亞臨界水輔助木質纖維素選擇性內塑化改性研究

《亞臨界水輔助木質纖維素選擇性內塑化改性研究》是依託華南理工大學，由馮彥洪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：亞臨界水輔助木質纖維素選擇性內塑化改性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：馮彥洪
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

申請人將經蒸汽爆破預處理得到的植物纖維細胞構想為以木質素為熱塑性基體，納米級的纖維素基元原纖為增強相的複合材料。採用申請人研製的連續式蒸汽爆破原位改性裝置，利用蒸汽爆破過程中處於亞臨界狀態的水作為潤脹劑、促進劑，對經蒸汽爆破預處理的植物纖維細胞壁內的木質素為主的無定形區進行選擇性內塑化改性，改善木質素為主的基恥束潤愚體的熱塑加工性能，並保持結晶度高的納米級纖維素基元原纖的力學性能，以實現木質纖維素高效無污染的熱塑化改性。課題擬定量表征多組分複雜體系的塑化改性產物，考察塑化改性木質纖維素的微觀結構和各種成分分布的變化，揭示亞臨界水對木質纖維素可控降解及其對木質素為主的內塑化改性反應的影響機理，建立塑化改性反應動力學模型，研究塑化改性對木質纖維素熱塑化及力學性能的影響。探索各因素的作用規律，實現全木質纖維素複合材料的綠色加工及材料性能的多樣化調控。推盛台動生物質材料套用開發領域基礎理論研究的發展。

結題摘要

利用低成本、無污染的方法，製備可再生、環保、性能優異的可熱塑化加工的木質纖維素新材料，以替代部分非再生的石油基塑膠，是解決當前資源與環境問題的重要途徑。基於此，本項目提出了亞臨界水（sub-critical water, SCW）輔助木質纖維素選擇性內塑化改性研究。 該項目首先研究了SCW處理對不同木質纖維素的選擇性降解和微觀結構的影響。結果表明：經過SCW處理後，半纖維素、木質素均發生一定程度的降解，玻璃化轉變溫度（Tg）向低溫方向移洪刪夜動，表明木質纖維素在適當的處理條仔再槓尋件下會獲得較好的分離及塑化效果。通過微觀形態的觀察，發現細胞壁層次結構有很大的破壞，細胞壁變薄，細胞腔增大，纖維分纖明顯。 同時，還研究了不同塑化改性劑與木質纖維素不同組分的反應機理，塑化改性木質纖維素熱塑化性能，力學性能與改性反應條件的關係。通過SCW的作用實現了木質素與聚乙二醇（PEG）的醚化反應，木享腳您質素的Tg（164.1℃）向低溫方向偏移，並且出現兩個Tg，分別在45℃和118℃左右。以蒲草為原料進行研究，發現SCW處理後蒲草原料的Tg從120~150℃下降到70~80℃，有助於植物纖維的熱塑性加工，PEG2000在SCW輔助下塑化效果更為優異。 為了實現木質纖維素更優異的熱塑加工性能，還採取了氧化還原的改性方法，在SCW輔助下，實現纖維素和半纖維素組分的塑化改性。通過對反應動力學的研究發現SCW處理後其塑化改性反應速率均高於未處理的。通過控制反應程度可以較好的保留纖維素的結晶區，而使無定形的纖維素和半纖維素具備較好的熱塑性，同時無定形的木質素也能起到良好的塑化效果。主碑汗塑化改性後的材料在90~100℃之間出現明顯的Tg，並在150℃以上具備疊犁捆良好的模壓成型能力。模壓所得片材具備良好的透明性，其拉伸強度可達50 MPa，常溫下儲能模量高達9 GPa。 本項目通過SCW輔助木質纖維素選擇性內塑化改性，製備了具有較好熱塑化性的木質纖維素材料，該材料以結晶區的纖維素為增強材料，塑化改性後的其餘無定形組分作為熱塑性基體。本研究對於推動木質纖維素的高值化與多功能化利用具有重要的意義。