Evaluation of birch bark strength by quantitative study of hydrogen bonds by IR spectroscopy

Abstract

Методами Фурье инфракрасной спектроскопии произведено сравнение систем водородных связей (Н-связей) в природной естественной бересте и технической беленой целлюлозы эвкалипта. Интервалы исследования частот (волновых чисел) 3000-3700 см-1 и 2700-3700 см-1 содержат область поглощения гидроксильными группами ОН, частоты которых порядка 3400, 3300, 3200 см-1 наиболее чувствительны к возникновению Н-связей целлюлозы. Отличительная особенность исследования состоит в том, что все измерения ИК –спектров пропускания и механического воздействии производились на натуральной бересте, упругой при продольном растяжении. Уменьшение пропускания вдали от полос поглощения связывалось с рассеянием излучения на естественной неоднородности древесины материала бересты, которая благодаря высокому качеству спилов оказалось достаточно малым, чтобы препятствовать детальному исследованию спектров поглощения (поглощательной способности). Для оценки параметров Н-связей производилась деконволюция полос поглощения гидроксильных ОН групп на 7 и 9 гауссовых контуров с целью исследования влияния метил-метилена на коэффициент регрессии R^ и исследования природы порядка взаимодействия в целлюлозосодержащем сырье, так называемый характеристический «носик» для дальнейших исследованиях, т.к. нами не рассматривается в данной работе. В дальнейшем анализировались только параметры контуров деконволюции, относящиеся к гидроксильным группам. Принималось, что каждый гаусс контур деконволюции может быть ассоциирован с определенным типом Н-связи (водородной связи). Определяется сдвиг частот компонент деконволюции, т.е. максимумов гаусс контуров относительно собственной частоты колебаний гидроксильной группы, не охваченной по этой причине Н-связью. Для определения энергии Н-связей использовались литературные данные по корреляции энергии Н-связи с частотным сдвигом. Относительная плотность Н-связей оценивалась по отношению площадей гаусс контуров деконволюции. Оказалось, что энергии и плотности для всех типов связи различаются. Оказалось, что плотности наиболее сильных межмолекулярныхводородных связей, энергии и длины связей одного порядка величины природной бересты и технической беленой целлюлозы, при деконволюции спектра в области ОН безпогрешностей показательна и полезно для сравнительного анализа с разными породами лиственных и хвойных целлюлозосодержащих, вместо принятой ранее высокотехнологичной беленой и небеленой конденсаторной бумаги. The systems of hydrogen bonds (H-bonds) in natural natural birch bark and technical bleached eucalyptus cellulose have been compared by the methods of Fourier infrared spectroscopy. Study frequency intervals (wave numbers) of 3000–3700 cm–1 and 2700–3700 cm–1 contain the absorption region of hydroxyl groups of OH, whose frequencies in the order of 3400, 3300, 3200 cm–1 are most sensitive to the formation of H-bonds of cellulose. A distinctive feature of the study is that all measurements of IR-spectra of transmittance and mechanical influence were made on natural birch bark, elastic under longitudinal stretching. The decrease of transmittance far from absorption bands was due to scattering of radiation on natural heterogeneity of birch bark wood material, which due to high quality of cuttings turned out to be small enough to prevent detailed study of absorption spectra (absorptivity). To estimate parameters of H-bonds, we performed deconvolution of absorption bands of hydroxyl OH groups on 7 and 9 gauss contours in order to study the effect of methyl methylene on the regression coefficient R^ and study the nature of the interaction order in cellulosebearing raw material, the so-called characteristic «nose» for further research as it is not considered in this paper. In the following, only the parameters of the deconvolution contours related to hydroxyl groups were analyzed. It was assumed that each Gaussian deconvolution contour can be associated with a certain type of H-bond (hydrogen bond).The shift in the frequencies of the deconvolution components, i.e. the maxima of the Gaussian contours relative to the natural frequency of the hydroxyl group, not covered by the H-bond for this reason, was determined. Literature data on the correlation of H-bond energy with frequency shift were used to determine the H-bond energy. The relative density of H-bonds was estimated from the ratio of Gaussian deconvolution contour areas. The energies and densities were found to be different for all bond types. It was found that the densities of the strongest intermolecular hydrogen bonds, energies and bond lengths of the same order of magnitude of natural birch bark and technical bleached cellulose, when deconvolving the spectrum in the OH region without error are indicative and useful for comparative analysis with different species of hardwood and softwood cellulose, instead of the previously adopted high-tech bleached and unbleached condensed paper.