Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Лигнин защитил древесину от статического электричества

Цвет материала с разным содержанием лигнина

Mertcan Özel et al. / Chemistry of Materials, 2020

Турецкие химики выяснили, что древесина не электризуется благодаря лигнину. Фенольные группы в его составе стабилизируют поверхностные механорадикалы и гасят заряд при контакте. Добавление всего пяти процентов лигнина в другие термопластичные полимеры понизило поверхностный заряд на 60-80 процентов. Статья опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Если долго ходить по шерстяному ковру, то можно накопить на поверхности своего тела достаточно заряда, чтобы ударить током другого человека. Это одно из самых частых бытовых проявлений статического электричества. Еще одно следствие накопления статического электричества — молния (посмотреть на впечатляющие фотографии молний можно в нашем «Спрайты, эльфы и синие струи»). 

Уже давно ученые разрабатывают антистатики, чтобы противостоять износу и вредному электрическому потенциалу в промышленных приборах. Основной подход — добавление проводящих материалов (например, углеродного порошка, металлы или проводящие полимеры), так как заряд скапливается именно на поверхности диэлектриков. 

Для практического использования ученые составляют трибоэлектрические ряды, полученные измерением остаточного заряда после контакта различных материалов. Однако общего правила нет — слишком много факторов влияет на контактную электризацию (от кристалличности до влажности окружающей среды). Тем не менее древесина во всех рядах находится посередине между отрицательно-заряженными и положительно-заряженными — она не заряжается при контакте с другими материалами. Понять причину этого ученые до сих пор не могли.

Химики под руководством Бильге Байтекина (Bilge Baytekin) из Билкентского университета изучили электростатические свойства древесины и пришли к выводу, что антистатиком его делает лигнин. Для начала исследователи сравнили поверхностный заряд древесины с зарядом нейлона (положительный трибоэлектрик) и полидиметилсилоксана (отрицательный трибоэлектрик). Для электризации они прикладывали алюминиевую фольгу к образцам двести раз: нейлон зарядился положительно (2,7 нанокулон на квадратный сантиметр), полидиметилсилоксан зарядился отрицательно (-2,0 нанокулона на квадратный сантиметр), а древесина практически не зарядилась (с точностью до 20 пикокулон на квадратный сантиметр).

Чтобы понять, почему древесина проявляет антистатические свойства, ученые рассмотрели состав древесины, который общий для всех видов — 30-50 процентов целлюлозы, 20-35 процентов гемицеллюлозы и 15-40 процентов лигнина. Так как целлюлоза и гемицеллюлоза сравнительно легко положительно электризуются, антистатические свойства приписывают лигнину. Чтобы это проверить, исследователи экстрагировали лигнин из древесины, сформировали из остатка таблетки и подвергли их испытаниям с нажимным механизмом из ПТФЭ, измеряя напряжение, необходимое для разрядки материала. Оказалось, что напряжение безлигниновой древесины (22 вольта) было в семь раз больше, чем у древесины лимба (3,2 вольта).

Затем ученые установили, как добавление лигнина влияет на свойства древесины и других полимеров. Химики легировали безлигниновую древисину лигнином с массовым содержанием в 1, 3, 5, 32 (натуральная древесина) и 50 процентов — даже добавление одного процента лигнина вдвое снизило холостое напряжение. Для полидиметилсилоксана добавление одного процента лигнина снизило поверхностный заряд на 52 процента. Тем не менее при легировании лигнином шероховатость пленки увеличивается — поэтому все дело в механизме разрыва лигнина на молекулярном уровне. Также введение пяти процентов лигнина уменьшило поверхностный заряд на полипропилене, полиэтилене, полистироле и полилактиде на 60-80 процентов.

Авторы выбрали в качестве основного механизма контактной зарядки — разрыв химических связей, то есть после контакта на поверхности полимера остаются механоионы и механорадикалы. Лигнин — известный антиоксидант либо со своими стабильными радикалами, которые могут взаимодействовать с другими механорадикалами полимера, либо с фенольными группами в составе лигнина, которые стабилизируют механорадикалы за счет обмена водородом. Авторы предполагают, что фенольное содержание влияет в большей степени, так как их больше, чем стабильных радикалов.

Более того, химики изменили фенольные группы с помощью ацилирования — больше водород отдать они не могли — после этого лигнин перестал обладать антистатическими свойствами. Авторы проверили антистатические свойства березы, сосны, клена и скорлупы орехов — фенольный состав лигнина, оцененный с помощью углеродного ядерного магнитного резонанса, оказался схожим.

Лигнин обладает не только антистатическими свойствами, но и отвечает за окраску дерева. Если его удалить, как и поступили американские ученые четыре года назад с липовым бруском, то можно получить прозрачную древесину, а если после этого залить ее эпоксидной смолой, то она станет в пять раз прочнее.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.