冷等离子体自由基引发与诱导接枝协同强化酶解木质素胶合力的机理

以纤维素燃料乙醇生产过程产物酶解木质素为研究对象，通过冷等离子体引发酶解木质素表面自由基和诱导接枝特定活性官能团的协同作用，显著提高其反应活性，使之可直接作为胶粘剂用于制备不含游离甲醛的环保型木质纤维复合材料。通过研究冷等离子体改性前后酶解木质素结构和物化特性的变化以及改性酶解木质素胶合反应历程，阐明冷等离子体自由基引发单独作用及其与诱导接枝协同作用强化酶解木质素胶合力的机理，优化冷等离子体改性工艺，并将之应用于环保型木质纤维复合材料的制备，为实现酶解木质素的工业化高值利用奠定理论基础和提供实践依据。研究成果对于推进我国纤维素燃料乙醇的工业化进程，促进我国胶粘剂工业的可持续发展和推动我国人造板工业的科技进步具有重要的现实意义。

能源危机和环境污染迫使人们开发生物质燃料乙醇。木质原料中纤维素和半纤维素可转化为低分子糖，进后发酵变成乙醇，近来该项研究已成为热点课题。然而，木质素作为木质原料三大组份之一却成了碳水化合物酶水解的障碍，是生物质燃料乙醇生产过程的废弃物。每生产1吨生物质燃料乙醇，产生的废渣中30~35%为酶解木质素。可以预计，随着生物质燃料乙醇工业的发展，酶解木质素将成为一类丰富的资源。酶解木质素的增值利用可提高生物质燃料乙醇生产的经济效益和提供一种制备可再生材料的资源。. 针对上述技术需求，本项目通过分析冷等离子体处理对酶解木质素表面化学特性的影响，阐明冷等离子体自由基引发与诱导接枝协同作用强化其胶合力的机理，优化冷等离子体改性工艺，并探讨将之应用于环保型木质纤维复合材料的制备可行性。. 研究结果表明：（1）经冷等离子体处理后，酶解木质素表面碳、氢元素显著下降，氧元素显著增加；羟基、羰基有一定程度增加，羧基显著增加；苯氧自由基显著增加。上述变化随着处理时间的延长和处理功率的增加，变化幅度有所增加，但当处理时间和功率达到一定值后，基本趋于稳定。获得较优工艺为：处理时间为5min，处理功率为200Ｗ。经不同冷等离子体处理后酶解木质素表面接枝的官能团有所不同，对于含氧官能团的接枝，氧等离子体作用效果最显著，其次是空气、氮气和氩气。（2）经冷等离子体处理，酶解木质素的玻璃化转化点有所降低。较低的玻璃化转化点意味着制备酶解木质素/植物纤维复合材料时的热压温度可以适当降低。（3）等离子体改性酶解木质素/植物纤维复合材料的性能达到中密度纤维板标准的要求。较优工艺为：温度205~210℃，纤维含水率17~20%，时间63~68 s/mm。随着冷等离子处理时间延长和处理功率提高，复合材料的物理力学性能都有所改善，但有一定极限，较优工艺为：处理时间5min，处理功率200W。（4）等离子体中高能粒子使酶解木质素一些化学键断裂而形成大量苯氧自由基，所形成的活性位置继而和等离子体中气体组分发生化学反应，如氧化反应，在其表面接枝活性含氧官能团，这些官能团促进了纤维间氢键的生成，加之木质素表面自由基引发偶联作用，而使纤维间结合力大幅度提高。. 本项研究成果对于推进我国生物质燃料乙醇工业化进程，促进胶粘剂工业可持续发展和推动人造板工业科技进步具有重要现实意义