ARACNE

Chimica del legno

Marinella BosettoIrene Lozzi

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I edizione: agosto 2008

Capitolo 1

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Indice

Capitolo I Il Legno ................................................................ 7 Capitolo II Proprietà fisiche del legno .................................... 29 Capitolo III I polisaccaridi del legno ....................................... 37 Capitolo IV La lignina .............................................................. 59 Capitolo V Composti estraibili dal legno ................................. 71 Capitolo VI La corteccia ........................................................... 101 Capitolo VII Derivati della cellulosa .......................................... 113 Capitolo VIII Combustione, carbonizzazione e distillazione secca del legno ....................................................... 129 Capitolo IX Gassificazione del legno ........................................ 155 Capitolo X Saccarificazione del legno .................................... 161 Capitolo XI Preparazione della pasta di legno per la produzione della carta .......................................... 169 Capitolo XII Processi di decolorazione della pasta di cellulosa e rimozione della lignina ...................................... 191 Capitolo XIII La carta ................................................................. 197 Bibliografia .................................................................................. 241

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Capitolo 1

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IL LEGNO

Cenni storici

La materia prima più importante e nota della biomassa forestale è il legno, nome con cui viene designata la parte sottocorticale (fusto, ra-mi, radici) delle piante arboree. Da un punto di vista tecnologico inve-ce si intende per legno semplicemente la parte più interna dei grossi fusti e delle radici, compreso anche il midollo centrale.

Il legno è stato utilizzato dall’uomo fin dalla notte dei tempi, come supporto per lame e/o asce di pietra, come materiale da costruzione per recinti, ricoveri, abitazioni, e infine come fonte di calore e di ener-gia. Infatti con la scoperta del fuoco è iniziato il lungo cammino del progresso umano: con il fuoco l’uomo ha potuto non solo scaldarsi nella stagione avversa, ma ha anche iniziato a cuocere il cibo e a con-servare nel tempo la dieta proteica affumicando ed essiccando la car-ne. Tramite il fuoco l’uomo ha, fortuitamente, scoperto i metalli ed il loro uso, prima lo stagno, poi il rame, quindi la loro lega, il bronzo. Con la scoperta del carbone di legna, che ha un potere calorifico mag-giore del legno (6.000-8.500 Kcal/Kg del carbone di legna contro i 1250-4.500 del legno), l’uomo poté utilizzare anche il ferro, la cui me-tallurgia iniziò forse in Mesopotamia nell’VIII e IX secolo a.C. In To-scana un esempio dell’industria dei metalli si trova nel Golfo di Popu-lonia, ove esistono i resti degli altiforni degli etruschi e poi dei roma-ni, che lavoravano lo stagno, il piombo, il rame ed il ferro delle Colli-ne Metallifere e dell’Isola d’Elba. Non a caso era stata scelta tale loca-lità, situata in un porto naturale, vicino alle miniere dei vari minerali e soprattutto vicina alla materia prima energetica necessaria alla loro la-vorazione, il legno, che proveniva da un entroterra composto da im-mense foreste mediterranee. In alcune zone litoranee della Toscana sono ancora visibili, al margine d’erosione della riva, strati alternati di residui degli antichi “altiforni”, formati dai classici “rosticci” ancora oggi ricchi di minerale, data la carente tecnologia allora usata.

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Anche ai nostri giorni il legno è di gran lunga la materia prima più richiesta per l’edilizia, per l’industria mobiliera, per l’uso chimico-tecnologico e per quello energetico (tre quarti dell’umanità usa ancora oggi il legno per cuocere il cibo e per scaldarsi). In USA l’86% delle abitazioni sono di legno, lo stesso vale per il Nord Europa e nei cosid-detti Paesi in via di sviluppo le percentuali sono ancora maggiori.

Il legno trova notevole impiego per come materiale da costruzione, perché è una materia prima a buon mercato, di piacevole aspetto ed abbastanza resistente nel tempo. Il legno ha tuttavia anche alcuni in-convenienti come l’ infiammabilità, la biodegradabilità, l’instabilità dimensionale legata al contenuto in acqua, la sensibilità all’esposizione ai raggi ultravioletti, agli acidi ed alle basi.

Struttura del legno

Nella terminologia botanica, col nome di legno (detto anche xilema o adroma) si indica un complesso di tessuti del fusto, dei rami e delle radici delle piante arboree, costituito oltre che dal tessuto vascolare in-teressato alla conduzione della linfa, da elementi parenchimatici (di riserva) e da elementi di sostegno.

Il legno risulta composto da una parte solida ed una fibrosa ricca di succhi. E’ costituito essenzialmente da un insieme di vasi e di fibre o-riginariamente costituite da cellulosa. Questa con l’andar degli anni viene sostituita parzialmente dalla lignina, che impregna le cellule dei tessuti ligniferi, aumentandone così le funzioni di protezione e di so-stegno. Nel legno è presente anche un gruppo numeroso di sostanze chimiche diverse, di costituzione simile e costituite prevalentemente da glucidi.

Un legno perfettamente secco ha una composizione chimica stabile (circa il 50% di C, il 6% di H, 43-45% di O e pochissimo N, circa lo 0.1%). Come composti secondari si trovano sostanze complesse come tannini, gomme, resine, proteine, sali minerali. L’umidità è variabile, a seconda dell’età e della stagionatura.

Dopo una lunga stagionatura il legno ha la seguente composizione media: circa l’84% di sostanze organiche, il 15% di acqua e l’1% di sostanze minerali, fra le quali prevalgono il carbonato di calcio e il

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carbonato di potassio. All’aumentare dell’età del legno si hanno au-menti delle percentuali di carbonio e di conseguenza si accresce anche il suo potere calorifico quando viene impiegato come combustibile.

Macroscopicamente, il legno presenta un colore caratteristico per ciascuna specie, talora marezzato, con risultati molto pregevoli dal punto di vista commerciale, diversamente lucente a seconda dello sta-to di levigazione (massimo nelle sezioni radiali, dove i raggi midollari producono quasi delle lucide specchiature). Solo determinate specie hanno un odore percettibile e caratteristico, come ad esempio la robi-nia ed il citiso freschi.

La possibilità di provenire dalle specie più disparate determina nel legno caratteri fisici che li distinguono uno dall’altro. Dal punto di vi-sta del colore esistono legni bianchi (acero, oleandro), legni citrini (sandalo), legni canarini (bossolo), verdognoli (olivo) o addirittura ne-ri (ebano). I legni teneri sono cattivi conduttori del calore e dell’elettricità, specie quando sono essiccati.

Alcune specie di legno hanno spiccate qualità armoniche e vengono pertanto impiegati nella fabbricazione di strumenti musicali: l’abete rosso dà un suono più acuto ed è usato per i violini, mentre legni come ebano, quercia, noce, acero consentono di giungere solo a note più basse.

Dal punto di vista della durezza i legni vengono classificati come: 1) ossei , ad es. il legno di guaiaco, estremamente duro; 2) molto duri, come il mandorlo, il corniolo, il bossolo, l’olivo, il rovere; 3) duri, come carpino, robinia, cerro, faggio; 4) mediamente duri (gelso, platano, castagno); 5) teneri, come la betulle ed il pino; 6) estremamante teneri, come l’abete, il tiglio, il pino cembro.

Alcuni legni, in genere di origine esotica, sono particolarmente o-

dorosi, e con profumo più o meno intenso (rosa, violetta, sandalo). Al-tri hanno odore di canfora o il caratteristico odore delle conifere che deriva dalla presenza della resina.

Il legno ha peso specifico variabile non solo da specie a specie ma anche a seconda dello stato di conservazione e della posizione dell’albero.

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Esiste infatti un particolare tipo di legno, che si forma in determina-te circostanze sotto vari tipi di sollecitazioni. Le cellule di questo tipo di legno sono diverse per struttura e composizione chimica da quelle omologhe del legno normale. Analizzando un pò più a fondo questo fenomeno, si trova che le cellule dei diversi tessuti di una pianta arbo-rea di solito non sono perfettamente omogenee dal punto di vista ana-tomico-strutturale e fisiologico, poiché numerosi sono i fattori che in-fluiscono sul loro accrescimento.

Una pianta che cresce sotto l’azione costante del vento, o del peso della neve, oppure su suolo in forte pendenza tende a rettificare le de-viazioni provocate da queste circostanze, cercando di riportarsi in po-sizione normale. In piante ad accrescimento monopodiale troviamo i cosiddetti tronchi “sciabolati”, mentre in quelle ad accrescimento sim-podiale troviamo tessuti diversi all’attaccatura dei rami. Come vedre-mo più avanti, tutto questo avviene in seguito alla produzione di uno speciale tessuto legnoso che prende il nome di legno di reazione. Que-sto legno, se si forma nelle conifere prende il nome di canastro, men-tre nelle latifoglie di legno di tensione.

Descrizione generale delle specie legnose

Gli alberi fanno parte delle piante da seme (Spermatofite), che si suddividono in Gimnosperme e Angiosperme. Il legno di conifere, o legno tenero, appartiene al primo gruppo e il legno duro, o legno di la-tifoglie al secondo. Sono note circa 520 specie di conifere e 30.000 di Angiosperme, la maggior parte delle quali cresce in foreste tropicali.

Nel Nord America si trovano circa 1200 specie arboree, mentre in Europa troviamo solo 10 specie di conifere e 51 di latifoglie che non siano state importate da altri Continenti. Questo numero limitato com-prende le specie che sono sopravvissute ai periodi di glaciazione, du-rante i quali specie come la Sequoia e la Pseudotsuga sono completa-mente scomparse dall’Europa.

Ogni albero si compone del tronco, della chioma (rami, cimali, fo-glie) e delle radici. L’acqua e gli elementi minerali che arrivano al tronco provengono dalle radici, che hanno quindi funzione nutritiva, oltre che di sostegno. Le radici infatti prendono dal suolo l’acqua e le

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sostanze minerali necessarie alla crescita della pianta e queste, attra-verso il tronco, arrivano ai rami ed alle foglie.

Nelle foglie verdi ricche di clorofilla avviene il fenomeno della fo-tosintesi, processo che, come è noto, sotto l’azione della luce solare trasforma sostanze inorganiche, come acqua e anidride carbonica, in composti organici. Questi composti tornano poi al tronco ed alle radi-ci, dove in parte servono all’accrescimento e in parte vengono accan-tonati come sostanze di riserva.

Il tronco, che occupa dal 50 al 90% del volume della pianta sostie-ne i rami, che compongono la chioma. Nel tronco si possono distin-guere la corteccia esterna, il ritidoma o corteccia interna, il cambio, l’alburno, il durame, i raggi midollari e gli anelli annuali, che esami-neremo in dettaglio più avanti. I tessuti del legno sono costituiti da cellule, diverse fra loro per forma, dimensione e funzioni, che vengo-no prodotte dal cambio all’inizio di ogni fase di vegetazione.

La corteccia assolve a diverse funzioni, agendo da protezione verso il mondo esterno e da trasporto degli elaborati foliari, il suo volume rispetto al tronco varia dal 7 al 20%.

Struttura macroscopica del legno

Il legno è composto da cellule allungate, in genere orientate in sen-so longitudinale rispetto al fusto e connesse fra loro da aperture o ca-vità. Queste cellule, la cui forma varia a seconda della loro funzione, danno all’albero il necessario sostegno meccanico e funzionano da trasportatrici sia per i liquidi che per le sostanze di riserva. In Figura 1 si può vedere la struttura macroscopica del legno come appare ad oc-chio nudo. La striscia nera centrale rappresenta il midollo che sta al centro del fusto o dei rami e che si è formato durante il primo anno di crescita della pianta. Lo xilema, o legno, è organizzato in anelli con-centrici che rappresentano la crescita annuale, e contiene anche dei raggi orizzontali che vanno dalla corteccia esterna al midollo (raggi primari) o dalla corteccia esterna agli anelli annuali (raggi secondari). Alcune conifere contengono anche canali resinosi. La parte più interna di un albero di solito consiste di legno di colore scuro, o durame, men-

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tre la parte più esterna, o alburno, è di colore più chiaro e trasporta ac-qua dalle radici alle foglie.

Figura 1. Sezione trasversale di tronco con struttura macroscopica del legno.

Il cambio è la zona meristematica che produce legno verso l’interno

del tronco e corteccia (libro più ritidoma) all’esterno. Durante un pe-riodo vegetativo il cambio produce da 105 a 110 cellule in senso ra-diale e 10-12 verso l’esterno: ne risulta un maggior sviluppo in volu-me del legno in confronto alla corteccia. Il legno delle zone temperate presenta anelli concentrici detti anelli annuali o anelli di accrescimen-to annuale, di cui l’ultimo, sotto la corteccia, è il cambio attivo, che entra in riposo durante l’inverno. Tuttavia, il cambio può entrare in ri-poso anche in periodi diversi dall’inverno, ad esempio in periodi di siccità o a causa di alte temperature, per poi riprendere la sua attività quando la situazione ritorna normale, con conseguente formazione di un ulteriore anello estivo- autunnale. Le cellule del legno primaverile hanno in genere dimensioni maggiori di quelle sviluppate nel periodo estivo- autunnale, che hanno un maggior spessore e colorazione più scura. La zona del cambio è uno strato molto sottile formato da cellule

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vive, fra la parte legnosa (xilema) e la corteccia interna (floema). In questa parte avviene la divisione cellulare e la crescita radiale dell’albero.

L’albero vivente

Esaminiamo ora le varie fasi della crescita di un albero. Come già visto, l’albero si accresce mediante la divisione cellulare

e l’estensione del suo periodo di crescita dipende in larga misura dal clima. In molte zone del Nordamerica e della Scandinavia la crescita massima avviene fra maggio e settembre ed è particolarmente intensa in primavera. La maggior parte delle cellule si trasforma in cellule permanenti e solo poche di esse restano cellule in crescita, ancora in grado di dividersi.

La crescita di un albero è continua, anche se rallenta nel corso del tempo. Le sequoie giganti (Sequoiadendron Giganteum) della Califor-nia possono raggiungere l’età di 4000 anni, crescere fino a 100 metri d’altezza e possono misurare 12 m di diametro alla base.

La crescita longitudinale, o crescita primaria, che avviene all’inizio della stagione, procede lungo lo stelo, i rami e le radici. I punti di cre-scita si trovano dentro i germogli, che si erano formati nell’autunno precedente. La crescita radiale comincia nel cambio che è composto da un singolo strato di cellule viventi (cellule iniziali)che hanno una parete cellulare sottile e sono riempite di protoplasma.

La zona del cambio consiste di varie file di cellule, tutte capaci di dividersi. Ogni divisione delle cellule iniziali produce una nuova cel-lula iniziale ed una cellula madre nello xilema, che a sua volta dà ori-gine a due cellule figlie, ognuna capace di ulteriore divisione.

Vengono prodotte più cellule verso l’interno dello xilema che non verso l’esterno del floema, le cellule del floema si dividono più rara-mente che non quelle dello xilema. Per questa ragione gli alberi con-tengono più legno che corteccia.

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Sviluppo della cellula

Quando una cellula si divide dapprima sviluppa una cellula piatta, ricca di sostanze pectiche. Ognuna delle nuove cellule si circonda di una parete primaria sottile ed estensibile che consiste di cellulosa, e-micellulose, pectina e proteine. Nella fase seguente di differenziazione la cellula dapprima si espande fino a raggiungere le dimensioni defini-tive, dopo di che inizia la formazione della parete secondaria, più spessa. In questo stadio, la parete è formata da cellulosa ed emicellu-lose. La lignificazione comincia mentre la parete secondaria si sta an-cora formando.

Figura 2. Sviluppo della cellula vivente alla fibra del legno.

Anelli annuali

All’inizio della sua crescita, un albero ha bisogno di un efficace trasporto di acqua. Nelle latifoglie, speciali canali si incaricano del trasporto dell’acqua. Si forma così un tipo di legno che possiamo chiamare legno iniziale, poco colorato e poroso. Poi la velocità di cre-scita decresce e si produce il legno maturo, o terminale, formato da fi-