Materiały konstrukcyjne pochodzenia naturalnego

Transkrypt

1 CHEMIA A SPOŁECZEŃSTWO Materiały konstrukcyjne pochodzenia naturalnego Marek Kwiatkowski Zakład Dydaktyki Chemii Wydział Chemii UG ul. Sobieskiego 18, Gdańsk tel. (058) kwiatm@chem.univ.gda.pl

2 Naturalne materiały konstrukcyjne Roślinne: drewno papier włókna roślinne Zwierzęce: skóra włókna pochodzenia zwierzęcego

3 Drewno lekkie tanie dekoracyjne wytrzymałe łatwe do obróbki mało odporne na degradację łatwopalne higroskopijne anizotropowe

4 Budowa drewna Długie, proste łańcuchy celulozy, polimeru kondensacyjnego zbudowanego z cząsteczek glukozy powiązanych wiązaniem β-1,4-glikozydowym Od kilku tysięcy do kilkunastu tysięcy monomerów w łańcuchu Wiązania wodorowe pomiędzy równolegle ułożonymi łańcuchami, splecionymi w długie, mocne włókna celuloza

5 Budowa drewna, cd. Krótsze łańcuchy hemicelulozy, heteropolimeru różnych cukrów (glukozy, ksylozy, arabinozy, maltozy), i kwasów (galakturonowego, mannuronowego) Kilkaset jednostek monomerycz-nych Włókna z cząsteczek powią-zanych wiązaniami wodorowymi Długie włókna celulozy splatają się poprzecznie z krótkimi włóknami hemicelulozy tworząc mocną sieć przestrzenną

6 Budowa drewna lignina: nieregularny, bezpostaciowy polimer koniferolu lignina działa jak klej, spajając zanurzony weń splot włókien celulozy i hemicelulozy w mocne, sztywne tworzywo o charakterze kompozytowym koniferol przykładowa struktura ligniny

7 Produkcja papieru mechaniczne rozdrobnienie drewna zmiękczenie drewna usunięcie ligniny w postaci związków rozpuszczalnych w wodzie: gotowanie z wodnym roztworem wodorosiarczynu wapnia Ca(HSO 4 ) 2 (metoda siarczynowa) gotowanie z wodnym roztworem wodorotlenku sodu NaOH i siarczku sodu Na 2 S (metoda siarczkowa, metoda Krafta) dalsze rozdrobnienie na miazgę włókien bielenie miazgi chlorem Cl 2, podchlorynem wapnia Ca(ClO) 2 lub dwutlenkiem chloru ClO 2 mycie miazgi roztworem NaOH i płukanie wodą odciśnięcie nadmiaru wody, nawinięcie na walce, kalandrowanie i suszenie

8 Recykling papieru rozdrobnienie papieru i zmieszanie z wodą, powstanie miazgi włókien usunięcie nadmiaru farby drukarskiej dodanie do miazgi drzewnej przed procesem bielenia

9 Recykling papieru, cd. papier stanowi największą frakcję w odpadach komunalnych, recykling pozwala na oszczędzenie ograniczonej pojemności wysypisk: recykling 1 tony papieru oszczędza 3 m 3 składowiska papier na wysypiskach rozkłada się bardzo powoli (kilkanaście lat) w Europie ponad połowa papieru podlega recyklingowi papier gazetowy zawiera ok. 60% papieru z recyklingu papier 100% z recyklingu zawsze jest szary, dlatego stosuje się go do produkcji kartonu, opakowań, itp. papier można poddawać recyklingowi 6-8 razy: utrata właściwości mechanicznych

10 Bawełna Włókna okrywy nasion roślin z rodzaju Gossypium to praktycznie czysta celuloza.

11 Tkanina bawełniana prostoliniowe cząsteczki celulozy układają się równolegle, wiążąc się ze sobą poprzecznie wiązaniami wodorowymi pomiędzy grupami hydroksylowymi i tworząc mikrowłókna mikrowłókna splatają się w grubsze włókna, z których zostaje splecona nić bawełniana z nici zostaje utkana tkanina bawełniana

12 Wiskoza Działanie na celulozę NaOH i CS 2 : lepki roztwór ksantogenianu. Wyciskanie ksantogenianu na powrót do roztworu kwasu nieorganicznego: odtworzenie celulozy w postaci folii (celofan) lub gładkich, cienkich włókien (sztuczny jedwab) Co na to środowisko?

13 Produkty z wiskozy wata celofan sztuczny jedwab

14 Tajemnica prasowania

15 Inne włókna roślinne len juta sizal

16 Papier czerpany Początkowo papier był produkowany wyłącznie ze szmat. Szmaty były zbierane przez licencjonowanych szmaciarzy Rozmoczone szmaty rozdrabniano na włókna. Włókna osadzano na płaskich sitach, formując arkusz papieru

17 Wełna Włosy zwierzęce zbudowane są z białka keratyny Struktura keratyny: łańcuchy polipeptydowe bogate w hydrofobowe aminokwasy i cysteinę zwinięte w lewostronną α-helisę dwa łańcuchy zwijają się w prawostronną superhelisę wskutek oddziaływania regularnie ułożonych hydrofobowych aminokwasów mostki disiarczkowe łączą równolegle ułożone superhelisy w mocne mikrowłókna.

18 Jedwab też jest włóknem białkowym GlySerGlyAlaGly

19 Tajemnice ondulacji trwałej

20 Kolagen Kolagen jest głównym białkiem strukturalnym zwierzęcej skóry, ścięgien, więzadeł, i chrząstki. Jest również podstawowym komponentem białkowym kości i zębów Struktura kolagenu: łańcuch polipeptydowy bogaty w glicynę, prolinę, hydroksyprolinę i hydroksylizynę, zwinięty w lewostronną α-helisę trzy α-helisy zwinięte w prawostronną potrójną superhelisę, związaną licznymi wiązaniami wodorowymi

21 Skóra Materiałem konstrukcyjnym skóry zwierzęcej są splecione ze sobą łańcuchy kolagenu, powiązane w większe struktury za pomocą różnorodnych oddziaływań. Garbowanie skóry polega na denaturacji białek zawartych w skórze z pozostawieniem struktury ciasno splecionych włókien kolagenu. solenie skór (30 dni) wymycie nadmiaru soli wodą rozmiękczanie w roztworze mleka wapiennego (CaO) usuwanie sierści garbowanie garbniki roślinne (tanina) garbniki nieorganiczne (ałuny, np. CrK(SO 4 ) 2, AlNH 4 (SO 4 ) 2 wykończenie: farbowanie, licowanie, namaszczanie

22 Czy słodycze szkodzą zębom? Ca 5 (PO 4 ) 3 OH(s) deminaralizacja reminaralizacja 5Ca 2+ (aq) + 3PO 4 3- (aq) + OH - (aq) Składnikiem mineralnym kości i zębów jest tzw. hydroksyapatyt, czyli zasadowy fosforan wapnia Ca 5 (PO 4 ) 3 OH(s) (nie węglan!).