复合高分子膜的电场诱导增强研究开题报告

1. 研究目的与意义

我国的造纸工业体量大，年产量过亿吨，每年都有数千万吨造纸黑液产生，其中木质素是黑液中主要的有机成分，产量为5000万吨/年。由于其分子量大，结构非常复杂且不规则，因此只有2%的木质素可被利用，大部分只能随废液一起排入水中或处理后燃烧。众所周知，垃圾是放错了地方的资源，得不到利用的木质素既引起了环境污染，也造成了资源浪费。那么，木质素究竟是什么呢？木质素(lignin)是组成植物细胞壁的主要成分，是自然界中最丰富的芳香族聚合物，也是含量仅次于纤维素的第二大天然高分子材料。世界上的植物每年通过光合作用能生产约1 500亿吨木质素，它的合成、分解与自然界中的碳循环密切相关，是可持续、可降解的生物质原材料。木质素是由三种苯丙烷结构单体，通过c—c键和醚键等方式连接成的，一种具有三维网状体型结构的酚类无规聚合物。三种基本结构单元：即愈创木基苯丙烷结构、紫丁香基苯丙烷结构和对羟基苯丙烷结构，对应的前驱体分别为对香豆醇、松柏醇和芥子醇，均由芳香族的苯环及脂肪族的侧链构成，主要区别在于苯环上所具有甲氧基团的个数不同。对于不同植物，其木质素基本结构单元的含量比例有所不同。并且不同的结构单元以及丰富的功能基团，会影响木质素的化学反应特性。木质素结构单元苯环上存在游离酚羟基称为酚型结构单元，而酚羟基可形成分子内氢键，其数目可影响到木质素的理化性质，如木质素的醚化和缩合程度；醇羟基在羟基类官能团中含量最高，更倾向于形成分子间氢键。若结构单元苯环上有了取代基，则称为非酚型结构单元，醚键较稳定，难以进行化学反应。木质素苯环上的甲氧基团受空间位阻效应影响，较为稳定；侧链上的羰基能与苯环形成共轭结构，同样影响结构单元的反应性。

木质素的力学性能差、化学性质稳定、官能团丰富无序、分子结构复杂不规则，目前纤维素和半纤维素已广泛应用于工业生产，然而木质素作为储量仅次于纤维素的环境友好型可再生材料却没有合理被加工利用，连相关的课题研究论文都很稀少。同时随着社会的发展，无论是近年的新兴领域电商快递，还是日常生活的食品行业，都需要使用大量塑料包装。尽管塑料制品制造的成本低廉，但是塑料废弃物在自然环境中难以自然降解，而且难以回收处理再利用，会对环境造成危害，导致社会要承担高昂的隐性成本，亟需替代品的出现。所以我们应当通过科学技术，开发木质素相关的产品，提高资源利用效率，实现木质素的高值化利用。我认为用木质素作为原材料制作复合高分子薄膜代替塑料薄膜，对绿色经济和环境保护都具有十分重要的社会意义。本实验所用原料主要是木质素磺酸盐，是磺化反应产物，具有疏水骨架以及亲水性基团，如磺酸基、羧基等，其分子结构近似于球状三维网络，中心部位为未磺化的原木质素分子，外围分布着含有磺酸基的侧链，最外层由磺酸基的反离子形成双电层。因为木质素的成膜性较差，需要与其他具有降解性的高分子共混制备薄膜。

木质素是极性高分子，与同为极性的高分子材料相容性较好，共混时能形成分子间氢键，具有良好的界面结合力，能提升材料性能，降低生产成本，同时复合材料会具有生物可降解性。例如聚乙烯醇(pva)，一种安全环保的极性聚合物，同时其还具有很好的成膜性，能制备成透明耐磨的薄膜，其分子链中含有大量羟基和氢键，可与木质素发生交联形成致密的网络结构。陈禾木等人用聚乙烯醇和碱木质素在碱性条件下制作出发泡材料，其泡沫均匀、孔隙规则，且具有较好的相容性和降解性。罗学刚等人以木质素磺酸盐与聚乙烯醇为原料，添加硼砂、明胶溶解共混，有效改善了组分的相容性，制备的复合膜光滑致密。苏玲等人采用流延法制备聚乙烯醇和碱木质素的薄膜，甲醛为交联剂，利用交联反应，有效地改善了薄膜性质，可以应用于农业领域如农用地膜。木质素还可以与聚酯复合，木质素微粒分散在聚酯基体中，具有良好的分散性和机械性能。例如聚己内酯（pcl），一种柔性高分子聚合物，溶解性好，熔点低，共混物相容性好，易加工改性。王飞等人采用马来酸酐改性木质素磺酸钠后与聚己内酯共混制备塑料，获得了具有良好的机械性能和生物可降解的复合材料。王静雅等人采用聚己内酯对木质素进行酯化改性，加成聚合得到的复合薄膜力学性能大大提高，还具有优异的紫外屏蔽性能，可用于需要抗紫外线的包装材料。加拿大某研究团队采用熔融共混法制备了聚丁二酸丁二醇酯（pbs）与木质素的复合材料，将65%的木质素材料掺入pbs中，提高了复合材料的拉伸、弯曲性能和冲击强度。

2. 研究内容和预期目标

1.研究木质素与不同高分子聚合物配成溶液的合适配比。

2.通过电沉积法探究不同复合高分子薄膜在电场中的状态。

3.通过控制反应条件，如温度、电压、时间、溶液组分、薄膜层数等，制备出性能优良的木质素薄膜。

3. 研究的方法与步骤

1.超声波处理木质素磺酸钠，使其溶在水中。

2.制备聚乙烯醇溶液，留用。

3.制备聚己内酯溶液，留用。

4. 参考文献

[1]韩立钊,王同林,姚燕.“白色污染”的污染现状及防治对策研究[j].中国人口·资源与环境,2010,20(s1):402-404.

[2]张保平,郭美辰,刘运,沈博文.木质素及其衍生物在提取冶金中的研究进展[j].生物加工过程,2018,16(06):80-87.

[3]岳小鹏,谌凡更.木质素/高分子复合材料的研究进展[j].现代化工,2010,30(03):22-26.

5. 计划与进度安排

1.2022年2月27日-2022年3月14日：查阅相关文献，了解课题背景，完成开题报告。2.2022年3月15日-2022年4月14日：开展初步试验，探索以木质素为基体的复合高分子薄膜的常规制备方法。

3.2022年4月15日-2022年5月14日：

通过实验探究不同反应条件对复合膜结构和性能的影响规律，找出合适的电场诱导条件。4.2022年5月15日-2022年6月1日：对制得薄膜进行性能测试和形态表征，研究木质素对复合膜性能的影响机理。5.2022年6月2日-2022年6月12日：整理实验数据，撰写毕业论文，准备答辩。