. П. Васильев. Спб.: Спгутд, 2006. 93 с
9.42kb.
1 стр.
Исследование роли парамагнитных интермедиатов в биологически важных процессах методами спиновой химии и химической радиоспектроскопии 01. 04. 17 химическая физика, в том числе физика горения и взрыва
319.85kb.
1 стр.
Комплексная технология переработки гречихи с утилизацией лузги
320.75kb.
1 стр.
Газовые топлива
59.6kb.
1 стр.
Исследование взаимосвязи структуры, твердости и магнитных свойств отливок из высокопрочного чугуна
105.92kb.
1 стр.
Экспериментальное исследование структуры и свойств твердых растворов силицидов молибдена и вольфрама и их применение
369.07kb.
3 стр.
История развития обр аботки древесины, начиная с древних времен до настоящего времени
252.42kb.
1 стр.
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам «Технология переработки лекарственного растительного сырья»
532.17kb.
5 стр.
Исследование ферромагнитных свойств электротехнической стали. 22 Исследование ферромагнитных свойств феррит
418.17kb.
6 стр.