-
شیمی چوب
دید کلی
در یک برش عرضی از تنه درخت ، ساختار قابل رویت چوب به ترتیب از مرکز چوب به سمت بیرون عبارتند از: مغز چوب ، چوب یا زایلم ، لایه زاینده (کامبیوم) ، پوست.
http://pnu-club.com/imported/2012/04/123.jpg
مغز چوب
مغز ، که در قسمت مرکزی و وسط ساقه یا شاخه قرار دارد، به صورت یک نوار سیاهرنگ قابل تشخیص است. مغز شامل بافتهایی است که در طی اولین سال رشد درخت تشکیل شده‌اند.
چوب (زایلم)
قسمت چوب ، یک لایه ضخیم است که در کنار سلولهای زاینده به صورت حلقه‌های متحد المرکز (رویش‌های سالانه) آرایش می‌یابد. در درخت در حال رشد ، چوب عموما از سلولهای زنده تشکیل شده است. چوب محکم‌ترین و مقاوم‌ترین قسمت تنه برای کارهای ساختمانی است. در جهت برش‌های افقی ، شیره درخت از پوست درخت از میان نسوج شعاعی عبورمی‌کند و به چوب می‌رسد.
نقش نسوج شعاعی در مقاومت چوب بسیار مهم است. در واقع این نسوج مانند بست‌هایی هستند که الیاف چوب را به همدیگر محکم می‌کنند و نگاه می‌دارند و از خم شدن و از هم‌گسیختگی رشته می‌کاهند. به مرور زمان در اطراف مغز چوب ، بافتی از سلولهای مرده تشکیل می‌گردد که چوب پیر نام دارد. این قسمت معمولا از چوب جوانی که آن را احاطه کرده است محکم‌تر می‌باشد و حاوی مقادیری رنگ و مواد قلیایی است.
در مقطع عرضی درختانی مثل گردو ، آلبالو و نارون ، چوب مرکزی یا چوب پیر دیده می‌شود. چوب جوان معمولا رنگ روشنی دارد، اما چوب پیر تیره‌تر می‌باشد.
لایه زاینده (کامبیوم)
ناحیه کامبیومی ، لایه بسیار نازکی است که شامل سلولهای زنده می‌باشد و بین بافت چوبی اولیه و پوست داخلی (آبکش) قرار دارد. تقسیم سلولی و رشد شعاعی درخت در این ناحیه صورت می‌گیرد. تعداد سلولهایی که تولید می‌شوند و به بافت چوبی داخلی می‌پیوندند، بیشتر از تعداد سلولهایی است که به طرف آبکش (قسمت خارجی) می‌روند. یعنی سلولهای آوند آبکشی کمتر از سلولهای بافت چوبی تقسیم می‌شوند. به این دلیل ، بیشترین حجم درخت را چوب تشکیل می‌دهد تا پوست.
رشد درخت
درخت از طریق تقسیم سلولی به دو صورت رشد می‌کند: رشد طولی و رشد عرضی (شعاعی). رشد طولی (اولیه) که در اولین فصل سال رخ می‌دهد، در انتهای ساقه‌ها ، شاخه‌ها و ریشه انجام می‌شود و نقاط رشد ، داخل جوانه‌ها که در پاییز سال قبل تشکیل شده‌اند قرار دارد. رشد عرضی (شعاعی) همانطور که ذکر شد در ناحیه لایه زاینده (کامبیوم) صوت می‌گیرد.
پوست
پوست درخت در برابر ضربات و ضایعات مکانیکی از چوب محافظت می‌کند. این قسمت ، از دو لایه تشکیل شده است: لایه بیرونی (پوست خارجی) و لایه داخلی (آبکش). لایه نازک پوست داخلی (آبکش) ، انتقال شیره درخت به شاخه‌ها و ذخیره آنها را بر عهده دارد.
http://pnu-club.com/imported/2012/04/124.jpg
تقسیم بندی چوب‌ها
درختان ، متعلق به تیره گیاهان بذرده هستند که به دو دسته بازدانگان و نهاندانگان تقسیم می‌شوند. سوزنی‌برگان (نرم چوب‌ها) به دسته اول و پهن برگان (سخت چوب‌ها) به دسته دوم تعلق دارند.
سخت چوب‌ها
این دسته ، شامل چوب درختان پهن برگ می‌باشد. بافت چوب درختان پهن برگ تنها در زمانی که درخت برگ دارد، رشد می‌کند. رشد و نمو در بهار شروع می‌شود و به مرور در پاییز متوقف می‌شود. لذا حلقه سالیانه این درختان به صورت یکنواخت از چوب بهاره دارای رنگ روشن به طرف چوب پاییزه تیره رنگ تغییر می‌کند. نام سخت چوب‌ها ، بدلیل نوع بافت آنها است و دلیل بر سخت‌تر بودن کلیه چوب‌های این دسته نمی‌باشد.
برخی از درختان پهن برگ عبارتند از: گردو ، انجیر ، بلوط ، چنار ، راش ، تبریزی ، سپیدار و افرا. از جمله موارد استفاده از این نوع چوب‌ها ، ساخت مبلمان ، در و پنجره و نازک کاری در ساختمان می‌باشد.
نرم چوب‌ها
شامل چوب درختان سوزنی برگ است. بافت چوب درختان سوزنی برگ در طول سال ، زمان رشد بیشتری دارد این نوع درختان در بهار و تابستان با شدت بیشتری رشد می‌کنند و سپس تا پایان فصل سرما این رشد و نمو به کندی می‌گراید و به آرامی ادامه پیدا می‌کند. به این دلیل ، چوب پاییزه و بهاره در حلقه سالیانه براحتی از یکدیگر تمیز داده می‌شود و رنگ آنها این مساله را مشخص می‌کند.
در فصل بهار ، بدلیل وجود آب فراوان و خاک سرشار از مواد غذایی موجب می‌شود که سلولهای پهن با دیواره نازک تشکیل شوند و بافتی متخلخل و نسبتا کمرنگ بوجود آورند. اما با کاهش سرعت رشد در اواخر تابستان ، چوب پاییزه شکل می‌گردد که متشکل از الیاف دیواره ضخیم است و به ساقه مقاومت و استحکام مکانیکی می‌دهد و فشرده‌تر ، تیره‌تر و مقاومتر از چوب بهاره می‌باشد.
ریز ساختار چوب
ترکیبات تشکیل دهنده سلول چوب عبارتند از: کربوهیدراتها ، لیگنین ، مواد استخراجی ، ترکیبات معدنی.
کوبوهیدراتها
کربوهیدراتهای موجود در چوب ، عمدتا از سلولز و همی‌سلولزها تشکیل شده است.
سلولز
سلولز ، جزء اصلی چوب است. در اغلب گونه‌ها در حدود 40 تا 45% چوب خشک ، سلولز است. سلولز یک هوموپلی ساکارید تشکیل شده از واحدهای گلوکز است. مولکولهای سلولز ، کاملا خطی هستند و تمایل شدید به تشکیل پیوندهای هیدروژنی بین مولکولی دارند. در نتیجه ، دسته‌هایی از مولکولهای سلولز با یکدیگر مجتمع می‌شوند و زیرلیفچه ها را تشکیل می‌دهند. از تجمع زیرلیفچه‌ها و از تجمع لیفچه‌ها ، لیف سلولزی تشکیل می‌شود.
بر اثر همین ساختار لیفی و پیوندهای هیدروژنی محکم ، سلولز از مقاومت کششی بالایی برخوردار است و در اغلب حلال‌ها ، نامحول می‌باشد.
- همی‌سلولزها: همی‌سلولزها ، هتروساکاریدهایی هستند که معمولا بین 20 تا 30% نسبت وزنی چوب خشک را تشکیل می‌دهند و همچون سلولز به عنوان ماده ساختمانی در دیواره سلول عمل می‌کنند. در اثر اسید ، بسادگی به اجزای تکپاری خود آبکافت می‌شوند. همی‌سلولزهای سوزنی برگان عبارتند از: گالاکتوگلوکامانان ، آرابینوگلوکورونوزایلان ، آرابینوگالاکتان ، نشاسته و مواد پکتیکی.
همی‌سلولزهای پهن برگان عبارتند از: گلوکورونوزایلان ، گلوکومانان ، نشاسته و مواد پکتیکی.
لیگنین‌ها
لیگنین ، بسپاری متشکل از واحدهای فنیل پروپان است و با اتصال‌هایی از نوع اتصال‌های استری یا اتری گلیکوزیدی با کربوهیدراتها ، پیوند برقرار می‌کنند. پس از خارج ساختن پلی ساکاریدها به وسیله آبکافت از چوب عاری از مواد استخراجی و عصاره ای ، لیگنین به صورت توده نامحلولی باقی می‌ماند. همچنین می‌توان لیگنین را آبکافت کرد و از چوب خارج نمود یا آن را به به مشتقات محلول تبدیل کرد.
مواد استخراجی
تعداد زیادی از اجزای شیمیایی موجود در چوب که در کل بخش کوچکی را تشکیل می‌دهند، در حلالهای آلی خنثی یا در آب انحلال پذیرند. این اجزا را مواد استخراجی می‌گویند. در ترشحات بیرون زده از درخت که بر اثر آسیب‌های مکانیکی یا حمله حشرات و قارچها تراوش می‌کنند نیز ترکیبهای مشابهی مشاهده می‌شود. مواد استخراجی را به دو دسته چربی دوست و آب دوست تقسیم می‌کنند و غالبا اصطلاح "رزین" را برای مجموعه عصاره های چربی دوست (به استثنای فنل‌ها) قابل حل در حلالهای غیر قطبی و غیر قابل حل در آب بکار می‌برند.
ترکیبهای عصاره‌ای ، مواد اولیه خام ارزشمندی در ساخت مواد شیمیایی بشمار می‌آیند و در فرایندهای تولید خمیر و کاغذ هم تاثیرگذار می‌باشند. برای ادامه اعمال بیولوژیک درخت ، انواع مواد عصاره‌ای مورد نیاز است. به عنوان مثال ، چربی‌ها منبع انرژی سلولهای چوب هستند در حالی که ترپنوئیدها ، اسیدهای رزینی و مواد فنلی ، چوب را در برابر آسیب‌های بیولوژیکی یا حمله حشرات محافظت می‌کنند.
اندکی یون های فلزی ، معمولا بخش عاملی آنزیم‌ها را که در بیوسنتز به عنوان کاتالیزور عمل می‌کنند، تشکیل می‌دهند. مواد استخراجی چوب عبارتند از:
- ترپنوییدها و استروییدها: که در کانالهای رزینی یافت می‌شوند.
- چربی‌ها و موم‌ها: در سلولهای پارانشیم پره چوبی یافت می‌شوند.
- عصاره‌های فنلی: عمدتا در چوب درون و در پوست متمرکزند.
- ترکیبهای معدنی چوب: چوب دارای اندکی ترکیبهای معدنی است که به صورت خاکستر اندازه گیری می‌شود و به ندرت از 1% نسبت به وزن چوب خشک تجاوز می‌کند. خاکستر ، معمولا شامل نمک‌هایی از قبیل کربنات‌ها ، سیلیکات‌ها ، اگزالات‌ها و فسفات‌هاست. فراوانترین یون‌های فلزی در خاکستر عبارتند از: کلسیم ، پتاسیم و منیزیم. مقدار یون‌های فلزات آهن و منگنز در حدود 110ppm است و مقدار یون‌های سایر فلزات حتی کمتر از 10ppm است.
http://pnu-club.com/imported/2012/04/125.jpg
تبدیل شیمیایی چوب
مواد شیمیایی حاصل از چوب را بسته به منشاء آنها و فنون جداسازی و فراورش آنها می‌توان به چند گروه تقسیم کرد.
فراورده های حاصل از استخراج
بیشتر مواد غیر ساختاری (غیر پلیمری) چوب را با استفاده از استخراج به کمک حلالهای مناسب یا تیغ زدن و جمع آوری رزین می‌توان بدست آورد. مواد استخراجی را می‌توان مستقیما بکار برد یا پس از جداسازی و تبدیل شیمیایی به انواع فراورده‌های با ارزش افزوده مطلوب تبدیل کرد. از فراورده‌های مواد استخراجی ، موارد زیر را می‌توان نام برد:
- اولئورزین:فراورده های اصلی اولئورزین شامل تربانتین (متشکل از ترپنوییدها) و روزین (مخلوطی از اسیدهای رزینی) است. تربانتین عمدتا به عنوان حلال برای ساخت انواع جلا و رنگ برای ساخت مواد شیمیایی و تولید رزین‌های پلی‌ترپن کاربرد دارد که این رزین‌ها در تولید چسب‌های حساس به فشار و چسب حرارتی و موارد مشابه به مصرف می‌شود. از کاربردهای دوزین عبارتند از: در صنعت آهاردهی ، امولسیون کننده های بسپارش ، انواع چسب‌ها و افزودنی‌ها به مرکب چاپ.
- موم‌ها و استروییدها:موم‌ها عمدتا مخلوطی از استرهای الکل‌های آلیفاتیک و اسیدهای چرب هستند و به منظورهای مختلف از قبیل چسباننده یا جایگزین واکس کربن بکار می‌رود.
- ترکیبهای فنلی:مهمترین ترکیبهای فنلی ، فلاونوییدها و تانن‌های متراکم (کندانسه) می‌باشند و کاربردهای فراوانی در صنایع تغذیه و دباغی چرم و چسب‌سازی دارند.
- لاستیک طبیعی ، گوتاپرشار بالاتا: که همگی بسپارهایی از واحدهای ایزوپرنی هستند.
فراورده های هیدرولیز (آبکافت)
پلی ساکاریدهای چوب را با هیدرولیزی اسیدی یا هیدرولیز آنزیمی و یا با روش تخمیر به مونوساکاریدها آبکافت می‌کنند که این مونوساکاریدها (قندها) به انواع ترکیبات شیمیایی قابل تبدیل هستند.
- تبدیل حرارتی:تبدیل گرمایی چوب در دماهای بالا به دو روش پیرولیز (تقطیر چوب) و گازسازی صورت می‌گیرد. در فرایند پیرولیز ، مهمترین فراورده ، زغال است. اما مقداری گاز و قطران نیز تشکیل می‌شود. از تقطیر حاصل از پیرولیز ، آلدهیدها ، کتون‌ها ، اسیدها و استرها ، انواع فنول‌ها از جمله کروزول و نیز مواد تیره‌مانند بدست می‌آیند و گازهای حاصل از تقطیر معمولا شامل دی‌اکسید کربن ، مونوکسید کربن ، هیدروژن ، متان و سایر هیدروکربن‌ها می‌باشد.
در روش گاز سازی ، تبدیل چوب به گاز در اثر تجزیه حرارتی آن بوسیله سوزاندن نسبی انجام می‌گیرد و گاز حاصل ، محتوی هیدروژن ، کربن مونوکسید ، کربن دی‌اکسید ، متان و آب است. این گاز را می توان مستقیما به عنوان سوخت مصرف کرد یا آن را به انواع فراورده های شیمیایی بویژه متانول و آمونیاک تبدیل نمود.
خواص فیزیکی چوب
- قابلیت هدایت حرارتی چوب کم است و به این دلیل ، برای ساختن عایق‌های حرارتی مناسب است.
- گرمای ویژه چوب خیلی زیاد است و به همین دلیل ، در برابر خورشید و تابش آن برخلاف فلزات سطحش سوزاننده نیست و در محیطهای بسیار سرد یخ نمی‌زند.
- چوب ، به علت قابلیت ارتجاعی قادر به تقویت اصوات می‌باشد و انتشار صوت در چوب در جهات مختلف متفاوت است.
- چوب‌های سبک ، اصوات را بهتر جذب می‌کنند و هر چه سطح چوب نامنظم‌تر و مرطوب‌تر باشد، خاصیت عایق بودن آن در برابر صدا بیشتر است.
- میزان هدایت الکتریکی چوب وابسته به درصد رطوبت چوب می‌باشد و بطور کلی ، چوب‌های خشک ، عایق جریان برق هستند.
کاربردهای چوب
در سطح جهانی ، چوب یک ماده خام فراوان و تجدید شونده است که برای تولید انرژی و مواد شیمیایی بکار می‌رود. چوب همواره نقش مهمی را در تولید انواع وسایل به عهده داشته است که به مرور زمان ، اکثر آنها با مواد پتروشیمیایی جایگزین شده است. با وجود اهمیتی که مواد پتروشیمیایی دارند، نباید فراموش کرد که منابع نفتی و فسیلی پایان پذیرند و قیمت آنها رو به افزایش است.
به علاوه ، نگرانی‌های زیست محیطی سبب شده است که به چوب و تبدیل شیمیایی آن به انواع سوخت و مواد شیمیایی ، توجه بیشتری بشود. در صنایع و موارد گسترده و گوناگونی کاربرد دارد، مانند: کشتی سازی ، هواپیما سازی ، صنعت حمل و نقل و بسته بندی ، کاغذ سازی ، ابریشم و چرم مصنوعی ، پارچه بافی ، فیلم سازی ، ساخت ابزار موسیقی و... .
چوب به عنوان یکی از مصالح ساختمانی در کلیه امور قابل استفاده مباشد و به علت برخورداری از تاب مناسب فشاری و کششی ، از آن علاوه بر مصارف روزمره ، برای ساختن پل‌ها و اعضای طاق‌های پوسته ای نیز استفاده می‌شود. چوب در تزئینات داخلی و خارجی ، به عنوان یکی از بهترین و زیباترین مصالح طبیعی به طراحان کمک شایانی می‌کند.
