生物质多尺度纤维化学成分分布与降解机制研究

Plant biomass is the main source of cellulose fibers. The extracted fibers of different sizes are widely used in composite materials, textiles, papermaking and other fields. Degradation of non-cellulosic chemical components of biomass and decomposition of some cells are the necessary process for chemical separation and extraction of fibers. A thorough understanding of the enrichment regularity and degradation behavior of the chemical components at the cellular level is the key factor for designing the separation of biomass fibers at different scales. Although the degradation characteristics of biomass chemical components have been studied for a long time, the distribution and migration of chemical components within and between fibers at different scales and their degradation characteristics are still unclear, which restricts the development of precise separation and extraction technology of biomass fibers. In this study, four representative biomass raw materials are selected to prepare fibers of different sizes. FTIRM and TOP-SIMS techniques are used to analyze the structure and chemical composition distribution of biomass fibers of different sizes at micron scale, and the chemical composition distribution models of single fibers and fiber bundles are established. Then further obtain the distribution parameters of chemical components when the fibers are separated, explore the degradation regularity of chemical composition of different scale fibers, reveal the mechanism of fiber structure and chemical composition distribution affecting the degradation behavior of chemical composition, and provide guidance information for the development of plant multi-scale fibers.

植物生物质是纤维素纤维的主要来源，所提取的不同尺度纤维广泛用于复合材料、纺织、造纸等领域。生物质非纤维素化学成分降解及部分细胞解构是化学法分离提取纤维的必经过程，对其化学成分在细胞水平上富集规律和降解行为的深入了解是设计不同尺度生物质纤维分离的关键因素。尽管生物质化学成分的降解特性已有长期深入的研究，但生物质纤维分离过程中不同尺度纤维内和纤维间化学成分分布和迁移规律，以及其降解特征尚不清晰，制约了生物质纤维精准分离技术的发展。本研究选取四种有代表性的生物质原料，对其进行不同尺度的纤维制备，使用FTIRM和TOP-SIMS等技术在微米尺度上对不同尺度的生物质纤维进行结构解析及化学成分分布研究，建立单纤维和束纤维化学成分分布模型；并获取纤维进一步分离时化学成分的分布变化参数，探索不同尺度纤维的化学成分降解规律，揭示纤维结构和化学分布影响化学成分降解行为的机制，为植物多尺度纤维开发提供指导信息。

本研究选取罗布麻、红麻和大麻等四种有代表性的生物质原料，对其进行不同尺度的纤维制备。通过研究其生物物理结构和化学成分之间的关系，建立结构模型，阐明其多尺度束纤维的化学成分降解规律，揭示脱胶过程中束纤维尺度结构对胶质成分降解行为的影响及其降解特征，从而确立多尺度结构下的纤维分离体系，最终建立罗布麻、红麻等多种纤维的精细化制备方法。. 研究主要以罗布麻和红麻韧皮作为研究对象，麻韧皮切片后利用显微红外成像技术原位观测韧皮内部化学成分分布，结合SEM图像，初步建立了罗布麻和红麻韧皮纤维集合体的结构模型，结果发现罗布麻纤维在植物韧皮中纤维分布较均匀且胶质较为松散，而红麻单纤维相互聚集结合成紧密的束纤维且与胶质结合紧密，这也从天然结构上说明明了罗布麻纤维应用于纺织纤维的优势。. 对罗布麻和红麻进行手工剥离、化学二煮法脱胶、单纤维分离等方式进行多尺度纤维制备。手工剥离的红麻和罗布麻束纤维都在100-120μm内。经化学脱胶处理后我们可以得到用于纺织的工艺纤维，经多种化学试剂处理可以得到单纤维。研究结果证明束纤维的长度、细度以及包含的单纤维数量之间具有很强的关联性。. 对原始麻韧皮、蒸汽爆破预处理后的粗纤维、不同化学试剂脱胶后束纤维的纤维素、木质素和半纤维素降解规律进行了研究，明确了不同尺度纤维、不同处理条件下化学成分的降解规律，为后续的纺织脱胶加工提供指导。. 研究了微波预处理辅助超声波脱胶法对罗布麻纤维的脱胶技术。优选了最佳微波预处理工艺：脱胶液NaOH浓度1%，处理温度120℃，处理时间15min。微波预处理辅助超声波脱胶法与传统化学法进行比较分析。结果表明使用新方法脱胶过程更加环保，高效。化学试剂在脱胶过程中使用量减少55.2%，且仅需常规方法31.2%的处理时间。采用新方法获取的罗布麻纤维细度为4.05dtex，残胶率5.15%，平均强度7.67cN/dex，平均长度32.5mm，白度超过80％，纤维品质对比传统化学方更佳。. 本项目的研究为罗布麻资源的纺织高值化利用提供了理论和技术基础。