高木质素含量木质纤维凝胶材料的制备及性能研究

In this project, lignocellulosic hydrogels, aerogels and lignocellulose-silica complex gels are targeted to be prepared of from lignocellulosic material with high lignin content based on the novel lithium chloride/dimethyl sulfoxide (LiCl/DMSO) whole lignocellulosic solution system. The dissolution and regeneration mechanism of lignocellulosic materials in LiCl/DMSO is studied by the structural analysis of each cell wall component. Thereby, the mechanism of gel formation and the properties of lignocellulosic gels are evaluated. The effects of gelation and silicification conditions, and the complex type (physical composite or chemical crosslinking) between lignocellulose and silica as well, on the properties of lignocellulose-silica complex gels are discussed. This novel lignocellulose-silica complex and its chemical gelation may lead to a new category of lignocellulose-based organic-inorganic hybrid materials. The new methods on preparation of high lignin content lignocellulosic gels are developed based on the mild organic solvent system. It is expected that the work will establish a way for the preparation of lignocellulosic gels or property-controllable complex gels with high lignin content, starting from the mild organic solvent system.

本项目基于新型氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO）木质纤维原料全溶体系制备高木质素含量的木质纤维水凝胶和气凝胶以及木质纤维-硅复合水凝胶和气凝胶材料。通过研究木质纤维原料在LiCl/DMSO溶剂体系中的溶解-再生机理，评价木质纤维原料各组分结构和含量及再生、凝胶条件等对凝胶制备和性能的影响，研究高木质素含量的木质纤维原料凝胶形成的机理。探讨凝胶化和硅化条件对木质纤维-硅复合凝胶材料制备及性能的影响，表征木质纤维组分与硅的化学复合和物理复合形式，评价其对木质纤维-硅复合凝胶材料性能的影响，研究木质纤维组分与硅复合机理。预期将确立制备性能可控的高木质素含量木质纤维凝胶材料的方法，为有效利用高木质素含量的木质纤维原料制备功能性凝胶材料提供可靠的理论依据和和技术基础。

为扩展木质纤维原料物化性质及高效综合利用等基本信息，项目研究了不同预处理木质纤维原料在8%氯化锂/二甲基亚砜（LiCl/DMSO）全溶体系中的溶解-再生性能；提出一种利用LiCl/DMSO木质纤维全溶体系溶解-再生分离木质素及LCC新方法。然后基于木质纤维原料全溶体系，制备高比表面积、高吸水率全组分木质纤维凝胶材料、木质纤维复合凝胶材料和温度敏感型木质纤维凝胶材料。主要研究结果如下：.1、项目目前已建立通过短时间的球磨预处理与乙二胺预处理对木质纤维原料处理后溶解在LiCl/DMSO全溶体系的方法，项目通过增加球磨时间，各类木质纤维素在8% LiCl/DMSO中溶解得更为充分，都能得到澄清透亮的溶液。项目同时提出了不同脱木质素的木质纤维原料在室温下经乙二胺（EDA）溶液预处理24 h制备木质纤维-EDA复合物，溶解于8% LiCl/DMSO木质纤维全溶体系中，能形成均一溶液的方法；.2、基于以上全溶体系对木质纤维原料分级化，对各组分进行了分离表征，建立了基于LiCl/DMSO 全溶体系的新型木质素及 LCC 的分离方法，在相同的处理条件下先经全溶体系溶解-再生后再分离而得到的木质素产品的得率可提高至82.5%，是传统CEL的3.2倍，而其化学组成和结构方面则极其相似，该方法是一种非常可行而又高效的分离高得率、低结构变异原本木质素的方法；.3、基于全溶体系已成功制备了不同脱木质素程度的木质纤维凝胶材料，随着脱木质素程度的加强，木质纤维中碳水化合物和木质素分离，结晶区增多，所制得的凝胶的热稳定性逐渐增强，残炭量逐渐减少；随着浓度提高，热分解温度降低，残炭量升高。且在一定脱木质素范围内，适度加强脱木质素程度有利于形成小孔径、高比表面积的多孔结构，纤维网络更加致密，若继续增强脱木质素程度，则会造成凝胶中孔径大小不均，从而影响凝胶的溶胀性能。.4、制备了木质纤维硅复合凝胶，复合气凝胶表面积能达到200 m2/g， 类似于纯纤维素气凝胶，其孔隙大小分布主要集中在20 - 60纳米的范围。建立了木质纤维复合凝胶及具有半互穿聚合物网的温度敏感型木质纤维基凝胶的制备方法，木质纤维凝胶网络中包含有木质纤维和聚异丙基丙烯酰胺（PNIPAAm）链段，且两种聚合物分子链间有强烈的化学键联接和物理联接。该凝胶不仅具有多孔和可快速吸水溶胀性能，而且具有良好的温度敏感性。