酶对速生木材和秸秆微/纳纤丝的分离及其增强复合材料的界面特性调控研究

本课题通过研究酶处理方法与其它方法相结合的工艺对速生木材和秸秆原料中纤维素、纤维素和木素的组成影响及调控，探讨和分析木材和秸秆原料中纤维素用于制造微/纳纤丝、半纤维素和木素用于能源或化工原料的有效途径，阐明不同工艺条件对速生木材和秸秆微/纳纤丝的表面化学基团和自由能、表面结构形态和分散状态等性能的影响和调控；通过研究不同工艺条件对微/纳纤丝复合材料动态力学性能和界面胶合性能的变化规律，揭示主要工艺条件对微/纳纤丝复合材料的界面调控机理；在优化工艺的基础上，建立影响显著的工艺条件因素与微/纳纤丝复合材料胶合性能之间的数学模型；通过研究微/纳纤丝复合材料的电磁学和光学等功能性变化规律，探讨和分析此类复合材料的高附加值用途。本项研究将为形成微/纳纤丝复合材料的界面胶合理论奠定基础，具有重要的科学意义和工业应用前景。本项目对于高效利用速生木材和农作物秸秆资源、保护环境具有重要的现实意义。

速生木材和秸秆是重要生物质资源，从其主要成分纤维素中分离的微纳纤丝具有很高的机械特性等优良性能，在分离过程中获得半纤维素和木素可作为能源或化工原料。本课题先采用化学-酶法组合去除速生木材和秸秆中半纤维素和木素；再用纤维素酶控制性水解纤维素中非结晶区获得微纳纤丝；最后用超声波仪等方法，使微纳纤丝宽度减小。采用化学分析和现代仪器分析研究了分离过程中纤维素微纳纤丝、半纤维素和木素变化规律结果表明：8%的NaOH溶液可以去除杨木中92%以上半纤维素，回收两种半纤维素为4-O-甲基葡萄糖醛酸基-D-木聚糖和葡萄糖基-吡喃甘露聚糖；去除半纤维素的杨木经3%亚硫酸钠处理，酸不溶木素由原来27.75%降低到1.02%，纤维素从63.79% 升高到88.92%，再经纤维素酶和木聚糖酶混合处理，杨木中木聚糖含量从9.98%下降到1.07%，酸不溶木素从1.02%降低到0.04%，纤维素结晶度从54.55%升高到72.99 %，酶处理纤维素后获得微纳纤丝的宽度较大，少量达到纳米级，再经超声波仪处理使大部分微纳纤丝宽度减小到100nm以下。通过研究微纳纤丝复合材料界面特性表明：用优化酶处理等工艺制造不同宽度级别的微纳纤丝加入树脂中，可以调控其胶合界面微观力学性能；微纳纤丝加量2%，其胶合界面弹性模量从12.13~13.74GPa提高到15.28 ~ 18.40 GPa、5min内胶合界面在恒定载荷250微牛力下应变值从245 ~285nm减少到140~160 nm，改善了蠕变性能。采用红外分析微纳纤丝增强复合材料的机理表明：在偶联剂存在时，聚丙烯与稻秸微纳纤丝具有很好的相容性；在微纳纤丝/聚乙烯醇（PVA）复合材料中，微纳纤丝与PVA形成立体网络结构阻碍了PVA分子链的断裂。通过分析微纳纤丝增强豆胶胶合板的回归方程模型表明：模型失拟性不显著，可以对此类复合材料胶合强度进行分析和预测。通过研究微纳纤丝增强复合材料电学及光学性能表明：微纳纤丝加量2%，微纳纤丝/PVA复合材料薄膜表面电阻率从22.0kMΩ提高到81.5kMΩ、介电常数从1.02增加到1.43，介质损耗因数从0.0013增加到0.0172。光透射率略有降低，从97.75%减小到93.78%。本项研究进一步丰富了微纳纤丝的分离工艺理论，拓展了微纳纤丝复合材料的界面胶合理论和增强机理，具有重要的科学意义和应用前景。