非木材植物纤维改性研究进展

非木材植物纤维改性研究进展

摘要: 综述了非木材植物纤维化学改性技术的发展和现状。非木材植物包括麻类植物、禾草类植物和农林废弃物等，主要成分为纤维素、半纤维素、木质素。由于结构的特殊性，其用途受到了很大的限制，但经过改性后，这些丰富的可再生资源可用作化工原料。植物纤维改性前，通常需进行预处理，常用的方法有化学预处理、物理预处理和生物预处理3种。植物纤维改性途径主要有酯化和醚化，改性介质一般为水或有机溶剂。近年来，以离子液体为溶剂的改性方法成为了研究热点。改性非木材植物纤维用途广泛，可用于制造生物降解塑料、吸附剂、离子交换剂、分离膜等。

关键词: 非木材植物纤维；纤维素；预处理；化学改性；研究进展Abstract: The progress in chemical modification of fibers was reviewed. Non-wood plants include bast fiber plants，grasses and agricultural wastes，etc. The principal components of these kinds of plants were cellulose，hemicellulose and lignin. Due to their special structure，the utilization of natural non-wood plant fibers is very limited. After modification，these abundant renew able resources can be used as raw materials for chemical industries. Before the chemical modification of plant fibers，pretreatments are usually needed. Chemical methods，physical methods or biological methods are the three main types of pretreatments. The main ways for chemical modification of plant fibers are esterification and etherification. Water and organic solvents are

commonly used as media for chemical modification. Recently，great attention is paid to modification with ionic liquids as reaction media. Chemically modified non-wood plant fibers have many uses，such as producing biological degradation plastics，adsorbents，ion exchangers，membranes for separation，etc.

Key words: non-wood plant fibers; cellulose; pretreatment; chemical modification; research progress

引言

天然植物纤维是地球上最丰富的可再生资源，它以各种形式广泛存在于自然界中。据统计，自然界中每年能生产约1.5×1012t 的纤维素[1]，但其中有很大一部分未被利用，如常见的秸秆、甘蔗渣、木屑、锯末等农林废弃物。当前，石油、煤等石化能源的有限性迫使人们致力于各种新能源的开发。其中，以植物纤维素这种巨大的可再生资源为原料提供人们所需的能源及其它化工产品，成为了世界上许多国家正在积极探索的重要课题。我国木材资源短缺，天然木材资源日益减少，但木材的市场需求量却与日俱增。发展非木材植物纤维代替木材为原料制备工业新产品是解决我国木材资源这种尖锐产需矛盾以及能源问题的有效办法。

欧洲各国和日本的农业及化学科学家正在积极探索如何以农业废弃物等可再生资源为原料生产化工新产品[2]。美国能源部制订的以植物和农作物为基础的可再生资源利用规划中预计，到2020年以可再生植物资源为基

础的化工产品将达10%，到2050年将达50%[3]。美国农业、林业、生命科学和化学协会已经预见，农业废弃物等可再生资源将大规模用于生产工业新产品。

从植物纤维中提取纯纤维素后使之功能化过程复杂，需消耗大量化学药品，操作时间长。将非木材植物纤维进行简单处理, 直接实现功能化，不但能降低成本，还能减轻使用化学试剂对环境的污染，拥有广泛的应用前景。

1、非木材植物纤维原料

植物纤维素是最古老、最丰富的天然高分子之一，非木材植物纤维的主要来源有棉纤维、麻、禾草类植物和农林废弃物，是自然界取之不尽、用之不竭的可再生资源。

棉花质地柔软、强度大，是植物纤维中最重要的纤维资源，其纤维素含量接近100% ，是自然界中纯度最高的纤维素纤维。

麻类纤维品种较多，天然纤维复合材料上采用较多的韧皮纤维有苎麻、亚麻、黄麻、大麻等。因其比较柔软，又称软纤维，但由于所含木质素量不同，其柔软程度也相差很大。

草本植物又名禾本科植物。根据管束的排列方式，可以把草茎分为2 类: 一类是维管束排成2圈，外面一圈维管束纤维较小，内圈较大，其髓部在精干成熟后多变成空腔; 另一类是维管束分散排列成多圈，靠近表皮的一圈纤维束细而稠密，靠近髓部的粗而疏松。

农林废弃物中来源最丰富、最常用来生产功能性纤维素衍生物的是秸秆和甘蔗渣。据估计，全世界每年可产生近20亿t的秸秆, 我国年生产农作物秸秆约6亿t[4]。我国是仅次于巴西和印

度的世界第3甘蔗种植大国，甘蔗渣资源丰富且非常集中。

2、植物纤维的化学组成与

结构

植物纤维区分为细胞壁和细胞腔，细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素构成，细胞腔内的物质统称为果胶。纤维素植物纤维的主要成分，其化学结构式为(C6H10O5 )n( n 为聚合度)。

纤维素分子中的每个葡萄糖基环上均有3个活泼羟基，3 个羟基分别位于2位、3位、6位碳原子上，这3个羟基的性质不同，C2羟基的酸性最强，C6羟基的酸性最小; C6 羟基酯化反应速率比其它2位羟基约快10倍，C2羟基的酯化反应速率比C3羟基快2倍左右[5]。

3、纤维素预处理

由于纤维素超分子结构是晶区与非晶区二相共存的状态，这直接影响到纤维素的化学反应性能以及化学改性的均一性。因此，在改性前通常会对其进行预处理。预处理方法主要有化学试剂预处理、物理预处理和生物预处理。

使用化学试剂对纤维素材料进行预处理可以使其达到脱蜡、消晶、润胀和提取纤维素等效果。常用于脱蜡的化学试剂有甲苯/乙醇、氯仿/乙醇、热己烷、丙酮和蒸馏水。用液氨、甲胺和乙胺预处理纤维素，对其有消晶作用。碱处理是发现最早、最有效的方