Chimica del legno

Marinella Bosetto
Irene Lozzi
Chimica del legno
ARACNE
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via Raffaele Garofalo, 133 A/B
00173 Roma
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ISBN
978–88–548–2026–5
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I edizione: agosto 2008
Capitolo 1
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 ..................................................................................
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Capitolo 1
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, rami, radici) delle piante arboree. Da un punto di vista tecnologico invece 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 energia. 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 conservare nel tempo la dieta proteica affumicando ed essiccando la carne. 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 maggiore 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 metallurgia iniziò forse in Mesopotamia nell’VIII e IX secolo a.C. In Toscana un esempio dell’industria dei metalli si trova nel Golfo di Populonia, ove esistono i resti degli altiforni degli etruschi e poi dei romani, che lavoravano lo stagno, il piombo, il rame ed il ferro delle Colline Metallifere e dell’Isola d’Elba. Non a caso era stata scelta tale località, situata in un porto naturale, vicino alle miniere dei vari minerali e
soprattutto vicina alla materia prima energetica necessaria alla loro lavorazione, il legno, che proveniva da un entroterra composto da immense 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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Capitolo I
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 chimicotecnologico 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 cosiddetti 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 inconvenienti 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 interessato 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 originariamente 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 sostegno. 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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Il legno
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carbonato di potassio. All’aumentare dell’età del legno si hanno aumenti 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 stato 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 robinia 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 vista del colore esistono legni bianchi (acero, oleandro), legni citrini
(sandalo), legni canarini (bossolo), verdognoli (olivo) o addirittura neri (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 odorosi, e con profumo più o meno intenso (rosa, violetta, sandalo). Altri 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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Capitolo I
Esiste infatti un particolare tipo di legno, che si forma in determinate 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 arborea di solito non sono perfettamente omogenee dal punto di vista anatomico-strutturale e fisiologico, poiché numerosi sono i fattori che influiscono 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 deviazioni provocate da queste circostanze, cercando di riportarsi in posizione normale. In piante ad accrescimento monopodiale troviamo i
cosiddetti tronchi “sciabolati”, mentre in quelle ad accrescimento simpodiale troviamo tessuti diversi all’attaccatura dei rami. Come vedremo più avanti, tutto questo avviene in seguito alla produzione di uno
speciale tessuto legnoso che prende il nome di legno di reazione. Questo legno, se si forma nelle conifere prende il nome di canastro, mentre 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 latifoglie 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 comprende le specie che sono sopravvissute ai periodi di glaciazione, durante i quali specie come la Sequoia e la Pseudotsuga sono completamente scomparse dall’Europa.
Ogni albero si compone del tronco, della chioma (rami, cimali, foglie) 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
Il legno
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sostanze minerali necessarie alla crescita della pianta e queste, attraverso il tronco, arrivano ai rami ed alle foglie.
Nelle foglie verdi ricche di clorofilla avviene il fenomeno della fotosintesi, 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 radici, dove in parte servono all’accrescimento e in parte vengono accantonati come sostanze di riserva.
Il tronco, che occupa dal 50 al 90% del volume della pianta sostiene i rami, che compongono la chioma. Nel tronco si possono distinguere la corteccia esterna, il ritidoma o corteccia interna, il cambio,
l’alburno, il durame, i raggi midollari e gli anelli annuali, che esamineremo in dettaglio più avanti. I tessuti del legno sono costituiti da
cellule, diverse fra loro per forma, dimensione e funzioni, che vengono 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 senso longitudinale rispetto al fusto e connesse fra loro da aperture o cavità. 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 occhio 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 concentrici 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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Capitolo I
tre la parte più esterna, o alburno, è di colore più chiaro e trasporta acqua 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 periodo vegetativo il cambio produce da 105 a 110 cellule in senso radiale e 10-12 verso l’esterno: ne risulta un maggior sviluppo in volume del legno in confronto alla corteccia. Il legno delle zone temperate
presenta anelli concentrici detti anelli annuali o anelli di accrescimento 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 riposo 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
Il legno
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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 California 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 crescita 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 cellula iniziale ed una cellula madre nello xilema, che a sua volta dà origine 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 raramente che non quelle dello xilema. Per questa ragione gli alberi contengono più legno che corteccia.
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Capitolo I
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, emicellulose, pectina e proteine. Nella fase seguente di differenziazione
la cellula dapprima si espande fino a raggiungere le dimensioni definitive, dopo di che inizia la formazione della parete secondaria, più
spessa. In questo stadio, la parete è formata da cellulosa ed emicellulose. La lignificazione comincia mentre la parete secondaria si sta ancora 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 crescita decresce e si produce il legno maturo, o terminale, formato da fi-