ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕЦИФИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НАТИВНОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ С ВОДОЙ С ПОМОЩЬЮ ЯМР

Многие отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства интенсивно используют материалы, в состав которых входит целлюлоза. Повсеместное применение этого биополимера связано с его уникальными свойствами. В процессе формирования структуры целлюлозы важную роль играет вода. Однако многие аспекты взаимодействия целлюлозы с водой до сих пор не нашли своего разрешения. В настоящей исследовательской работе предпринята попытка, ориентированная на расширение знаний о системе целлюлоза-вода. В работе показана модель надмолекулярной структуры целлюлозы, элементарная фибрилла которой состоит из 36 цепочек. Микрофибрилла целлюлозы образована 4 сокристаллизующимися элементарными фибриллами. При этом микрофибриллы формируют макрофибриллу, которая характеризуется наличием пор с щелевидной формой. Эта модель позволяет более наглядно представить механизм адсорбционного процесса. Предложена схема локализации молекул адсорбата в монослое с образованием специфических донорно-акцепторных водородных связей. В рамках теории Бломбергена-Парселла-Паунда показана возможность определения емкости монослоя воды в целлюлозе. Учитывая Аррениусовский характер времен корреляции тепловых движений молекул адсорбата и их взаимосвязь с временами спин-спиновой релаксации, вычислена энергия активации молекулярного обмена, эквивалентная чистой теплоте адсорбции, в рамках водного бислоя. Разработанная методика позволяет рассчитать поперечные размеры пор в межкристаллитном пространстве, заполняемого водой на разных этапах увлажнения. В частности, показано, что вогнутый изгиб изотермы сорбции соответствует заполнению микропор с размерами не более 18 Å. А дальнейший адсорбционный процесс приводит к началу капиллярной конденсации в более крупных порах.

Ключевые слова: целлюлоза, адсорбция воды, чистая теплота адсорбции, ядерный магнитный резонанс, время спин-спиновой релаксации.

STUDY OF THE SPECIFIC INTERACTION OF NATIVE CELLULOSE WITH WATER USING NMR

Many industrial and agricultural industries make heavy use of cellulose-based materials. The widespread use of this biopolymer is associated with its unique properties. Water plays an important role in the formation of cellulose structure. However, many aspects of the interaction between cellulose and water have not yet been resolved. This research attempts to expand knowledge of the cellulose-water system. The paper shows a model of the supramolecular structure of cellulose, the elementary fibril of which consists of 36 chains. The microfibril of cellulose is formed by 4 co-crystallizing elementary fibrils. In this case, microfibrils form a macrofibril, which is characterized by the presence of slit-like pores. This model makes it possible to more clearly represent the mechanism of the adsorption process. A scheme for the localization of adsorbate molecules in a monolayer with the formation of specific donor-acceptor hydrogen bonds is proposed. Within the framework of the Blombergen-Purcell-Pound theory, the possibility of determining the capacity of water monolayer in cellulose is shown. Taking into account the Arrhenius character of the correlation times of thermal motions of adsorbate molecules and their relationship with the spin-spin relaxation times, the activation energy of molecular exchange, equivalent to the net heat of adsorption, is calculated within the water bilayer. The developed technique makes it possible to calculate the transverse dimensions of pores in the intercrystalline space filled with water at different stages of moistening. In particular, it was shown that the concave bend of the sorption isotherm corresponds to the filling of micropores with sizes not exceeding 18 Å. And the further adsorption process leads to the onset of capillary condensation in larger pores.

Keywords: cellulose, water adsorption, net heat of adsorption, nuclear magnetic resonance, spin-spin relaxation time.