果胶酶对生物质材料的作用机理及其对复合材料性能的影响研究

The characters of bamboo (Dendrocalamus sinicus), pine wood (Pinus yunnanensis) and hemp hurd (Cannabis sativa) and composites with these materials will be researched. It mainly focus on the different layers in micron and nano size located in primary layers and second layers （Including S1, S2 and S3）of fiber cell wall, these layers will be revealled as the pectinase pre-treatment continued, and those physical characters will be detected by TEM and SEM. At the same time, the chemical compounds including cellulose, lignin and hemi-cellulose will be valued in this different layers by FTIR and Raman spectra，the metal ion content and distribution on the surface of cell wall layers will be detected by XPS, and the pectin characters on the surface of cell wall layers will be valued by TEM-colloid-immunogold-labeling or optical-microscope--ruthenium-red-staining. At last the relationship between characters of cell wall layers and properties of composities with this biomass will be buildt by SAS or SPSS software. In a word, there were more than one layers existed in the primary, second cell wall layers (Including S1, S2 and S3), there were dramatically different characters including physical and chemical properties existed in this layer, and there were different layers and characters in different type biomass materials and it had different influence on the properties of composites with different plastic materials.

本项目在观察到生物质材料经过果胶酶处理后，其细胞壁不同层次会逐层脱落现象的基础上，拟采用扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）来研究分析巨龙竹竹材、云南松木材和工业大麻秆纤维细胞壁各个壁层结构，不仅包括初生壁和次生壁，将更进一步的分析初生壁及次生壁包含的各个层次在微纳米尺寸上的超微结构；在此基础上进一步利用红外光谱、拉曼光谱、XPS、钌红色染法和胶体免疫金标记技术分析细胞壁各个壁层结构的三大素、金属离子及果胶质的含量和分布特征。在定性分析纤维细胞壁壁层物理化学特性与复合材料物理力学性能基础上进一步利用SAS或SPSS软件来确定两者的定量关系。可望得出如下结论：生物质材料纤维细胞壁的初生壁、次生壁的S1、S2和S3层均由若干层细胞壁组成，其在微观结构上存在较大差异，在不同种类生物质材料中也存在较大差异；即使相同的纤维细胞壁层结构会和不同的树脂产生不同的胶合界面。

本项目自2019年实施以来，主要就利用生物酶在提高复合材料物理力学性能及其作用机理、纳米纤维素制备、CMC复合膜制备及纤维素提取等方面进行了研究；具体如下：（1）项目利用果胶酶和纤维素酶预处理对工业大麻杆、木材纤维基聚丙烯复合材料的各项性能进行了研究，研究结果表明利用果胶酶和纤维素酶进行预处理后，红麻刨花/高密度聚乙烯的各项性能与经1%NAOH预处理的相比较好，但没有得到显著的提高，可能原因是因为红麻杆刨花颗粒过大；利用果胶酶、纤维素酶和三种偶联剂对工业大麻杆纤维/木材纤维聚丙烯复合材料的各项性能进行了研究，研究结果表明果胶酶和纤维素酶预处理均可提高复合材料的各项性能，经果胶酶预处理后可以和硅烷偶联剂产生协同作用，但纤维素酶预处理和实验中所使用的的三种偶联剂不能产生协同作用；生物酶对纤维进行预处理的作用机理在于能够显著减小纤维细胞壁的厚度使树脂可以更好的进行渗透，并且还可以改变纤维原料的表面官能团。（2）利用果胶酶和纤维素酶对α-纤维素进行复合处理，在45-50℃，自然pH条件下，经过30分钟的预处理即可得到尺度在50nm以下的纳米纤维素。（3）利用纤维素酶、果胶酶和半纤维素酶对纤维细胞进行预处理，经预处理后可以提高纤维增强型CMC复合膜的物理力学性能，还成功的利用了细菌纤维素来制备出了具有优良抑菌性能的CMC复合膜。(4) 项目初步探讨了利用生物酶进行纤维素提取的相关研究，研究结果表明经氨水预处理后，可获得纯度高达95%以上的纤维素。总共发表论文20篇，其中12篇被SCI收录；申请发明专利4项，其中3项已经被授权；到美国俄勒冈州立大学完成了4个月的交流访问；参与国内外线上会议4次。共划拨科研经费60万元，其中业务费50万元，劳务费10万元；在项目执行期间共支出业务费47.5774万元，劳务费5.757万元；剩余经费将仍然按照原计划进行支出，以保障本研究后续的各项支出。