木质素的性质及应用

木质素的性质及应用

张XX

（北京联合大学生物化学工程学院，北京，100023）

摘要

随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深刻,天然高分子所具有的可再生、可降解等性质日益受到重视。在自然界中,木质素的储量仅次于纤维素,而且每年都以500亿吨的速度再生。增强其制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约14亿吨纤维素,同时得到5000万吨左右的木质素副产品,截止到2002年时,超过95%的木质素仍直接排入江河或浓缩后烧掉,绝少得到高效利用[1]。被用于化工高分子材料却仅占 1%。所以对于木质素的研究、开发及应用等具有十分重要的意义。本文简单介绍木质素的结构、性质。主要介绍其在发泡塑料方面的应用。

关键词：木质素；树脂；改性；发泡；

木质素的结构

木质素，是聚酚类的三维网状高分子化合物，其基本结构单元为苯丙烷结构，共有三种基本结构（非缩合型结构），即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟基苯基结构。木质素是由松柏醇基、紫丁香基和香豆基三种单体以 C－C 键、醚键等形式连接而成的具有三维空间结构的天然高分子物质。[2]

木质素的化学性质

木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、共轭双键等活性基团，可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解、光解、酰化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应，从而奠定了木质素在多方面应用的基础。特别是在高分子材料方面，以木质素为原料可以合成酚醛树脂，既可以用作酚与甲醛反应，也可用作醛与苯酚反应[3]；利用木质素所含的醇羟基，可与异氰酸酯类进行缩合反应，制得木质素聚氨酯；木质素与烯类单体在催化剂作用下能发生接枝共聚反应，如丙烯酰胺、丙烯酸、苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、丙烯腈等。

木质素的应用

脲醛树脂

木质素作为一种洁净资源，可制备合成树脂和胶黏剂、补强剂、油田化学品和各种助剂，在轻工业及农业中有广泛的应用。

脲醛树脂是目前市场上多用作粘合剂,作为塑料使用的很少,而且都是闭孔泡沫塑料,但脲醛树脂泡沫塑料由于其硬而脆的缺点,在应用上受到了限制。

采用加入木质素磺酸钠改性脲醛树脂,以降低游离甲醛含量及充分利用木质素资源;同时加入三聚氰胺和聚乙烯醇,以改变树脂的柔韧性。通过碳酸氢铵发泡法发泡制得开孔改性脲醛树脂泡沫塑料。实验结果表明:改性后游离甲醛含量明显降低,韧性有了较大的提高。[4]

采用加入磺化木质素改性脲醛树脂,拓宽了木质素的利用途径;加入三聚氰胺和聚乙烯醇,改善了脲醛泡沫塑料的脆性;采用碳酸氢铵为发泡剂发泡得到的泡沫塑料,具有一定的机械强度和韧性,可用做隔热材料、隔音材料、包装材料、过滤材料及交换树脂。可广泛应用于建筑、交通运输、化工、包装等行业,具有比较广泛的应用前景。

聚氨酯

目前，在发泡材料方面, 主要研究了木质素与异氰酸酯类反应生成聚氨酯而发泡的工作。聚氨酯由多元醇和二异氰酸酯缩聚而得,木质素分子中因为具有多个羟基,可以替代多元醇与二异氰酸酯进行缩聚。利用木质素制备木质素发泡材料，不仅为解决水解工业和造纸工业木质素的污染问题提供了一条可行的途径，而且也是对植物资源的一种合理利用。

戴玉明等[5]认为添加木质素质量分数为1%时，聚氨酯泡沫塑料的抗压强度达到最大值，超过此峰值，抗压强度随添加量的增加而下降；通过比较不同粒度的木质素纤维、对增强聚氨酯泡沫抗压强度的影响，平均粒度为10μm的木质素纤维的增强效果相对较好。

Hyoe，Tatsuko[6]研究了以硅树脂为表面活性剂、以少量水作为发泡剂，将木质素和糖类物质作为聚氨酯泡沫塑料填充剂，获得了增强型聚氨酯泡沫。他们发现，随着木质素含量的增加，聚氨酯泡沫的密度明显增加。泡沫的抗压强度以及弹性模量随密度的增加而呈现出线性增加。聚氨酯泡沫的无定形结构表明木质素在聚氨酯的网络结构中起到了增强的作用。

卫民，严立楠等[7]利用稀酸水解木素，碱木素为原料，合成了一系列端羟基的木质素聚酯，其粘度为3000～5000cps/20℃，羟值为380～450mgKOH/g，酸值小于5mgKOH/g。经与异氰酸类调配发泡所制得的硬质泡孔材料，表观密度为0.03～0.05g/cm3，抗压强度大于0.15Mpa，导热系数为0.023W/M.K，吸水率为3%，性能可达到工业及日常生活对保温的要求。

刘全校等[8]利用羟丙基化改性木质素和两种二异氰酸酯合成了聚氨酯，并发现其热固化特性与羟丙基化木质素的多功能基团及—NCO/—OH有关系。相对于—OH过量的—NCO产生具有脲基甲酸酯的交联形式，对玻璃化转变温度和膨胀性能有显著影响。

从前人的研究可以看出，木质素作为一种增强剂加入到人工发泡高分子材料中是完全可行的。木质素的加入，不但不影响材料本身的性能，而且对材料的密度和机械性都有较大的增强。

但是由于木质素结构复杂，相容性差，共聚反应程度低，木质素型聚氨酯泡沫工艺复杂，单独使用木质素的还未见报道，一般都是其衍生物，或仅作为一种添加剂使用。木质素代替多元醇在聚氨酯中的应用还没有完全实现工业化的主要原因在于以木质素为原料制备的材料的黏流温度高于传统的聚氨酯加工温度。我们可以通过改性木质素，使其在聚合物中的含量提高，从而提升其性能，扩大应用范围。

结语

木质素在原料来源、环境友好性等方面有较好的优势，在当今化石资源日益紧张的局势下有自身的发展的优点。在开发和利用木质素发泡产品时应注意木质素的改性包括物理和化

学改性，以提高它们自身的不足，增加其在作为发泡材料的可能性。相信，在不久的将来木质素在发泡材料领域一定会占有重要的一席。

参考文献

[1] Gandini A, Belgacem NM.Polym Inter,1998,47:267~276.

[2] 蒋挺大. 木质素[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001

[3] 戈进杰. 生物降解高分子材料及其应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002

[4] 代本才，吴惠芳，曾祥钦，冯培松.改性脲醛树脂泡沫塑料的制备.中国.2007.32-2

[5] 戴玉明，巴志新，王章忠. [J].南京工程学院学报(自然科学版)，2005，3(2)：22–26

[6] Hyoe H，Tatsuko H. [J]. Macromol.Symp.，2005，224，219–226.

[7] 卫民，严立楠，蒋剑春. 改性木质素泡沫树脂的合成研究. 中国，2006.40-4

[8] 刘全校，崔永岩，杨淑蕙，等. [J]. 塑料科技，2001，142(2)：11–14.