A cellulóz és a műholdak szerkezete és tulajdonságai, artconserváció
Először is meg kell magyarázni, hogy mi a cellulóz, és milyen általános tulajdonságai vannak.
Cellulóz (a latin cellula -. Letters, kis szoba, itt - a sejt) - cellulóz, egy anyag a növényi sejtfal, egy osztály szénhidrát polimer - egy poliszacharid, amelynek molekulái épülnek monoszacharid maradékok glükóz molekula (lásd 1. reakcióvázlat).
1. RENDSZER A cellulózmolekula szerkezete
Minden egyes glükóz maradékot a molekula - vagy a rövidség kedvéért, glgokozny maradékot - képest elfordul egy szomszédos 180 °, és a hozzá csatlakoztatott egy oxigénhídon keresztül -O-, vagy, amint azt mondjuk, ebben az esetben, a glükozid-kötéssel egy oxigénatomon keresztül kapcsolódik. A teljes cellulóz molekula tehát egy óriási lánc. Ennek a láncnak az egyes láncai hatszög alakúak, vagy - a kémiai 6 tagú ciklusok tekintetében. A glükózmolekulában (és annak maradékában) ez a 6 tagú gyűrű öt szénatomból és egy O oxigénatomból áll. Az ilyen ciklusokat piránnak nevezzük. Atomjai a hat 6-tagú pirán gyűrű fentebb ábrázolt 1. reakcióvázlaton, a tetején egy a sarkok csak akkor jelenik oxigénatom O - heteroatomot (a görög eteros; -. Egyéb, azzal jellemezve, hogy a többiek). A fennmaradó öt sarok tetején a C szénatom mentén helyezkednek el (ezek a "szokásos" szénatomok, a heteroatomtól eltérően, nem ábrázolhatók a ciklikus vegyületek képletében).
Minden 6-tagú gyűrű nem a forma egy lapos hatszög, és ívelt a térben, például az üléseket (lásd a 2. ábrán) - innen a név a ebben a formában, vagy térbeli konformációjának a legstabilabb a cellulóz molekula.
Az 1. és 2. sémákban a határoknál közelebb álló oldalak vastag vonallal jelennek meg. Az 1. reakcióvázlat azt is mutatja, hogy minden egyes glükóz-maradék 3 hidroxilcsoportot tartalmaz (hidroxilcsoportot vagy egyszerűen hidroxilcsoportot jelent). Az egyértelműség kedvéért az OH-csoportokat szaggatott keretbe zárjuk.
A hid-roxilcsoportok képesek H hidrogénatomként hidrogénkötéseket kötni hídként, így a cellulózmolekulák közötti kötési energia magas, és a cellulóz, mivel az anyagnak jelentős a szilárdsága és merevsége. Ezenkívül a -OH csoportok elősegítik a vízgőz abszorpcióját, és a polihidroxi-alkoholok cellulózhoz (az úgynevezett alkoholok, amelyek több -OH csoportot tartalmaznak). Amikor duzzasztott cellulózt hidrogénkötések körében molekulák elpusztult, a molekulaláncok elmozdulnak egymástól vízmolekulák által (vagy molekulák abszorbeált reagens) és az új kapcsolatok vannak kialakítva - molekulák között a cellulóz és a víz (vagy reagens).
Normál körülmények között a cellulóz szilárd, sűrűsége 1,54-1,56 g / cm3. oldhatatlanok a szokásos oldószerekben -. víz, alkohol, éter, benzol, kloroform, stb A természetes cellulózszálak olyan amorf-kristályos szerkezet egy kristályossági fokú, körülbelül 70%.
A cellulóz kémiai reakcióiban általában három OH-csoportot érintenek. A maradék elemek, amelyekből a cellulózmolekula épül, erősebb hatással reagálnak - emelkedett hőmérsékleten, koncentrált savak, lúgok és oxidánsok hatásával.
Például 130 ° C-ra melegítve, a cellulóz tulajdonságai csak kis mértékben változnak. De át 150-160 ° C-on kezdődik a folyamat lassú pusztulás, - cellulóz degradáció, és olyan hőmérsékleten, 160 ° C felett, ez a folyamat gyorsan jelentkezik, és már kíséri hasítása glükozidos kötésekkel (a oxigénatom), egy mély bomlása cellulóz molekulák és szenesedés.
Különböző hatások a cellulóz-savra. Amikor feldolgozása pamutból cellulóz tömény salétromsav és kénsav a reakció jöjjön hidroxilcsoportok -OH csoport, és a kapott eredményt cellulóz-nitrát-észterek - az úgynevezett nitrocellulóz, amely attól függően, a tartalmát a nitro-csoportokat a molekulában, különböző tulajdonságokkal. A legismertebb nitrocellulóz guncotton előállításához használt por, és a celluloid - műanyagok alapuló nitrocellulóz egyes adalékanyagok.
Egy másik típusú kémiai kölcsönhatás akkor fordul elő, amikor a cellulózt hidrogén-kloriddal vagy kénsavval kezeljük. Ezen ásványi savak hatására a cellulózmolekulák fokozatos megsemmisülése a glükozid kötések lebontásával történik, hidrolízissel kíséri, azaz. a vízmolekulákat tartalmazó reakciócserét (lásd a 3. reakcióvázlatot).
3. ábra Cellulóz-hidrolízis
Ez a diagram a cellulóz polimerláncának három, ugyanazon három láncszemét mutatja. a cellulózmolekulák ugyanazt a három aminosavat, mint az 1. reakcióvázlatban, csak 6 tagú pirángyűrűket nem "székek" formájában, hanem lapos hatszögek formájában állítanak elő. A ciklikus struktúrák szimbolikus megnevezése szintén általánosan elfogadott a kémia területén.
A teljes hidrolízis, melyet ásványi savakkal forralunk, glükóz termeléséhez vezet. A cellulóz részleges hidrolízisének terméke az úgynevezett hidrocellulóz, kevésbé mechanikai szilárdságú, mint a hagyományos cellulóz, mivel a mechanikai szilárdság csökken a polimer molekula lánchosszának csökkenésével.
Teljesen eltérő hatás figyelhető meg, ha a cellulózt rövid ideig koncentrált kénsavval vagy sósavval kezeljük. Pergamentatsiya történik: a felület a papír, vagy pamut anyagból megduzzad, és a felületi réteg, amely részlegesen elpusztult, és cellulóz-vetették alá hidrolízissel a papír vagy szövet szárítás után speciális fényességgel és kiváló tartósság. Ezt a jelenséget először 1846-ban megfigyelte a francia J.Pumar és L.Fipoye kutatók.
Gyenge (0,5%) ásványi és szerves savak oldata 70 ° C-ig. ha azokat öblítéssel követik, nincs káros hatása a cellulózra.
A lúgokhoz (híg oldatokhoz) a cellulóz stabil. A marószóda 2-3,5% koncentrációjú oldatát a papírgyártáshoz használt rongyok alkáli főzésére használják. Ugyanakkor nemcsak a szennyeződéseket, hanem a rövidebb láncú polimer cellulózmolekulák pusztító termékét is eltávolítjuk a cellulózból. A cellulóztól eltérően ezek a bomlástermékek lúgos oldatokban oldhatók.
A koncentrált alkáli oldatok hideg, szobahőmérsékleten és alacsonyabb hőmérsékleten különösképpen a cellulózra hatnak. Ezt a folyamatot, melyet az angol felfedező, J. Mercer 1844-ben fedezett fel, és amelyet mercerizációnak neveztek, széles körben használják a pamutszövetek finomítására. A rostokat feszített állapotban 20 ° C hőmérsékleten 17,5% -os nátrium-hidroxid-oldattal kezeljük. A cellulóz molekulák lúgot hoznak létre, úgynevezett lúgos cellulózt képeznek, és ezt a folyamatot a cellulóz erős duzzanata kíséri. Mosás után a lúgot eltávolítják, és a szálak lágyságot, selymes ragyogást kapnak, tartósabbak és hajlamosak a festékekre és a nedvességre.
Magas hőmérsékleten atmoszferikus oxigén jelenlétében a koncentrált alkáli oldatok a cellulóz elpusztítását okozzák a glükozid kötések lebontásával.
A textilgyártáshoz használt cellulózszálak fehérítésére használt oxidálószerek, valamint a nagy fehérségi fokú papírok előállítása a cellulózra hatást gyakorol, oxidáló hidroxilcsoportokat és glükozidkötéseket robbant. Ezért a gyártási környezetben a fehérítési folyamat minden paraméterét szigorúan ellenőrizni kell.
Amikor beszéltünk a szerkezet a cellulóz molekula, azt jelenti, hogy ideális modell, amely csak több maradék glükóz molekulák. Mi nem adja, hogy hány ilyen glükóz maradékok a molekulában lánc (vagy ahogy ők nevezik az óriás molekulák - a makromolekula) cellulóz. De a valóságban, azaz. bármely természetes növényi anyagban több vagy kevesebb eltérés van a leírt ideális modelltől. cellulóz makromolekula tartalmazhat néhány maradékot más molekulák a monoszacharidok - hexóz (azaz, a 6 szénatomos, mint a glükóz, amely szintén tárgya egy hexóz) és pentózok (cukrok 5 szénatomot tartalmaznak a molekulában). A makromolekula természetes cellulóz is tartalmazhatnak uronsav oldalláncok - az úgynevezett osztályát karbonsav monoszacharidok glükuronsav maradék, például maradékot eltér a glükóz, hogy tartalmaz ahelyett, hogy a -CH2 OH karboxilcsoport -COOH jellemző a karbonsavak.
A cellulóz makromolekulában lévő glükózmaradványok mennyisége, vagy az úgynevezett polimerizáció mértéke az n indextel azonos módon különbözik a különböző típusú cellulóz nyersanyagoktól, és széles körben változik. Például a gyapot n átlagosan 5 000-12 000, a len, a kender és a ramie 20 000-30 000. Így a cellulóz molekulatömege elérheti az 5 millió oxigénegységet. Minél nagyobb az n, annál erősebb a cellulóz. A fából nyert cellulóz esetében az n sokkal alacsonyabb - a 2500-3000 tartományban, ami szintén kevésbé erősíti a faggyúszálakat.
Ha azonban a cellulózt egyfajta növényi anyagból - pamutból, lenből, kenderből vagy fából stb. akkor ebben az esetben is a cellulózmolekulák egyenlőtlen hossza, egyenlőtlen polimerizációs fok, azaz Ebben a cellulózban hosszabb és rövidebb molekulák lesznek jelen. A technikai cellulóz nagy molekuláris részeit általában a-cellulóznak nevezik, így feltételesen jelölik azt a cellulóz azon részét, amely 200 vagy annál több glükózmaradékot tartalmazó molekulákat tartalmaz. A cellulóz e részének sajátossága az oldhatatlanság 17,5% -os nátrium-hidroxid-oldatban 20 ° C-on (amint már említettük, a mercerizációs folyamat paraméterei - a viszkózrost előállításának első szakasza).
A cellulóz-műholdak szerkezetére és tulajdonságaira vonatkozó kezdeti információk bemutatásának folytatásával visszatérünk a táblázatba. 1.
A táblázatban. Az 1. ábrán olyan anyagokat mutattak be, amelyek a növényi szálakban a cellulózzal együtt fordulnak elő. Az első a cellulóz után pektin anyagok és pentozánok. A pektin anyagok a szénhidrátok csoportjának olyan polimerei, amelyek a cellulózhoz hasonlóan lánc szerkezetűek, de uronsav maradványaiból, pontosabban galakturonsavból állnak. A poligalakturonsavat pektinsavnak nevezik, és a metil-észtereit pektineknek nevezik (lásd a 4. reakcióvázlatot).
4. RENDSZER A pektin makromolekula lánc szegmens
A pektin anyagok meglehetősen ellenállóak a savakkal szemben, de a lúgok melegítés közben fellépve megsemmisülnek, és ezt a körülményt a cellulóz tisztítására pektikus anyagoktól (főzéssel, például pamutszövet nátrium-hidroxid oldattal történő főzésével) használják. A pektin anyagok is könnyen elpusztulnak az oxidálószerek hatása alatt.
A pentozánok poliszacharidok, amelyeket pentóz - általában arabinóz és xilóz maradványaiból építettek. Ennek megfelelően ezeket a pentozánokat Arabanoknak és xilánoknak nevezik. Vannak lineáris (láncos) vagy enyhén elágazó szerkezeteik, és a növényekben általában pektin anyagokat (arabokat) kísérnek vagy hemicellulózok (xylánok) részei. A pentozans színtelen, amorf. Az Arabans nagyon vízben oldódik, a vízben lévő xilánok nem oldódnak fel.
A következő legfontosabb cellulóz-társ a lignin, amely egy elágazó szerkezetű polimer, amely a növények lignifikációját okozza. Amint az a táblázatból látható. 1, lignin nincs jelen pamutszálakból, de a más szálak - len, kender, rami és juta, különösen - az benne van egy kisebb vagy nagyobb mennyiségben. Elsősorban kitölti a sejtek közötti tér a növény, de behatol a felületi rétegek szálak, szerepét játssza a kérgesedő anyagok, ragasztás cellulózszálak. Különösen sok lignint találnak a fán - akár 30% -kal. Természetüknél fogva, lignin már nem tartozik az osztály a poliszacharidok (mint például a cellulóz, pektinek és pentozánok), és egy polimer származékain alapuló polihidroxi-fenolok, azaz a az úgynevezett zsíros aromás vegyületekre vonatkozik. A cellulóz lényeges különbsége abban rejlik, hogy a lignin makromolekula szabálytalan szerkezettel rendelkezik, azaz a polimer molekulák nem ugyanazok a monomer molekulák maradványai, hanem számos szerkezeti elem. Azonban az utóbbi ezt a közös, hogy ezek olyan aromás mag (ami képződik viszont 6. szénatom C), és az oldalsó propánsav-lánc (3-szénatom), ennek a közös az összes ligninek szerkezeti elem úgynevezett fenil-propánt egységek (lásd 5. reakcióvázlat).
5. reakcióvázlat A fenilpropán egység
Így a lignin a (C6C3) x általános képletű természetes vegyületek csoportjához tartozik. A lignin nem egy egyedi kémiai vegyület, amelynek szigorúan meghatározott összetétele és tulajdonságai vannak. Ligninek különböző eredetű jelentősen különbözik egymástól, és még lignineket származó egyik típusú növényi nyersanyagokból, de különböző módon, időnként nagymértékben különböznek az elemi összetétel, a tartalom adott szubsztituenseket (az úgynevezett csoport kapcsolódik a benzolgyűrűhöz vagy oldalsó -propánsav lánc ), oldhatóság és egyéb tulajdonságok.
A nagy reaktivitása lignin és nem egyenletessége szerkezete akadályozzák vizsgálata Ennek szerkezetét és tulajdonságait, de ennek ellenére úgy találta, hogy a készítményben a ligninek olyan fenil-propán egységek, amelyek származékai guajakol (katekol monometil azaz lásd. 6. ábra).
6. RENDSZER Guaiaol származék
Kiderült, bizonyos különbségek szerkezete és tulajdonságai ligninek egynyári növények és füvek, egyrészt, és a fa - a másikon. Például, ligninek gyógynövények és füvek (ezek közé tartoznak a len és a kender, amelyben laknak részletesebben) viszonylag könnyen oldódnak lúgok, míg a ligninek -Hard fa. Ez teszi szigorúbb eljárási paraméterek eltávolítják a lignint (ligninmentesítés) a fa által szóda főzési fa (mint például: a magasabb hőmérséklet és nyomás), mint a folyamat eltávolítása származó lignin fiatal hajtások és fűfélék által pépesítjük liquor - olyan eljárás, amely ismert volt Kína elején az első évezred, és amelyet széles körben használt, úgynevezett áztatással vagy duzzanat Európában feldolgozása során a rongyok és mindenféle hulladék (len, kender) a papír.
Már beszéltünk a lignin nagy reaktivitásáról, azaz hogy képes számos kémiai reakcióba lépni, ami a nagyszámú reaktív funkciós csoport jelenlétével magyarázható a lignin makromolekulájában; amelyek bizonyos kémiai vegyületek bizonyos osztályába tartozó egyes kémiai átalakulásokra képesek. Ez különösen az oxigén-hidroxil-OH-ban található, amely az oldalsó propánlánc szénatomjain helyezkedik el, ezeknél a csoportoknál -OH jelenik meg, például a lignin szulfonálása a fa szulfitos főzése során - a delignificáció másik módja.
Mivel a nagy reakcióképessége a lignin, könnyen előfordul, és annak oxidációs, különösen lúgos körülmények között alkotnak karboxilcsoportok -COOH csoport. És fellépés klórozó szerek és fehérítő lignin könnyen klórozott klórral Cl atommal belép mind az aromás magban és az oldallánc a propán a nedvesség jelenlétében történik egyidejűleg klórozás és oxidációs lignin makromolekulák és kapott chlorlignin is tartalmaz karboxilcsoportot. A klórozott és oxidált lignin könnyebben lemosható a cellulózból. Mindezek a reakciók széles körben használják a cellulóz-és papíripar számára tisztítására cellulóz anyagok hozzákeverésével lignin, ami nagyon kedvezőtlen komponens cellulóz.
Miért nemkívánatos a lignin jelenléte? Először is, mivel a ligninnak elágazó, gyakran háromdimenziós térbeli szerkezete van, és ezért nincsenek szálképző tulajdonságai, vagyis szálak nem szerezhetők be. A merevséget, a cellulózszálakkal szembeni gyengeséget biztosítja, csökkenti a cellulóz duzzadásának, foltolásának és reagálásának képességét a különféle szálfeldolgozási eljárásokban használt reagensekkel. A cellulóz előállítása során a lignin megnehezíti a rostok őrlését és fibrillálását, valamint rontja kölcsönös kölcsönhatásukat. Ezenkívül önmagában sárgásbarna színű, a papír elöregedésével pedig sárgulást is fokoz.
A cellulóz-műholdak szerkezetével és tulajdonságaival kapcsolatos érvelésünk első látásra feleslegesnek tűnhet. Tényleg van-e még a lignin szerkezetére és tulajdonságaira vonatkozó lényeges rövid leírás is, ha a restaurátor-grafikon nem természetes szálakkal foglalkozik, hanem papíron, pl. Lignin tisztított szálakból készült anyag? Ez természetesen így van, de csak akkor, ha a gyapotanyagból készült rágópapírról van szó. A pamutban nincs lignin. Szinte nem is a lenből vagy a kenderből készült rongypapírban - szinte teljesen eltávolításra került a szakadási folyamat során.
Azonban a papír fából nyert, és különösen fokozat újságpapír, amelyben a töltőanyag facellulóz, a lignin szereplő elég nagy mennyiségben, és ezt fel kell venni restaurátor dolgozik sokféle, többek között az alacsony minőségű papírok .
hasznosság
A fa anizotropikus szerkezete határozza meg a szálak mentén és a szálak közötti különbségét, ami különösen érzékelhető a nedvességcsere során. Például a tábla végrészén keresztül a nedvesség felszívódik és 20-30-szor intenzívebb elpárolog, mint oldalsó oldala. Az egyenetlen duzzanat és a zsugorodás zavart okoz, a lemez megrepedése, ami megakadályozza a festmény megőrzését.