木质素高效定位活化及其对化学反应性的作用机制研究

Lignin is the second most abundant renewable polymer after cellulose in nature. Because of its aromatic characteristics, phenol and alcoholic hydroxyl, carbonyl functional groups, together with its abundant, biodegradable, nontoxic, characteristics, lignin is regarded as an important potential resources of chemical industry. However, because of its low reaction activity and heterogeneity, lignin has not yet been converted into high value products on a large scale. In this study, we select effective activation agents, which could crack ether and carbon bonds of phenol and non-phenol structures of lignin, study on the mechanism of lignin structure on chemical reactivity, establish the standard of lignin reactivity, and illustrate the mechanism of lignin structure on the property stability of lignin based materials. By using combination with activation and ultrafiltration, nanofiltration, control lignin structure and homogeneity, therefore implement lignin high value utilization, leading to the lignin as feedstock of lignin based polymer.

木质素是在自然界中生物量仅次于纤维素的可再生资源，储量丰富、可降解、无毒，且具有独特的芳香族特性和酚羟基、醇羟基、羰基等活性基团，是化工原料重要的潜在资源。然而木质素反应活性低、均一性差等关键技术难题仍未突破，至今仍不能规模化高效利用。项目选择既可裂解木质素酚型、非酚型结构的醚键，又可裂解碳-碳键的氢碘酸和氢溴酸、酸/碱介质过氧化氢、二氧化锰等高效活化剂，采用愈创木基、紫丁香基、对羟基苯基丙烷不同结构的木质素模型物，研究木质素定位活化机制；选择高纯竹材木质素高效定位活化，系统研究木质素分子结构与甲醛、环氧氯丙烷的化学反应性的内在规律，揭示木质素分子结构对木质素产品性能稳定性影响机制，建立木质素活性判断标准；采用活化裂解与超滤、纳滤结合的方法，控制木质素结构特性和反应性能的均一化、稳定化，提高木质素的综合性能和使用价值，为木质素规模化工业利用奠定理论基础。

利用来源丰富、可再生的生物质资源替代日益枯竭的不可再生的石化资源生产社会发展所需要的产品，是解决可持续发展问题的重要途径之一，也是当前国内外研究的热点。木质素是在自然界中生物量仅次于纤维素的可再生资源，是化工原料重要的潜在资源。然而木质素反应活性低、均一性差等关键技术难题仍未突破，至今仍不能规模化高效利用，通过本项目突破木质素高值化规模利用的技术瓶颈，为木质素高值化工业利用提供科学依据和理论知识。.本项目通过①超临界甲醇中复合金属氧化物催化木质素的解聚研究、木质素在碱过氧化氢水溶液中降解研究、不同碱金属对木质素降解影响研究等木质素活化机制研究，明确了对木质素降解效率高的碱金属和溶剂体系，确定了木质素降解的优化工艺条件。②木质素经超滤分为不同级分，获得均一性好的木质素，以GPC、FT-IR、灰分含量测试和中性糖、甲氧基、硝基苯氧化产物含量等超滤纯化研究，为木质素的分级、纯化提供理论依据；选用愈创木基、紫丁香基、对羟基苯基丙烷等木质素模型物，通过与4，4-二氨基二苯甲烷、环氧氯丙烷等的反应活性研究，阐明了木质素分子结构与化学反应性之间的内在规律，获得木质素活性高低判断的指标。③采用不同酚羟基含量的木质素替代部分苯酚制备木质素基酚醛树脂、不同分子量的木质素制备木质素基环氧树脂、木质素分子结构对木质素基硬质聚氨酯泡沫材料性能的影响等木质素分子结构对产品性能稳定性影响机制研究，研发了木质素为炭源的膨胀型阻燃剂、木质素基硬质聚氨酯泡沫材料、木质素基环氧树脂、木质素基酚醛树脂等性能稳定的木质素产品。.项目按计划进展顺利并完成各项指标获得了预期研究成果，发表论文10篇，其中SCI收录论文4篇，申请国家发明专利4项，参加了2018年的ICPPB’18和2019年的ISWFPC国际学术研讨会并发表4篇会议论文；派出2名研究生到东京大学交流学习，培养博士生1名，研究生8名，其中5名顺利获得硕士学位，指导毕业9名本科毕业生。