ГЕОМЕТРИЯ ПОЛИМЕРОВ

Лесные насаждения занимают около 9,2% площади Белгородской области (1). Основную площадь насаждений занимает твердолиственная древесина – дуб. Однако, запасы мягколиственной древесины Центрального и Центрально-черноземного районов составляют до 18% общероссийских, из них до 70% лиственных насаждений занимает береза, на долю осины приходится до 20%.

Каких-то 10…15 лет назад за пределы области отправлялось более 15 тысяч кубометров высококачественной древесины (например, так называемая винная клепка поставлялась в Армению), и еще столько же менее качественного леса – пиловочника в основном хвойных пород, пригодного для изготовления столярных изделий. Сегодня за пределы области идет всего 4..5 тысяч кубометров древесины. Самым ходовым товаром считается тот самый пиловочник, который идет на изготовление досок пола, заготовки паркета, столярные изделия, черенки лопат и т.д. По данным ГМПО КХ, только потребности муниципалитета г. Старый Оскол составляет около 300 кубов древесины в месяц (2).

Пожары, болезни леса наносят серьезный урон зеленым массивам. Так, например, корневая губка поражает сосновые леса. Больные деревья усыхают, их вырубают, или заменяются на лиственные. На Белгородчине функционируют 8 лесхозов, ежегодно высаживается более 200 гектаров молодого леса и более 50 гектаров полезащитных полос (3) в основном мягколиственной древесины.

Принято считать, что древесина лиственных пород склонна к загниванию, разбуханию, усушке и короблению. Однако, давно установлено, что пропитка лиственной древесины синтетическими или природными полимерами, в расплаве серы, существенно повышает физико-механические свойства и долговечность, что позволяет с успехом заменить хвойную древесину.

Известно, что древесина – природный полимер довольно сложной структуры, состоящий из древесного вещества – целлюлозы и лигнина, создающих разветвленную сеть клеток, сосудов и пор. Пропитка древесины происходит в основном вдоль волокон, поперечным направлением можно пренебречь.

Строение древесины лиственных пород позволяет пропитывающей жидкости заполнять поровое пространство древесины. Рассмотрим строение структуры древесины поперек волокон.

Клетка древесины состоит в основном из целлюлозных микрофибрилл, которые в свою очередь можно представить состоящей из четырех элементарных фибрилл (рис.1). Размеры поперечного сечения элементарной фибриллы около 3х7 нм, расстояние между ними может составлять до 3 нм. Таким образом, поперечное сечение микрофибриллы может составлять до 10х20 нм. Каждая из элементарных фибрилл состоит из 36 - 84 макромолекул целлюлозы. Каждая элементарная фибрилла представляет собой кристаллическое ядро микрофибриллы, образованное регулярно расположенными макромолекулами целлюлозы, вокруг которой располагается окклюдированная вода (связанная вода с обрывками моносахаридов). Размеры поперечного сечения макромолекулы целлюлозы составляют 0,4х0,8 нм и сопоставимы с размерами молекулы серы.

Рис.1 Строение целлюлозной микрофибриллы.

(размер 10х20 нм).

Стенка клетки имеют сложную структуру, состоящую из 3…5 слоев микрофибрилл. Толщина клеточной стенки может составлять до 100 нм и более. Размеры полостей и поперечного сечения самой клетки древесины примерно на порядок больше. При этом радиус пор и капилляров составляет от 1 до 100 нм (4). Рассмотрим строение серы:

Сера – один из широко распространенных элементов земной коры, где ее содержание оценивается 0,05 вес.%. Встречается сера нескольких разновидностей, как по изотопному, так и по кристаллическим и аморфным разновидностям.

При обычной температуре сера – кристаллическое вещество лимонно-желтого цвета, плотностью 2,1 г/см³, состоящая в основном из циклических молекул ромбической Sα-модификации. Молекула S₈ - корончатого строения, диаметром около 0,4 нм и расстоянием между кольцами 0,33 нм. При нагревании до 100 ⁰С сера переходит в Sγ- модификацию, а при температуре плавления, около 119 ⁰С, в моноклинную S_β-модификацию. При этом молекула S₈ разрывается с образованием коротких зигзагообразных цепочек (спиралек) полимерной серы. Разрыв колец продолжается при повышении температуры расплава, и при 155 ⁰С вязкость расплава серы сравнима с вязкостью воды. Расплавленная сера – легкоподвижная и чрезвычайно реакционно-способная жидкость, способная вступать в реакции практически со всеми органическими радикалами, в которой присутствуют молекулы от S₂ до S₈. Известна также полимерная сера Sµ-модификации, при этом молекулы состоят из длинных полимерных цепей, содержащих до 100000 атомов.