木质复合材料化学
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一、名词解释
多糖:多糖(polysaccharide)是由糖苷键结合的糖链,至少要超过10个的单糖组成的聚合糖高分子碳水化合物,可用通式(C6H10O5)n表示。
木质素:是由苯基丙烷结构单元通过醚键和碳-碳键连接而成、具有三维结构的芳香族高分子化合物。
生物炼制:生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料,生产各种化学品、燃料和生物基材料。
木质纤维素:主要是指以木质素、纤维素和半纤维素为主要成分的生物质,如秸秆、树干、稻草秆等等一类植物体。
生物质能:生物质能(biomass energy ),就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用,可转化为常规的固态、液态和气态燃料,取之不尽、用之不竭,是一种可再生能源,同时也是唯一一种可再生的碳源。
二、简述题(本大题共5小题,每小题6分,总计30分)
1、绘制生物质细胞壁层结构示意图,并简述各壁层主要化学组分及分布;
胞间层式细胞分裂以后,最早形成的分隔部分,胞间层主要由一种无定形、胶体状的果胶物质所组成;初生壁式细胞分裂后,在胞间层两侧最早沉积、并伴随细胞继续增大时所形成的壁层。初生壁的木质素浓度特别高,同时含有纤维素和半纤维素;次生壁是细胞停止增大以后,在初生壁上继续形成的壁层,次生壁的主要成分是纤维素和半纤维素的混合,后期也经常含有大量木质素和其他物质。次生壁又分为次生壁外层(S1)、次生壁中层(S2)和次生壁内层(S3)。
纤维素横向分布在整个细胞壁各层,绝大部分分布在S2层;半纤维素的浓度在S1层最高,从S1层向S2层方向降低。在S1、S2层交界处半纤维素浓度重新增加到S1外层水平。
2、生物质细胞壁中纤维素晶区结构对生物质纤维化学处理的影响。
构成木材细胞壁主要成份的纤维素, 是一种高分子化合物,它是以 D 一葡萄糖为基元, 通过化学键结合而成的长链线型巨大分子。当这些长链线型巨大分子彼此定向有序平行排列时,则构成了纤维素的高度有序性,称为纤维素的结晶区;当这些长链线型巨大分子不是定向平行排列时,则纤维素的无序性增加,称为纤维素的无定形区。纤维素具有大量的极性羟基,木材吸湿, 就是这些自由羟基对极性水分子的吸着。水分所以能进入无定形区, 是因为极性羟基间未形成氢键, 或氢键没有饱和;而水分不能进入晶区, 是因为极性羟基间形成氢键而且已经饱和。晶区的胶束内部的经基内聚力处于饱和状态,化学试剂分不能浸入胶束内,无法与纤维素发生化学反应。
3、阐述木质复合材料挤出加工过程中温度对加工流变的影响;
加工温度较低时,物料没有充分塑化,而且低温下流动性差,物料混炼不充分,木粉在基体中分散不均匀,会以团聚体分布在塑料中中,从而使复合材料加
工流变性能下降;随着温度的升高,体系剪切粘度降低,这是因为温度升高使分子间及分子链间的运动加快,导致物料分子链之间的缠绕降低,分子之间的距离变大,分子链变得柔顺,从而使粘度降低。但是,当加工温度较高时,木粉会发生降解,从而影响复合材料的性能。
4、简述生物炼制的必要性与可行性
生物炼制是利用农业废弃物、植物基淀粉和木质纤维素材料为原料,生产各种化学品、燃料和生物基材料。随着世界经济的不断发展, 特别是石油资源濒临枯竭和环境污染日益严重, 能源和环境等问题日益突出。生物炼制是以可再生生物质资源为原料,替代化石资源,生产能源、化工产品和材料的低碳型工业模式,是社会经济实现可持续发展的重大战略需求,是环境可持续发展和能源经济转变的重要手段。随着全世界对生物炼制的深入研究,新的技术和产品不断涌现,各种生物技术平台和经济技术评价体系不断建立和完善,将解决人类社会目前面临的资源、能源与环境等诸多重要问题。
随着现代发酵技术的出现,一大批生物过程技术应用于化工产品的开发,如乙醇、乙酸、乳酸和柠檬酸等,形成了生物转化平台。热化学处理是生物炼制的另一个重要技术平台,主要包括生物质气化、热解、液化和超临界萃取等技术,衍生出多种化学品和液体燃料,如直链烷烃、生物油、芳香族化合物等。近年来,随着基因组学、蛋白质组学等生物技术的飞速发展,大大地推动了生物炼制技术在生物能源(乙醇、生物柴油、丁醇等),化工产品,生物材料(聚乳酸、木塑复合材料等)等领域的应用。
5、简述木质生物质资源的主要利用形式及其存在的问题?
木质生物质主要是指农作物秸秆、林木资源等主要以木质素、纤维素和半纤维素为主要成分的生物质。目前我国生物质利用率较低,有近一半的秸秆在田间焚烧,一部分被加工成饲料和食用菌基料,还有很少一部分被加工利用成生物质复合材料;木材和林产品主要被应用作加工材料,其加工产生的大量木屑、锯末等则大部分被废弃或直接燃烧,近年来随着木塑复合材料的兴起,一部分木粉等木材加工三剩物被用来生产木塑复合材料;食品加工产生的壳、皮等被当作垃圾填埋。此外,随着我国节能环保技术的进步和创新,很少部分的农作物秸秆和林产品废弃物被炼制成生物质能源。
但由于各种木质生物质资源数量巨大,贮存困难,回收不便,且目前可大规模有效利用的技术途径较少,浪费和焚烧问题仍然很严重。同时,生物质资源的能源经济效益没有得到充分的利用。
三、论述题
答:木质材料是由纤维素、半纤维素、木素以及各种抽提物组成的天然高分子复合材料,由于它是一种不均匀地各向异性材料,因此界面特性十分复杂。由于组成木质材料的纤维素、半纤维素和木素等主要成分中含有大量的极性羟基和酚羟基官能团,其表面表现出很强的化学极性。因此,在进行木质纤维—塑料体系
木塑复合材料的研制过程中,需要解决的最大问题是如何使亲水的极性木质表面与疏水的非极性塑料基材界面之间具有良好的相容性,从而使木质材料的表面层与塑料的表面层之间达到分子间的融合。把这两种不同性质的材料适当地复合在一起,产生比原来单一材料性能更加优良的新材料。
深入了解木塑复合材料界面形成过程和影响因子的基础上,通过对复合材料中的两种基本原料:木材和塑料进行物理或化学的表面改性、优化木塑复合途径
的主要工艺参数,以改善木材与塑料之间的相互容合、强化塑料分子对木材表面的扩散渗透,进而达到提高界面结合强度的目的。
改进两种不同性质的界面融合性能通常采用两种方法来实现。一种是通过加入一组共聚融合剂以改善两种互不相容聚合物之间的粘和性能。这一方法是根据共聚融合剂中的一个组份与其中的一种聚合物相容,其它的组份与另一种聚合物相容,最终达到两聚合物之间的容合这一原理进行的。这种方法同样可以用在聚合物填充系统中,以改善木材填充物与聚合物基材之间的粘合性能。其中常用的相容剂有硅烷偶联剂、马来酸酐接枝聚烯烃、铝酸酯、钛酸酯等。以马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)为例,在用顺丁烯二酸酐改性的聚丙烯( MAPP)作为木塑复合材料耦联剂的研究中,所有的研究者都报道,这种耦联剂能改善复合材料的力学
性质。他们发现在顺丁烯二酸酐基团与木材纤维素的羟基基团之间有化学键联接,M APP共聚物以酯化和氢键结合的方式与木材纤维素的纤维键合在一起。木塑复合材料中加入耦联剂可以改善木塑两种材料界面的容合效果。
另一种改善复合材料两相界面的粘合性能的方法是对木材或塑料表面进行改性
处理,使两种材料表面的极性和溶解度相近,在复合过程中使两界面间实现分子间的融合,从而改善两界面间的粘合性能。在木材表面主要通过对极性官能团进行酯化、醚化和接枝共聚等改性处理,使其生成疏水的非极性化学官能团并具有热流动性,使木材表面与塑料表面的溶解度相似,以降低塑料基材与木质材料表面间的相斥性,达到提高界面的粘合性的目的。最常用的木材酯化方式是木材的乙酰化处理。木材表面的羟基经乙酸酐或烯酮处理后,木材上的极性羟基基团被非极性的乙酰基取代而生成酯。在工业上通常使用乙酸酐冰乙酸硫酸的混合液进行乙酰化处理。
对塑料基材进行的化学改性是在自由基存在的条件下用顺丁二烯二酸( MA)对聚
乙烯进行加成反应,将MA上的极性基团引入到非极性的聚乙烯分子中,使改性后
的聚乙烯分子具有一定的极性。