Журнал физической химии, 2019, T. 93, № 2, стр. 307-312
Широкополосная диэлектрическая спектроскопия лигнина
К. Г. Боголицын a, b, С. С. Хвиюзов a, *, А. С. Волков b, Г. Д. Копосов b, М. А. Гусакова a
a Российская академия наук, Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова
Архангельск, Россия
b Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова
Архангельск, Россия
* E-mail: khviyuzov.s@yandex.ru
Поступила в редакцию 15.02.2018
Аннотация
Методом диэлектрической спектроскопии исследованы электрофизические свойства малоизмененного препарата лигнина в диапазоне частот от 10–2 до 106 Гц и температур от ‑120 до 160°С. Обработка результатов проведена на основе модели частотной дисперсии Гавриляка–Негами. Выделено наличие нескольких механизмов релаксации диэлектрической проницаемости. Определена энергия активации температурно-зависимой релаксации.
Исследования, направленные на изучение и использование колоссальных возобновляемых ресурсов биомассы растений, приобретают все большую актуальность. Среди них все большее внимание привлекает лигнин – ароматический полифункциональный полимер нерегулярного строения, занимающий второе место среди биополимеров по распространенности в природе, его содержание в лиственной древесине составляет 18–24%, а в хвойной – 27–32%. Лигнины являются потенциальным источником широкого круга химических соединений и ценным сырьем для производства новых видов материалов [1–3].
В последнее время значительный интерес проявляется к исследованию электрофизических свойств полиароматических соединений и материалов, полученных на их основе. Одним из основных направлений исследований в данной области является синтез упорядоченных супрамолекулярных ансамблей, объединяющих в единую систему сопряжения различные типы молекул, обладающих электронодонорными и электроноакцепторными свойствами [4, 5]. Лигнинные полимеры за счет особенностей полифункциональной природы, наличия в макромолекуле реакционных центров с различными донорно-акцепторными свойствами, полимолекулярной ароматической структуры, системы сопряжений в макромолекулах обладают наиболее выраженными электропроводными свойствами среди биополимеров [6–8]. Вместе с тем, в литературе приводится крайне мало данных по электрофизическим свойствам лигнинов.
Для полимеров, обладающих неупорядоченной структурой, характерен прыжковый механизм проводимости за счет туннельного или активационного движения носителей заряда между участками сопряжения [7, 9]. Отдельные заряды или системы зарядов в структуре вещества называются релаксаторами, которые при возбуждении изменяют положение в пространстве – совершают “прыжки”. Параметрами, характеризующими данный механизм проводимости, являются частота прыжков ν:
где ν0 – частота собственных колебаний, Гц; ∆E – энергия активации, Дж; k – постоянная Больцмана, Дж/K; T – температура, K; и время релаксации – время от одного “прыжка” до другого, τ = 1/ν, с.Целью данной работы является исследование электрофизических свойств лигнина в широком диапазоне частот переменного электрического поля и температур. Задача данного исследования состоит в определении числа возбуждаемых релаксаторов, приходящихся на определенный интервал частот колебаний электрического поля, их энергии активации.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Препарат лигнина выделен из древесины можжевельника методом Пеппера [10] и охарактеризован по элементному составу на анализаторе EvroEA 3000 (“EvroVector”, Италия), функциональному составу по общепринятым методикам [11]. Молекулярно-массовые характеристики определены методом эксклюзионной ВЭЖХ: хроматографическая система LC-20 (“Shimadzu”, Япония), колонка MCX (8 × 300 мм, PSS, Германия), элюент 0.1 M водный раствор NaOH, изократический режим, детектирование при длине волны 280 нм. ИК-спектр лигнина записан на ИК-Фурье-спектрофотометре IRAffinity-1 (“Shimadzu”, Япония) при разрешении 2 см–1 в диапазоне 4000–400 см–1 в бромиде калия.
Методом прямого спектрофотометрического титрования в термостатируемой при 25°С ячейке в атмосфере азота дифференцировано определены константы кислотной ионизации трех основных типов фенольных структурных единиц лигнина в водной среде [12].
Эффективный окислительный потенциал $\varphi _{{02}}^{*}$ лигнина определен методом косвенной оксредметрии в системе K3[Fe(CN)6]–K4[Fe(CN)6], соотношением 10–3/10–5 М, в среде 0.01 М КОН при 25°С в атмосфере азота [13]. Величина свободной энергии окисления фенольных структур лигнина ∆G рассчитана по формуле:
где n – число электронов, участвующих в реакции; F – постоянная Фарадея, Кл/моль.Исследование электрофизических свойств лигнина, предварительно высушенного под вакуумом, проводилось методом диэлектрической спектроскопии с помощью спектрометра BDS Novocontrol Concept 80 (Германия). Диапазон частот колебаний электрического поля составил от 10–2 до 106 Гц. Измерения осуществлялись в диапазоне температур от –120°С до 160°С системой криостатитрования спектрометра парами жидкого азота. Определены величины удельной электрической проводимости σ, действительной ε' и мнимой ε'' компонент комплексной диэлектрической проницаемости ε*:
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В качестве объекта исследования выбран представительный малоизмененный препарат диоксанлигнина можжевельника, выделенный в количестве 27% от содержания лигнина в древесине. Лигнин можжевельника по строению и функциональному составу занимает промежуточное положение между хвойными и лиственными лигнинами, характеризуется наличием гваяцильных и сирингильных структур. Относительное содержание сирингильных структур определено методом деконволюции характеристической полосы поглощения ароматических колец при 1512 см–1 ИК-спектра лигнина и составляет 16% [14]. Элементный состав лигнина: 62.5% углерода, 6.4% водорода, 31.1% кислорода; содержание фенольных гидроксильных групп – 2.5, карбонильных – 3.7, карбоксильных – 0.7, метоксильных – 16.5%. Среднечисловая молекулярная масса Mn лигнинного полимера составила 2100, среднемассовая Mw 7900 Да, полидисперсность Mw/Mn 3.8. По данным элементного и функционального состава рассчитана эмпирическая формула фенилпропанового структурного звена лигнина C9H8.90O2.12(OCH3)1.02(OHфен)0.28(OCO)0.25(OOHCOOH)0.03.
В макромолекулах лигнина основными реакционными центрами являются фенольные гидроксильные группы, обладающие различными кислотно-основными свойствами, поэтому для их характеристики дифференцировано определены величины рKа основных фенольных структур. К таким структурам относятся: структуры I с сопряженной с бензольным кольцом карбонильной группой рKа1 = 7.7, несопряженные гваяцильные IIa и сирингильные IIb структуры с рKа2 = 9.9 и конденсированные структуры III с углерод-углеродной связью в пятом положении бензольного кольца рKа3 = 11.7 ед., представленные на рис. 1. Кроме того, в лигнине присутствует незначительное количество карбоксильных групп, их рKа составляет 4.2–4.8 ед [1].
Фенолят-анионы обладают высокой реакционной способностью в процессах окисления. Величина $\varphi _{{02}}^{*}$ исследуемого лигнина составила 850 мВ, что соответствует изменению свободной энергии окисления фенольных структур $\Delta G = - 164$ кДж/моль OHфен. Кислотно-основные свойства фенольных структур характеризуют процесс ионизации лигнина с образованием соответствующего фенолят-аниона и протона, а окислительно-восстановительные – окисление фенолят-анионов. Данные взаимодействия протекают с участием носителей зарядов, что, вместе с особенностями строения и функциональной природы, свидетельствует о наличии электропроводных свойств лигнинного полимера.
При взаимодействии с электрическим полем происходит дипольная поляризация полярных функциональных групп лигнина – фенольных и алифатических гидроксильных, карбонильных, карбоксильных. Частотные зависимости σ, ε' и ε'' лигнина при различных температурах приведены на рис. 2–4.
Из данных представленных на рис. 2 следует наличие значительной температурной зависимости удельной электрической проводимости в области низких частот, в области высоких частот наблюдается сближение частотных зависимостей. Вблизи ω ≈ 10–1 рад/с на зависимости σ(ω) при температуре 140°С наблюдается максимум, который присутствует на зависимостях ε'(ω) (рис. 3) и ε''(ω) (рис. 4). На рис. 4 видно исчезновение максимума ε''(ω) при ω ≈ 103 рад/с. Вид графиков частотной дисперсии, представленных на рис. 2–4, свидетельствует о релаксационном механизме поляризации и электрической проводимости, что характерно для полимеров [9, 15].
Анализ измерений частотно-температурных зависимостей компонент диэлектрической проницаемости предполагает: во-первых, выявление групп релаксаторов, определение их времен релаксации, оценку энергий активации, и, во-вторых, определение дисперсионных параметров ведущей частотной дисперсии.
Первый способ выявления релаксаторов связан с анализом зависимостей ε''(ω) при различных температурах (рис. 4). Можно отметить наличие трех видов релаксаторов: в области низких частот, в области средних частот – по частоте максимума ε'', и в области высоких частот – по перегибу зависимости ε''(ω) вблизи ω ≈ 106 рад/с.
Второй способ выявления релаксаторов связан с исследованием температурных зависимостей ε'' при различных частотах, представленных на рис. 5. Время релаксации для i-той группы релаксаторов связано с ωmax:
Величина Ai зависит от параметров частотной дисперсии, для дебаевской дисперсии А = 1. Температурная зависимость времени релаксации определяется уравнением: Из последнего выражения для частот максимумов (ωmax)i:(6)
$\frac{1}{{{{{\left( {{{\omega }_{{\max }}}} \right)}}_{i}}}} = \frac{1}{{{{\omega }_{{0i}}}}}\exp \left( {\frac{{{{{\left( {\Delta {{E}_{\tau }}} \right)}}_{i}}}}{{kT}}} \right).$По значению коэффициента а определена энергия активации времени релаксации ΔЕτ, переведенная в эВ. Используя закон Аррениуса по зависимостям ε'' = f(1/T) рассчитана энергия активации ΔЕσ релаксаторов. Полученные результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1.
№ | T, K | Диапазон частот, рад/с | ΔЕτ, эВ | ΔЕσ, эВ | ω0, рад/с |
---|---|---|---|---|---|
1 | 185–300 | 3 × 106–1 | 0.63 | 0.24 | 6 × 107 |
2 | 240–360 | 150–0.1 | 0.41 | 0.099 | 2.1 × 1017 |
3 | 300–430 | 0.0628 | туннельный переход | 0.36 | – |
Исследуемые релаксаторы имеют ионную природу. Известно, что перенос заряженных частиц между звеньями лигнина осуществляется в результате ионизации полярных ионогенных групп [6]. К этим релаксаторам можно добавить и релаксаторы, связанные с адсорбированной водой на поверхности гранул порошка лигнина, так как двойной электрический слой при переходе от границы гранул к свободной воде (в области отрицательных температур – льду) содержит носители: L- и D-ориентационные дефекты, ионные дефекты ОН‑ и Н3О+ [16]. Определены вклады каждой группы релаксаторов в значения ε'' при разных частотах с использованием формулы, описывающей зависимость ln ε'' от температуры Т и lnω:
где ci, К; di – коэффициенты.Величины ci и di описывают температурные зависимости $\ln \varepsilon _{i}^{{''}} = f(1{\text{/}}T)$ (рис. 5), являются функциями от (ln ω) и определены в виде полиномиальных представлений, полученных из анализа зависимостей (8) при различных частотах ω. При анализе зависимостей (8) в диапазоне частот 837–7.25 × 106 рад/с выявлено две группы, а в диапазоне частот 0.836–96.7 рад/с – три группы релаксаторов. Так, на частоте переменного электрического поля 7.24 рад/с зависимости (8) имеют вид:
Различия коэффициентов ci и di для каждой из групп релаксаторов свидетельствует о различном вкладе этих групп в результирующее значение ε''.В 1966 г. Гавриляк и Негами [17] для описания релаксационных явлений в полимерах предложили математическую модель частотной дисперсии диэлектрических свойств в виде:
(9)
$\varepsilon = {{\varepsilon }_{\infty }} + \frac{{{{\varepsilon }_{{\text{S}}}} - {{\varepsilon }_{\infty }}}}{{{{{\left( {1 + {{{\left( {i\omega {{\tau }_{{{\text{HN}}}}}} \right)}}^{{1 - \alpha }}}} \right)}}^{\beta }}}},$Согласно этому уравнению частотной дисперсии действительная и мнимая части имеют вид:
(10)
$\varepsilon {\text{'}} = {{\varepsilon }_{\infty }} + \left( {{{\varepsilon }_{{\text{S}}}} - {{\varepsilon }_{\infty }}} \right){{r}^{{ - \beta /2}}}\cos \beta \theta ,$(11)
$\varepsilon {\text{''}} = \left( {{{\varepsilon }_{{\text{S}}}} - {{\varepsilon }_{\infty }}} \right){{r}^{{ - \beta /2}}}\sin \beta \theta ,$(12)
$\begin{gathered} r = {{\left[ {1 + {{{\left( {\omega \tau } \right)}}^{{1 - \alpha }}}\sin \left( {\alpha \pi {\text{/}}2} \right)} \right]}^{2}} + \\ + \;{{\left[ {{{{\left( {\omega \tau } \right)}}^{{1 - \alpha }}}\cos \left( {\alpha \pi {\text{/}}2} \right)} \right]}^{2}}, \\ \end{gathered} $(13)
$\theta = {\text{arctg}}\left[ {\frac{{{{{\left( {\omega \tau } \right)}}^{{1 - \alpha }}}\cos \left( {\alpha \pi {\text{/}}2} \right)}}{{1 + {{{\left( {\omega \tau } \right)}}^{{1 - \alpha }}}\sin \left( {\alpha \pi {\text{/}}2} \right)}}} \right].$Для дальнейшего анализа применили метод Коул–Коула (Арганда), представленный зависимостью $\varepsilon _{{{\text{р е л }}}}^{{''}} = f(\varepsilon {\text{'}})$. В (11) мнимая часть диэлектрической проницаемости представлена релаксационной частью за вычетом вклада сквозной проводимости:
(14)
$\varepsilon _{{{\text{р е л }}}}^{{''}} = \varepsilon {\text{''}} - {{\sigma }_{{\text{S}}}}{\text{/}}({{\varepsilon }_{0}}\omega ).$Используя полиномиальное представление $\varepsilon _{{{\text{р е л }}}}^{{''}} = f(\varepsilon {\text{'}})$ определены значения статической εS и высокочастотной ε∞ диэлектрической проницаемости. Определение параметров частотной дисперсии α, β и τ осуществлялось исходя из полиномиального представления зависимостей $\varepsilon _{{{\text{р е л }}}}^{{''}}$ и ε' и их последующим дифференцированием [15], а также путем анализа частотных зависимостей [19]. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2.
T, °C | εs | ε∞ | α | β |
---|---|---|---|---|
160 | 9.11 | 7.95 | 0.52 | 0.98 |
100 | 8.48 | 8.06 | 0.64 | 0.85 |
40 | 8.35 | 8.02 | 0.92 | 1 |
–10 | 8.13 | 7.98 | 0.89 | 0.93 |
–60 | 8.22 | 8.04 | 0.87 | 0.84 |
Приведенные значения дисперсионных параметров εS, ε∞, α и β имеют интегративный характер, так как отражают вклад релаксаторов 1 и 2 группы. Большие значения α отражают уширение спектра времен релаксации. Согласно [20] обобщенная формула частотной дисперсии диэлектрической проницаемости имеет вид:
(15)
$\varepsilon = {{\varepsilon }_{\infty }} + \Delta \varepsilon \int\limits_0^\infty {\frac{{g(\tau )d\tau }}{{1 + j\omega {{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} ,$(16)
$g(\tau )\, = \,\frac{1}{\pi }\frac{{{{{\left( {{\tau \mathord{\left/ {\vphantom {\tau {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right)}}^{{\beta \left( {1 - \alpha } \right)}}}\sin \left( {\beta \varphi } \right)}}{{{{{\left[ {{{{\left( {{\tau \mathord{\left/ {\vphantom {\tau {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right)}}^{{2\left( {1 - \alpha } \right)}}}\, + \,2{{{\left( {{\tau \mathord{\left/ {\vphantom {\tau {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{\tau }_{{{\text{HN}}}}}}}} \right)}}^{{1 - \alpha }}}\cos \left( {\pi \left[ {1 - \alpha } \right]} \right)\, + \,1} \right]}}^{{\beta /2}}}}},$(18)
${{\varepsilon }_{{\text{S}}}} - {{\varepsilon }_{\infty }} = \frac{{{{q}^{2}}{{\delta }^{2}}n}}{{6kT{{\varepsilon }_{0}}}},$Таким образом, показано, что для лигнинного полимера характерно наличие, в том числе, ионной проводимости. В результате исследования частотно-температурных зависимостей электрофизических свойств лигнина в диапазоне температур от –120°С до 140°С и частот от 10–2 до 106 Гц выявлено три группы возбуждаемых релаксаторов. Произведена оценка энергии активации для каждой из этих групп. Наибольший вклад в изменения ε' и ε'' вносят две группы: группа в области частот от 103 рад/с изменяет ε' от 8.0 до 8.5, а другая возбуждается при температуре выше 100°С, увеличивая ε' от 8.5 до 12 и удельную электрическую проводимость σ на 2 порядка на частоте 6.28 × 10–2 рад/с.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 18-03-00672 А и ФАНО России проект № АААА-А18-118012390231-9 с использованием оборудования ЦКП КТ РФ-Арктика (ФИЦКИА РАН).
Список литературы
Физическая химия лигнина / Под ред. К.Г. Боголицына, В.В. Лунина. М.: Академкнига, 2010. 492 с.
Hatakeyama H., Hatakeyama T. // Adv. Pol. Sci. 2010. V. 232. P. 1.
Lignin and Lignans: Advances in Chemistry / Ed. by C. Heitner, D. Dimmel, J.A. Schmidt. CRS Press, 2010. 683 p.
Yourre T.A., Rudaya L.I., Klimova N.V. et al. // Semicond. 2003. V. 37. № 7. P. 807.
Organic Electronic Materials. Conjugated Polymers and Low Molecular Weight Organic Solids / Ed. by R. Farchioni, G. Grosso. Berlin: Springer-Verlag, 2001. 450 p.
Химия сульфитных методов делигнификации древесины / Под ред. К.Г. Боголицына, В.М. Резникова. М.: Экология, 1994. 288 с.
Chupka E.I., Rykova T.M. // Chem. Nat. Comp. 1983. V. 19. № 1. P. 82.
Dielectric Properties of Wood and Wood-Based Materials / Ed. by G. Torgovnikov. Berlin: Springer-Verlag, 1993. 196 p.
Физика полимерных диэлектриков / Под ред. Ю.А. Гороховатского, Е.А. Карулиной, Д.Э. Темнова. СПб.: РГПУ, 2013. 124 с.
Pepper J.M., Wood P.D.S. // Canad. J. Chem. 1962. V. 40. P. 1026.
Functional Analysis of Lignins and Their Derivatives / Ed. by G.F. Zakis. Atlanta: GaTAPPI Press, 1994. 94 p.
Kosyakov D.S., Hviyuzov S.S., Gorbova N.S. et al. // Rus. J. Appl. Chem. 2013. V. 86. № 7. P. 1131.
Самылова О.А., Айзенштадт А.М., Боголицын К.Г. и др. // Лесн. журн. 2002. № 6. С. 98.
Bogolitsyn K.G., Gusakova M.A., Khviyuzov S.S. et al. // Chem. Nat. Comp. 2014. V. 50. № 2. P. 337.
Физика пассивных диэлектриков / Под ред. Г.Д. Копосова, А.В. Тягунина. Архангельск: САФУ, 2013. 108 с.
Tonkonogov M.P. // Phys. Usp. 1998. V. 41. № 1. P. 25.
Havriliak S., Negami S. // J. Polym. Sci. C. 1966. V. 14. P. 99.
Ольхов Ю.А., Черников С.С., Михайлов А.И. // Хим. раст. сырья. 2001. № 2. С. 83.
Волков А.С., Волкова Ю.В. // Физ. вест. САФУ. 2015. Вып. 14. С. 119.
Ramos A., Pezzin S.H., Farias H.D. et al. // Phys. B: Phys. Conden. Mat. 2016. V. 499. P. 57.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал физической химии