基于水相氧化的连续闪爆植物纤维热塑化改性及性能调控研究

Plant fibers are difficult to thermoplastic process, and the complex isolation process of components always resulted in high pollution and high cost. Thus, a new method of thermoplasticity modification of continuous steam exploded plant fibers (CSEPF) is proposed based on periodate oxidation in aqueous phase. CSEPF have high aspect ratio, high specific surface area, and also weaken shielding effect of lignin on cellulose and hemicellulose, which is favorable for its further chemical reaction. Periodate oxidation of CSEPF can achieve the ring-opening of hemicellulose and cellulose, and then the produced aldehyde can be further derivatized. The improved thermoplasticity is provided by modified hemicellulose and cellulose, and partially degraded lignin. The cellulose nanocrystal is regarded as reinforcement phase. The reaction mechanism of oxidation and derivatization, as well as the components and microstructure of modified materials will be analyzed in detail to reveal the synergistic effects of modified cellulose, modified hemicellulose and lignin on thermoplasticity processing. The structure-function relationship between the microstructure of hot processed materials and service performances will be established to reveal the effect mechanism of continuous steam explosion pretreatment on service performances of hot processed materials, and the regulation methods of modification of CSEPF and service performances will be achieved. This research will enrich the basic theory in the field of thermoplasticity modification of plant fibers, and promote the development and application of novel plant fibers-based materials.

针对全组分植物纤维不能热塑化加工，而组分分离又存在高污染、高成本的问题，提出基于水相氧化的连续闪爆植物纤维热塑化改性方法，以大长径比、高比表面积、削弱木质素屏障作用的连续闪爆预处理植物纤维为原料，在水相对其进行高碘酸盐氧化，实现纤维素和半纤维素的开环反应，再进行衍生化改性。改性植物纤维中氧化与衍生化改性的纤维素与半纤维素和部分降解的木质素赋予材料热塑化加工性能，未反应的纤维素纳米晶作为增强相。本项目拟系统分析氧化、衍生化反应机理及产物的成分与微观结构，揭示改性的半纤维素与纤维素、连续闪爆改性的木质素对热塑化加工性能的协同改善机制、建立全组分改性材料热塑化加工产物微观结构与服役性能的构效关系，剖析连续闪爆预处理对植物纤维热塑化改性及服役性能的影响机制，实现植物纤维全组分改性反应与服役性能的有效调控。本研究将丰富植物纤维热塑化改性领域基础理论，推动可热塑化加工的植物纤维基新材料的发展与应用。

项目针对全组分植物纤维不能热塑化加工，且当前改性手段难以规模化发展的问题，开展了基于植物纤维水相氧化的热塑化改性策略，重点探究了连续闪爆预处理、组分相互间的影响、动态连续循环高效反应、塑化改性机制、不同衍生化改性策略以及改性产物结构与性能的关联关系等内容。结果表明：项目引入了连续闪爆预处理，发现可提高植物纤维的可及度和反应活性，并破坏木质素网络结构，从而显著改善了氧化反应效率及反应均匀性，实现了更优异的热塑化加工性能及力学性能，且改性材料得率可达80%以上；项目研究了半纤维素和木质素对改性以及材料性能的影响，发现半纤维素的存在会消耗更多氧化试剂，但会使得改性材料热塑化加工性能变好，而木质素的存在则不利于材料的热塑化加工，但会改善材料的力学性能；项目还通过对动态连续循环高效反应器的设计应用，降低了反应固液比，缩短了水相氧化反应时间，实现了植物纤维氧化产物更加高效环保的制备；并通过分子动力学模拟揭示了氢键网络、内聚能以及均方半径等变化规律，阐明了改性材料塑化机制；同时设计了氧化还原、羧化接枝以及氧化胺化等改性策略，所制备的改性材料具备良好的热加工性能，其热加工窗口在100~160℃之间，拉伸强度在20~60MPa之间，并且改性材料可多次重复挤出或者热压加工，且力学性能稳定性较好；改性后纤维形态均能较好的保持，并且随着加工过程的不同其聚集态结构会发生变化，主要表现在结晶区尺度变小以及结晶区在无定形区中分布分散变好，进而影响着两相熔融结合以及结晶区增强效果，并可据此实现对改性材料力学性能的调控。本项目从预处理、材料组分、改性过程及装备、分子动力学以及材料的微观结构及宏观性能等方面开展了系统的研究，其研究结果对于丰富植物纤维热塑化改性领域基础理论，推动可热塑化加工的植物纤维基新材料的大规模发展与应用有着重要的意义。