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LA MADERA Industrias de Transformación Química - 2019

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LA MADERA

Industrias de Transformación Química - 2019

(2)

LA MADERA

Es un material heterogéneo y anisótropo.

(3)

LA MADERA

MATERIAL HETEROGÉNEO

Está formado por diversos tipos de células especializadas que forman tejidos, la madera no es un material homogéneo.

ANISÓTROPO

Ciertas propiedades físicas y mecánicas no son las mismas en todas las direcciones que pasan por un punto determinado, si no que varían en función de la dirección en la que se aplique el esfuerzo. Dado que la madera es un material formado por fibras orientadas en una misma dirección, es un material anisótropo.

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LA MADERA

(5)

LA MADERA

(6)

LA MADERA

(7)

LA MADERA

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ESTRUCTURA DE LA MADERA

CONÍFERAS (fibra larga)

•Traqueidas areoladas

•Canales resiníferos

•Radios leñosos

•Células de parénquima

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ESTRUCTURA DE LA MADERA

LATIFOLIADAS (fibra corta)

•Vasos

•Fibras

•Radios leñosos

•Células de parénquima

(10)

PARED CELULAR

(11)

PARED CELULAR

(12)

PARED CELULAR

LUMEN DE LA FIBRA

PARED

SECUNDARIA

PARED PRIMARIA LAMINILLA MEDIA

Lámina S3

Lámina S2

Lámina S1

(13)

PARED CELULAR

(14)

LA MADERA

Composición elemental:

Carbono (C) 50 % Oxígeno (O) 42 % Hidrógeno (H) 6 % Nitrógeno (N) 1 % Otros elementos 1 %

(15)

QUÍMICA DE LA MADERA

MADERA

LIGNINA CARBOHIDRATO

S EXTRACTIVOS

CELULOSA HEMICELULOSA

(16)

QUÍMICA DE LA MADERA

(17)

QUÍMICA DE LA MADERA

COMPOSICIÓN CONÍFERAS (%) LATIFOLIADAS (%)

CELULOSA 42 +- 2 45+-2

HEMICELULOSA 27+-2 30+-2

LIGNINA 28+-3 20+-4

EXTRACTIVOS 3+-2 5+-3

(18)

CELULOSA

CELULOSA

(19)

CELULOSA

CELULOSA:

Componente principal de la madera.

Constituye el elemento estructural de las paredes de los vasos, fibras, traqueidas, etc.

Posee alta estabilidad química y física que

le otorga características especiales.

(20)

CELULOSA

La molécula de celulosa es un homopolímero lineal constituido por unidades de GLUCOSA (C

6

H

12

O

6

), con estructura de anillo piranósico, unidas entre sí por enlaces B-1,4 glicosídicos.

Poseen dos grupos funcionales finales, un extremo reductor

formado por el grupo aldehído potencial y en el otro un

grupo alcohol no reductor.

(21)

CELULOSA

La unión de 2 unidades de ß glucosa, con pérdida de 1 molécula de agua, y cuyos núcleos están girados 180º da lugar a la Celobiosa.

La unión de n unidades de Glucosa da lugar a la Celulosa.

(22)

CELULOSA

Definición: polímero de cadena lineal formado por n unidades de ß anhidroglucosa (C

6

H

10

O

5

) , unidas mediante enlaces ß–

1-4-O-glucosídicos.

n: número de unidades de ß anhidroglucosa que forma la celulosa, define su Grado de Polimerización GP.

GP: 10.000 – 15.000

(23)

CELULOSA

Las cadenas de celulosa son lineales, alargadas y las unidades de glucosa están enlazadas en un plano debido a tres razones:

•las uniones glicosídicas,

•la conformación de silla piranósica y

•los sustituyentes están orientados ecuatorialmente.

(24)

CELULOSA

Esta cadena lineal tiene tendencia a formar puentes de hidrógeno inter e intramoleculares. La importancia fundamental de esto es que le permiten a las cadenas de celulosa formar estructuras empaquetadas, de tipo cristalino, con un elevado grado de ordenamiento lateral junto con otras moléculas.

Esta estructura tiene características fibrosas.

(25)

CELULOSA

(26)

CELULOSA

La cristalinidad de la celulosa se encuentra en función de la gran cantidad de puentes de hidrógeno.

La celulosa es la responsable de determinadas

propiedades físicas y mecánicas de las

maderas por

constituir el material

de sostén del árbol,

dándole resistencia y

tenacidad.

(27)

CELULOSA

La celulosa posee un alto nivel de

cristalinidad.

Si bien en la madera el grado de

cristalinidad es alto (60 a 85%), existen algunas regiones que estan mas

desordenadas denominadas

celulosa amorfa o subcristalina. Estas regiones son mas

reactivas que las

regiones cristalinas y por ende mas

degradables.

A U M E N T A N D I S M I N U Y E N

Resistencia a la tracción Elongación Resistencia al rasgado Absorción de agua

Rigidez Hinchamiento

Estabilidad dimensional Absorción de colorantes Densidad Flexibilidad

Módulo de Young

(elasticidad) Reactividad química

Variación de propiedades de la hoja de papel con el aumento de la cristalinidad:

(28)

CELULOSA

La celulosa es de naturaleza hidrofílica, propiedad muy importante para la fabricación de papel.

Atracción polar de las moléculas de agua y los grupos hidroxilos

Uniones de puentes hidrógeno

(29)

CELULOSA

Modelos de Celulosa

(30)

CELULOSA

La molécula tiene muchos grupos funcionales que pueden reaccionar fácilmente, pero en la estructura supramolecular estos grupos están ocupados formando puentes de hidrógeno que mantiene unidas las largas cadenas de celulosa entre sí.

Por lo tanto la accesibilidad de la celulosa no es tan alta como se supone.

Se deben generar las condiciones adecuadas para que la

celulosa reaccione químicamente. Esto se logra con agentes

hinchantes (agua, bases fuertes).

(31)

CELULOSA

CELULOSA: Componente principal de la madera

• Es un homopolisacárido

• De cadena lineal

• De estructura fibrosa

• De color claro

• Muy estable

• Insoluble en agua

• Insoluble en disolventes

orgánicos neutros

(32)

HEMICELULOSA

HEMICELULOSA

(33)

HEMICELULOSA

HEMICELULOSAS o POLIOSAS:

Cadenas de hidratos de carbono.

Se encuentran íntimamente entremezcladas y combinadas químicamente con la lignina y celulosa.

Constituyen un material de soporte de la pared celular.

Su contenido oscila alrededor del 20 al 30% del peso seco de la madera.

(34)

HEMICELULOSA

Definición : Son heteropolisacáridos constituidos por diferentes unidades de monosacáridos (glucosa, manosa, galactosa, xilosa y arabinosa), enlazados por diferentes tipos de enlaces acetálicos o glicosídicos del tipo α y β.

•Son estructuras ramificadas.

•Más cortas que la celulosa (GP 50 a 300)

•Con grupos laterales acetilos y/o ácidos urónicos.

(35)

HEMICELULOSA

Se encuentran unidas a la lignina y a la celulosa.

De baja masa molecular (si se compara con la celulosa) oscilando alrededor de 200.

GP : 50-300

Son sustancias amorfas con grado de cristalinidad muy bajos, por lo tanto son mas reactivas que la celulosa.

Su estado desordenado y su bajo peso molecular hacen que la degradación de las hemicelulosas sea mucho más rápida.

(36)

HEMICELULOSA

Principales constituyentes:

HEXOSAS:

Galactopiranosa Glucopiranosa Manopiranosa

PENTOSAS:

Arabinopiranosa Xilopiranosa Arabinofuranosa

ACIDOS URONICOS

Ac. Glucuronico Ac. Galacturonico Ac. Metilglucuronico ESTRUCTURA

(37)

HEMICELULOSA

Las hemicelulosas están formadas por una cadena base donde se repite la unidad estructural y cadenas laterales, denominadas ramificaciones. La unidad estructural varía para cada hemicelulosa (para coníferas, predominan los glucomananos; para latifoliadas, predominan los xilanos).

Las hemicelulosas debido a las diferentes posibilidades de combinación de los monosacáridos son numerosas y varían en su estructura. La composición y estructura de las hemicelulosas varían grandemente en dependencia del tipo de madera (coníferas o latifoliadas).

Las hemicelulosas del fuste, difieren en su estructura de las presentes en las ramas, raíces y corteza.

ESTRUCTURA

(38)

HEMICELULOSA

ESTRUCTUR A

(39)

HEMICELULOSA

Las hemicelulosas se encuentran en la pared celular, desde la lámina media hasta la lámina S3; siendo más abundantes en S1 y S3 y en menor proporción en la lámina S2.

Las hemicelulosas se unen a la celulosa en la pared celular formando complejos Polisacáridos-Polisacáridos y con la lignina complejos Lignina–Polisacáridos, por lo que la separación de los demás componentes de la pared celular resulta difícil.

LOCALIZACIÓ N

Las hemicelulosas son bastante accesibles al agua, hinchándose fácilmente, esta propiedad es muy útil en la producción de papel, actuando como adhesivo entre las fibras celulósicas aumentando la resistencia del papel.

ACCESIBILIDA D

(40)

HEMICELULOSA

La presencia de un grupo carbonilo terminal libre y varios grupos hidroxilo en cada una de las unidades de polisacáridos presentes, hace que puedan experimentar reacciones de oxidación, reducción, nitración, acetilación.

Son importantes las reacciones de hidrólisis por el enlace glicosídico, degradándose las cadenas de hemicelulosas. Estas reacciones ocurren con mayor facilidad que en las celulosas, debido a:

• Son sustancias amorfas

• Presentan bajo grado de cristalinidad

• Presentan mayor accesibilidad por parte de los reactivos químicos

REACTIVIDAD QUÍMICA

(41)

HEMICELULOSA

Monosacáridos (lineales y cíclicos) Aldopentosas

L-arabinosa L-arabinopiranosa L-arabinofuranosa

(42)

HEMICELULOSA

Monosacáridos Aldohexosas

D (+) Glucosa D (+) Glucopiranosa D (+) Glucopiranosa

(43)

HEMICELULOSA

Monosacáridos Acidos urónicos

Ac Glucurónico Ac. Glucuronopiranosa Ac Glucuronopiranosa

(44)

HEMICELULOSA

Coníferas

Latifoliadas

(45)

HEMICELULOSA

(46)

LIGNINA

LIGNINA

(47)

LIGNINA

LIGNINA: actúa como aglomerante o adhesivo que mantiene unidos los demás componentes entre sí.

Posee propiedades aglutinantes que conforman la consistencia fibrosa de las maderas (revistiendo las células del xilema), donde realizan la función mecánica de

sostén sostén.

Constituye la mayor parte de la laminilla

media que rodea y cementa entre si a las

fibras, vasos y traqueidas.

(48)

LIGNINA

Molécula de Lignina de Abeto según Adler

(49)

LIGNINA

La lignina no es un carbohidrato, es un compuesto aromático constituido por unidades de fenilpropano.

La química de la lignina es compleja;

si bien es un polímero no puede convertirse en sus partes de monómero sin alterar sus unidades estructurales.

Sus unidades estructurales no son de

idéntica estructura, ni están ligadas unas

a otras de la misma manera.

(50)

LIGNINA

Principales uniones entre monómeros de la molécula de lignina

(51)

LIGNINA

Se trata de un polímero tridimensional formado a partir de monómeros fenólicos que se encadenan originando moléculas gigantescas que pueden reaccionar por todas partes con otras próximas y unirse químicamente a ellas.

Este encadenamiento es desordenado, además su disposición espacial le da rigidez y resistencia a las fuerzas de compresión.

(52)

LIGNINA

La lignina no se encuentra en la naturaleza como materia independiente del armazón celular, aparece siempre en compañía de la celulosa.

La fuerte unión de la sustancia cementante (Lignina) con la constituyente del armazón (Celulosa), sólo puede romperse por acción de reactivos enérgicos.

La separación de la lignina conlleva una degradación de su estructura por lo que resulta difícil obtener una lignina idéntica a la que se encuentra en la madera.

SEPARACIÓN DE LIGNINA:

1. Disolver la lignina y luego obtenerla por precipitación

2. Disolver la celulosa y los hidratos de carbono, quedando la lignina como residuo.

(53)

REPRESENTACION DE LA MADERA SEGÚN FENGEL

CELULOSA

HEMICELULOSA

LIGNINA

(54)

EXTRACTIVOS

EXTRACTIVOS

(55)

EXTRACTIVOS

Sustancias Extraíbles:

• Taninos

• Aceites esenciales

• Grasas y ácidos grasos

• Ácidos resínicos

• Hidratos de carbono solubles

• Ceras

• Gomas

• Etc.

(56)

EXTRACTIVOS

Las Sustancias Extraíbles de la madera pueden tener gran influencia en las propiedades y calidad de la madera, aunque ellos contribuyan sólo en algún porcentaje en la masa total de la madera (2 a 8% del peso total).

Su designación se basa en la posibilidad de extraerlos a partir de la madera, con agua fría o caliente o con solventes orgánicos neutrales tales como alcohol, benceno, acetona o éter.

Estas sustancias sirven para caracterizar ciertas especies.

Frecuentemente son las causales del color y olor de la madera, así como de su mayor o menor resistencia al ataque de insectos y hongos que provocan su pudrición.

Los extractivos están depositados en los lúmenes y paredes celulares.

(57)

EXTRACTIVOS

Los componentes químicos aquí presentes son de diferentes clases y pueden ser divididos en componentes orgánicos y componentes inorgánicos.

Entre los compuestos orgánicos se pueden encontrar hidrocarburos alifáticos y aromáticos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, ácidos alifáticos, ceras, glicéridos, y compuestos nitrogenados.

Entre los compuestos inorgánicos se pueden encontrar

ciertos iones metálicos que son esenciales para el normal

desarrollo del árbol. Ciertos materiales inorgánicos, como

sales de calcio y sílice, no son solubles en los solventes

mencionados, pero a veces también se los considera

extractivos debido a que tampoco forman parte de la

pared celular.

(58)

EXTRACTIVOS

Compuestos químicos mas comunes que conforman los extractivos de la madera

C= Coníferas, L=Latifoliadas, M=Monocotiledoneas

(59)

EXTRACTIVOS

Algunos extractivos (como los compuestos fenólicos), proveen resistencia natural al ataque de insectos y hongos.

Otros extractivos, una vez separados, se convierten en productos de gran utilidad, como trementina, tanino, goma arábiga, caucho natural, etc.

A veces, la presencia de ciertos extractivos dificultan o

inhiben la utilización de una madera para determinados

productos, como por ejemplo en aquellas maderas que

contienen extractivos tipo fenólicos cuando se realiza su

pulpado por el proceso al sulfito.

(60)

EXTRACTIVOS

Problemas que generan los extractivos en la industria papelera:

• Disminución del rendimiento (para sp con alto contenido de extractivos, ej. Gleditzia amorphoides)

• Aumento en el consumo de reactivos

• Dificultad en la impregnación

• Problemas de “Pitch” (formacion de “stickies”)

• Formación de espuma

• Otros

(61)

BIBLIOGRAFÍA

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Academic Press.

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Referencias

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