Top Banner
ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ Δρ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΑΝΤΑΝΗΣ PhD, University of Wisconsin-Madison, ΗΠΑ Καθηγητής ΤΕΙ Θεσσαλίας URL: www.teilar.gr/~mantanis
35

ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Jan 14, 2020

Download

Documents

dariahiddleston
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥ

Δρ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΜΑΝΤΑΝΗΣ PhD, University of Wisconsin-Madison, ΗΠΑ

Καθηγητής ΤΕΙ Θεσσαλίας

URL: www.teilar.gr/~mantanis

Page 2: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Δένδρο

Κορμός

Ζώνες

Δακτύλιοι

Ξυλώδη

κύτταρα Μικροïνίδια

Χημικά

συστατικά

Κυτταρικά

τοιχώματα

Επίπεδα μελέτης του ξύλου

Page 3: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

2

Χημικά Συστατικά του Ξύλου

ΞΥΛΟ

ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ ΑΝΟΡΓΑΝΑ

ΚΥΤΤΑΡΙΝΗ

ΗΜΙΚΥΤΤΑΡΙΝΕΣ

Page 4: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Κύρια χημικά συστατικά:

Δομικά συστατικά: κυτταρίνη, λιγνίνη, ημικυτταρίνες

Μη δομικά συστατικά: εκχυλίσματα

Page 5: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Σύμπλοκο (complex)

Το ξύλο ως «ανομοιογενές υλικό» τριών πολύπλοκων

πολυμερών ενώσεων (κυτταρίνης + λιγνίνης + ημικυτταρινών) που

ενώνονται μεταξύ τους με χημικούς δεσμούς, χαρακτηρίζεται ως

λιγνοκυτταρινικό σύμπλοκο

Page 6: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Κρύσταλλοι σε Αξονικό Παρέγχυμα

(Ref. Côté)

Page 7: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Τύποι κρυστάλλων στο ξύλο

rhomboidal styloid raphides druses

(Kollmann and Cote)

Page 8: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Εκχυλίσματα

«Προστατευτικές

κατά κανόνα

ουσίες»

• Aλιφατικές ενώσεις

• Ενώσεις τερπενίων

• Φαινολικές ενώσεις

• Ρητινικά οξέα

Λίπη

Κηροί

Tερπένια

Φλαβανοειδή

Λιγνάνες

Στιλβένια

Ταννίνες

Τερεβινθέλαιο

Κολοφώνιο

Page 9: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

6

*

Page 10: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Γλυκόζη (glucose)

7

*

Page 11: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

8 1-4 γλυκοζιτικός δεσμός

Κελλοβιόζη

(μονάδα)

Κυτταρίνη

Page 12: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Ημικυτταρίνες (απλά σάκχαρα)

9

Γλυκόζη Γαλακτόζη

Μαννόζη Ξυλόζη

Page 13: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

10

Χημική δομή κυτταρίνης & ημικυτταρινών

Mannose Μαννόζη

Γαλακτόζη Ακετύλιο

Γλυκόζη Γλυκόζη Γλυκόζη Γλυκόζη

Κυτταρίνη

Ξυλόζη Ξυλόζη Ξυλόζη Ξυλόζη

Ακετύλιο Γλυκορουνικό

οξύ 7

Ημικυτταρίνη Πλατυφύλλων (π.χ. Ξυλάνη)

Ημικυτταρίνη Κωνοφόρων (π.χ. Γλυκομαννάνη)

Γλυκόζη Mαννόζη Μαννόζη

Page 14: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Κυτταρίνη

Ημικυτταρίνες (κωνοφόρα)

Ημικυτταρίνες (πλατύφυλλα)

Χημική δομή κυτταρίνης & ημικυτταρινών

Page 15: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Σύγκριση Ημικυτταρινών με τη Κυτταρίνη

• Διαθέτουν επιπλέον μονάδες σακχάρων

• Με χαμηλό βαθμό πολυμερισμού (150-200)

• Επιπλέον χημικές μονάδες (ακετυλικές, κ.α)

• Είναι διακλαδιζόμενα πολυμερή

• Πολύ λιγότερο κρυσταλλικές ενώσεις 12

Page 16: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

13

Κωνοφόρα &

Πλατύφυλλα

Πλατύφυλλα

Λιγνίνη: 3-D βασικό πολυμερές του ξύλου, τρισδιάστατο, αποτελούμενο από τρεις

μονάδες φαινυλοπροπανίων (phenylpropane units), που διαφέρει σημαντικά στα

κωνοφόρα και τα πλατύφυλλα ξύλα. Δομούν τη μεσοκυττάρια στρώση στα ξυλώδη

κύτταρα, και είναι η «φυσική συγκολλητική ουσία» του ξύλου. Βρίσκονται πάντα

μαζί με την κυτταρίνη, και ποτέ δεν βρίσκεται μόνη της στη φύση. Στα κωνοφόρα

ξύλα απαντάται σε ποσοστό 30%±4%, και στα πλατύφυλλα ξύλα της εύκρατης

ζώνης σε ποσοστό 20%±3%.

Μεθοξύ- ομάδα

Οξυγόνο

Φαινυλίου

ΦΑΙΝΥΛΟΠΡΟΠΑΝΙΑ

Συρινγκυλική

Γκουαïακυλική

Page 17: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

14

Χημικοί δεσμοί στο μακρομόριο της Λιγνίνης

Page 18: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

15

Χημικοί δεσμοί στο μακρομόριο της Λιγνίνης

Page 19: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

16

Μοντέλο Λιγνίνης

(Adler)

*

Page 20: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

17

Μοντέλο

Λιγνίνης

Page 21: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

18

Περιγραφή πολυμερών του ξύλου

Πολυμερές: Κυτταρίνη Ημικυτταρίνες Λιγνίνη

Μονάδα

δόμησης

Γλυκόζη Γλυκόζη, Μαννόζη

Ξυλόζη κ.α.

Φαινυλοπροπάνιο

Σχήμα Γραμμική Διακλαδισμένες

(πλευρικά μέρη)

Τρισδιάστατη

Διάταξη Κρυσταλλική Άμορφες &

Ημικρυσταλλικές

Άμορφη

Ποσοστό (%) 45-50 20-35 20-35

Βαθμός

Πολυμερισμού

10,000 150-200 πολύ μεγάλος

Page 22: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

19

Χημική Σύσταση του Ξύλου

Κωνοφόρα

(Softwoods)

Πλατύφυλλα

(Hardwoods) Κυτταρίνη 45-50% 45-50%

Ημικυτταρίνες 18-25% 25-35%

Λιγνίνη 25-35% 20-25%

Page 23: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Μελέτη σε επίπεδο Μικρο- & Νανο- κλίμακας

20

*

Page 24: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Κυτταρίνη (chair)

‐‐‐ Γλυκόζη ‐‐‐‐‐‐‐ Γλυκόζη ‐‐‐‐‐‐‐ Γλυκόζη ‐‐‐‐‐‐‐ Γλυκόζη ‐‐‐

Page 25: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Cellulose Κυτταρίνη

Page 26: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Cellulose

Ομοιοπολικοί δεσμοί

Εντός-μορίων Δεσμοί Υδρογόνου

Δεσμοί Υδρογόνου

Μεταξύ-μορίων Κυτταρίνη

Page 27: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Υπομικροσκοπική δομή (Μικροïνίδια)

26

*

Page 28: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Κυτταρικό Τοίχωμα (cell wall)

28

(Côté)

Μεσοκυττάρια

στρώση

Πρωτογενές S3 Κοιλότητα

S2 Δευτερογενές

S1

*

Page 29: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Στρώσεις κυτταρικού τοιχώματος

(Princes Risborough Laboratory)

29

* Στρώση Αριθ.

Μικροïν.

% Γωνία Ө Σπειροειδ. Διάταξη

TML --- ποικίλλει --- --- καμία

P --- 5 --- --- μικρή

S1 4-6 7 50-70° S + Z μέτρια

S2 30-150 85 10-30° Z π.υψηλή

S3 2-4 3 60-90° S + Z μέτρια

Page 30: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

30

Κατανομή πολυμερών στο κυτταρικό τοίχωμα

Κατανομή των πολυμερών του ξύλου

στα κυτταρικά τοιχώματα

(Panshin & de Zeeuw)

Κατανομή της λιγνίνης στο κυτταρικό

τοίχωμα (σκουρότερο περισσότερη λ.)

Page 31: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Μηχανική Πολτοποίηση

Κατανομή λιγνίνης – επηρεάζεται η πολτοποίηση;

Χημική Πολτοποίηση

Page 32: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

Διόγκωση του ξύλου σε νερό

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

O

H

H

O

H

H

O H

H O

H

O

H

H

H H

O H

Page 33: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ

Γωνία Μικροïνιδίων (MFA)

S2Ɵ : μικρή γωνία συνήθως.

Οδηγεί σε αμελητέα αξονική ρίκνωση

S2Ɵ : μεγάλη γωνία σπανιότερα.

Οδηγεί σε μεγάλη αξονική ρίκνωση

Page 34: ΧΗMEIA ΤΟΥ ΞΥΛΟΥusers.teilar.gr/~mantanis/the-chemistry-of-wood.pdf · 2 Χημικά Συαικά ου Ξύλου ΞΥΛΟ ΟΛΟΚΥΤΤΑΡΙΝΗ ΛΙΓΝΙΝΗ ΕΚΧΥΛΙΣΜΑΤΑ