試析木質素作為化學工業基礎原料的研究及應用

楊積衡

摘 要：木質素是一種可再生資源，在現代化工生產中有著非常廣泛的應用。本文介紹了木質素在各傳統領域的應用，詳細介紹了木素作為化學工業基礎原料的研究及應用，并預測了木素的研究趨勢。

關鍵詞：木質素 基礎原料 研究 應用

除了纖維素外，木質素是自然界第二大豐富的可再生資源，是天然最豐富的芳香高聚物。一般傳統的觀點都把木素視為廢棄物，它的利用是相當有限的，據估計，來自于制漿廢液中的木質素，僅有1%-2%被用作制造其它特殊產品，其它的都被排放掉了，并加劇了環境的污染。但隨著資源短缺和能源危機的加劇，資源危機和環境污染已成為人類社會面臨的兩大挑戰，木素由于其特殊的結構，被作為化學工業的基礎原料加以開發和利用。

一、木質素在各領域的應用

由于木質素結構中含有大量羥基、羧基、羰基等多種活性基團，木素本身及其改性產物，已被應用于各個方面。在水泥及建筑工程中，木質素磺酸鹽可以有效地提高水泥的可流動性，是最廣的混凝土普通減水劑，目前大約有一半左右由制漿造紙分離工藝所產生的木質素磺酸鹽被應用于水泥添加劑。

在石油開采中，先對木質素磺酸鹽進行羥甲基化反應，然后與聚丙烯酰胺接枝，制成聚合物驅油劑，比使用聚丙烯酰胺提高采收率25個百分點。

在橡膠及塑料工業中，木質素分子或木質素分子間羥甲基在硫化時進一步縮合，形成木質素樹脂網絡，網絡中的活性基團與橡膠反應，使木質素樹脂網絡與橡膠網絡整合到一起，使橡膠得到改性。在丁腈橡膠中，當木質素的填充量達到200份（質量）時，填充橡膠仍具有優良的綜合性能。

在生物肥料方面，木質素結構上可接有植物生長需要的元素，如氮磷鉀等，這些營養元素可隨木質素本身的降解而緩慢釋放出來，因此可用于控釋功能肥料。木質素還可以通過簡單的化學反應與農藥分子產生化學結合，可用作緩釋農藥的載體，有利于延長施用農藥的效果，使在較少用量條件下，依然能夠實現對蟲害的滅殺功用，從而實現削減農藥不合理使用造成的環境污染并減少農藥的投入成本。

木質素中添加少量甲醛和少量短纖維增強其強度和成膜性，再添加一些表面活性劑和起泡劑，通過噴霧器噴到土壤表面，即可成為液體地膜，這種液體地膜在降解前，覆蓋土壤表面，具有保墑、防止水分蒸發和雜草生長的作用；被微生物降解變成腐殖酸，可以改善土壤理化性質，提高土壤通透性，防止板結。

二、作為化學工業基礎原料的研究及應用

隨著石油資源的短缺，石油價格的猛漲，木質素作為自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油資源，代替目前石油工業原材料，作為化學工業基礎原料的給料，前景非常廣闊。

2.1制備液體燃料

木質素的碳氫比相對于纖維素和半纖維素來說，與天然石油的最為接近，將木質素的苯丙烷為單體的天然高分子結構直接液化可制備以苯類和長鏈烷烴為主的生物石油。

2.2制備化工產品

木質素可以通過降解的方法，比如熱降解、生物降解的方法生產出有機化工產品，各種有用的苯酚類物質，如苯酚、香草醛、丁香酸等。國內外的研究者進行了各種方法從木質素中制取有用化工產品的研究。

（1）制備低分子量的化工產品

由于木素結構的特殊性，具有芳烴和脂肪烴的雙重性質，斷裂脂肪烴即可得到相應的含苯環的酚類等物質，因此從木素中獲得低分子質量化工產品，尤其是酚和芳烴正變得越來越現實。

（2）制備高分子化工產品

木素由于其大量醚鍵易于斷裂成多酚的結構可以作為酚的替代品以合成酚醛樹脂，由于其毒性遠低于苯酚，有利于人員健康和保護環境。但由于木素化學成分的復雜性，結構的非均一性都限制了在這方面的大規模的使用，采用5%-10%的木素的添加取代酚合成的樹脂，分子量將增加很多。解決此類問題的途徑主要是對木素改性。木質素改性的方法主要有生物化學改性、羥甲基化改性、脫甲基化改性、酚化改性，此外還有磺化改性等。生物化學改性木質素主要是通過酶的氧化使木質素發生交聯反應，比如木質素可以通過氧化酶降解，降解后木質素更易發生反應。羥甲基化是木質素在堿性條件下與甲醛反應生成羥甲基，達到木素改性的目的。

另外，木質素還能夠合成環氧樹脂。以木素為原料來合成的環氧樹脂，在某些性能上并不低

于其他類型的環氧樹脂，因此具有很大的潛力。在以前的對環氧樹脂的合成的研究中，主要是通過沒有改性或酚化改性的木素與環氧氯丙烷反應而成，通過這種方法生成的環氧樹脂的溶解性差，因此阻礙了其商業應用。

還有，木質素還能夠制取聚烯烴。全球的聚烯烴市場非常大，以聚乙烯和聚丙烯為代表的聚烯烴就占據熱塑市場約60%的份額，由木素作原料生產聚烯烴應是不錯的選擇。單純的聚烯烴生產的塑料，在環境中很難生物降解，木素的參與則能提高生物降解率；木素的加入改善了聚烯烴的性能參數，如環氧樹脂改性的木素磺酸鹽以質量百分比%2.5%-40加入70%聚丙烯和30聚乙烯的聚烯烴混合液，此聚烯烴仍舊表現出良好的熱力學特性，以及良好的機械性能。

（3）其它應用

①制備活性炭。李密等以北方落葉松、楊木、樺木、浸提落葉松鋸屑和麥秸為原料，采用氫氧化鉀化學活化，在相同條件下制備高比表面積活性炭。用木素制備活性炭更多的研究是直接利用造紙黑液，制取活性炭的方法有物理活化法和化學活化法，化學活化法應用較多。

②制備香蘭素。香蘭素是一種貴重香料，從天然植物中提取香蘭素不僅數量少且成本高，難以滿足市場需求，目前人們使用的香蘭素主要由化學合成法獲得。堿的硝基苯氧化方法可以把木素轉化成香草醛及其它類似物，這刺激了從技術木素制造香草醛的經濟實用過程的研究。目前，挪威一家工廠采用針葉木磺酸鹽木素作原料，通過堿性空氣氧化制得香蘭素。大致過程如下：在110-117℃溫度下，無氧狀態，對純化的磺酸鹽木素溶液加熱。加熱后的混合物離心、酸化，溶劑提取制得香蘭素。

三、結語

目前，對木質素的應用絕大多數還處于研究及試驗階段，對木質素高附加值的利用也少之又少；以上綜述的對木質素的利用也基本僅限于工業木質素，即使這樣，工業木質素的利用率仍不足10%，大部分作為廢物排放。究其原因是木質素分子結構非常復雜，至今尚未完全弄清。還有一個非常重要的原因就是，采用木素作為工業原料制取化學品，工藝較復雜，與傳統的石油作原料相比，制得的產品價格偏高，毫無價格優勢可言。因此人們還是習慣上應用石油作原料來制取化工制品。但隨著資源短缺和能源危機的加劇，隨著石油價格的節節攀升，從理論上及現實意義上木素都將被重新發掘和利用。隨著基礎理論研究的深入，木質素作為自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油資源，而且它具有優越的結構特性，量大、易得、價廉，因此以木素為原料來合成化工產品將逐漸顯現其巨大的優勢。未來木素作為制備化學工業產品的基本原料必將得到更多的重視，開發及應用。

參考文獻

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