木质素的改性及其在生物聚酯P(3,4)HB中的应用研究开题报告

1. 研究目的与意义

木质素是植物界中仅次于纤维素第二丰富的天然高分子。相对于其它天然高分子,木质素具有更为复杂的组成及多级结构,是最难认识和应用的天然高分子之一。目前,大多数类型的木质素因缺乏应用途径而只能被燃烧或废弃。但是,木质素分子具有众多不同种类的活性官能基,兼具可再生、可降解、无毒等优点,而且工业木质素成本低廉,因而被视为优良的绿色化工原料,其综合利用备受关注。因此急需通过适当的化学和物理方法,发现新的利用途径,变废为宝。同时随着传统塑料逐渐面临原料价格上涨,污染问题日趋严重等问题,加之最近来源于可再生资源的生物材料-生物降解塑料的生产技术不断成熟,人们对于生物降解塑料的认可度提高和需求愿望的增加都为生物降解塑料的发展提供了良好的契机。生物降解塑料的市场需求量和消费量也在逐年上升，目前国内外产量最大的、来源于可再生资源的生态塑料分别是聚乳酸PLA、聚羟基脂肪酸酯PHA和淀粉塑料。但是单纯的生态塑料在力学性能，热稳定性的方面还不能满足人们的需求。许多研究发现,可通过化学反应和物理共混将木质素与酚醛树脂、聚氨酯、聚烯烃、橡胶、聚酯、聚醚、淀粉、大豆蛋白等复合,提高材料的性能并降低成本。木质素与生态塑料形成的木塑复合材料将是当今世界一种新兴的有广泛发展和应用前景的新型复合材料。

2. 国内外研究现状分析

随着研究的深入及工业化的进展,木质素在作为分散剂、吸附剂、成型稳定剂和表面活性剂等方面得到了一定的工业化应用。另外,凭借自身无毒、耐候、优良的热和光稳定性的优点,木质素在抗氧化剂、热稳定剂,光稳定剂方面都有应用。我国对木质素综合利用的研究起步较晚,但是在已有研究的基础上也开发了多种木质素产品。但是由于木质素复杂的无定型结构,限制了其工业化利用。目前工业生产的木质素仅仅只有1%转化为有价值的工业产品。因此,寻找木质素新的利用途径成为国内外研究的重点。

将纳米木质素与磁性材料复合成木磁材料和木绝磁材料的研究将使得磁材料和绝磁材料生产成本大大降低。发光木材的开发也依赖木质素纳米技术的开发。纳米sio2是亲水性的,与橡胶基体材料的表面性质不同,所以与橡胶等有机高聚物配合时相容性差,难混入、难分散。而木质素具有优越的结构特性,在作为高分子材料的补强剂、填料时能改善高聚物的机械性能和耐热稳定性。陈云平等利用高沸醇(hbs)木质素制备得到hbs木质素p纳米sio2复合材料,对产物进行红外光谱、透射电镜分析,发现木质素p无机纳米复合材料的制备是可行的。weihk等研究了木质素作为成核剂对phb结晶过程的影响。结果表明:木质素加快了体系的结晶速度;同时使体系的活化能由-237140kj/mol增加到-13112kj/mol,提高了热稳定性。随着木质素用量的增加,球晶的生长速率加快,但晶体结构和结晶度不受影响。加入的木质素由于来源广泛,所以能有效的降低生产成本。

我国木质素资源丰富,但这一资源优势还没有转化为产业优势,木质素的应用远不能满足实际需要。虽然目前对木质素的利用已经在粘合剂、橡胶补强剂、混凝土以及印染剂等方面有所研究成果。但是,由于木质素结构的复杂性,使得木质素性质具有多样性,在木质素的利用机理及木质素产品调控方面还显得薄弱。如何有效地利用木质素开发更多优良的木质素产品以及实现木质素高附加值产品的规模化、产业化,将成为今后木质素研究的一个重要方面。综上所述,木质素是由自然界可再生资源获得的有机原料。人类的环保意识的提高,木质素已成为科研人员关注的焦点。

3. 研究的基本内容与计划

采用溶胶-凝胶法制备二氧化硅-木质素杂化材料（LSH），并对其结构和形貌进行表征。利用熔融共混方法将二氧化硅改性的木质素与聚-3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯（P(3，4)HB）进行复合，对最终产品做热性能及力学性能的分析检测。

试验计划如下：首先制备二氧化硅-木质素杂化材料，通过改变正硅酸乙酯（TEOS）与木质素的配比，制备不同的杂化材料样品。然后用FTIR，XPS和SEM等表征其结构和形貌，分析比例不同对性能的影响。最后将二氧化硅-木质素杂化材料与聚-3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯共混，分析产物的热稳定性及其他性能。

4. 研究创新点

木质素具有密度低,价格低廉,比强度高,可生降解和可再生性等优点，已经受到广泛的关注，近10年来,木质素/树脂的共混技术已取得了显著进步,特别是在聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯的传统通用树脂中的研究成果较为突出和集中，但是将改性的木质素用于生物聚酯PHA的尝试比较少，本实验先将木质素改性，在应用于典型的生物塑料聚羟基丁酸酯中，以期获得更好的效果。