活化单糖接枝改性木材细胞壁的机理研究

This project proposes a new approach to modify wood cell wall with monosaccharides via chemically grafting and cell wall bulking. The purpose is to reduce or avoid the issues on the wood modified with present resins, such as release of low-molecular-weight volatiles (formaldehyde and phenols). Most of the resins used are difficult in penetrating the cell walls and the modified wood becomes brittle. This study will concentrate on highly activiating the monosaccharide groups into more reactive functionalities, effectively penetrating cell walls with them, and efficiently grafting wood cell wall polymers with activated monosaccharides. Through the study we aims at establishing a correlation between monosaccharides and activiating efficacy, characterizing the structures of activated monosaccharides and properties of modified wood, thereby creating a "green" method to chemically modify wood therewith. With this method, we expect to dimensionally stabilize wood, enhance the mechanical strength, and improve the resistance agaist decay fungi. The modifying mechanisms of wood with monosaccharides will be explored and it further verifies the assumption that wood cell wall bulking could be a reason to reduce the fungal decay. This study could provide an idea to develop new environmentally-friendly wood modification technique, which has potential application on the low-quality fast growing wood to improve its utilization efficiency.

本项目从木材细胞壁大分子化学修饰与微观构造填充增强理论出发，提出以单糖为改性药剂化学接枝与填充木材细胞壁的学术思想，探索天然药剂改性增强木材的新方法，解决传统化学改性木材存在的游离甲醛、游离酚等有害挥发物释放、药液难以渗透改性细胞壁、木材变脆等突出共性问题。重点研究单糖官能团活化、活化单糖在细胞壁中渗透及与细胞壁大分子接枝等关键难题，建立单糖种类与官能团活化效率之间的关系，从微观和宏观两个方面对活化单糖及改性木材进行系统表征与评价，创建绿色高效的单糖活化及木材细胞壁接枝改性方法，增强低质木材尺寸稳定性、力学强度和耐腐能力，揭示活化单糖改性增强木材机理，验证并阐明"细胞壁改性充胀是改性木材耐腐朽机理"这一理论假说，为开发新型环保的木材改性技术提供新思路，对促进低质人工林木材高效节约利用具有重要的实践意义。

目前世界上木材化学改性产业技术主要有乙酰化、糠醇改性、氮羟甲基树脂改性、甲醛基低分子树脂处理等，但是所用药剂多来源于化石资源，具有不可持续性；改性木材存在甲醛等挥发物释放污染环境问题。本项目以天然产物-单糖-作为木材改性试剂原料，以过氧化氢（Fenton试剂）为氧化体系，将富含羟基的单糖转化成反应活性更高的醛和羧酸，以活化单糖单独或与天然化合物柠檬酸复配，制备木材改性药液，对处理材物理力学和微生物耐受性进行了全面表征，揭示单糖活化和改性木材机理。. 研究结果显示过氧化氢浓度与葡萄糖浓度比为1:1，活化温度30℃较佳。以增重率和强度保留率为指标，在无催化剂和pH调节条件下，活化糖浓度低于18%，固化时间24h，固化温度120℃。采用柠檬酸和活化葡萄糖复配处理，提高活化葡萄糖在木材中的固着率。复配处理木材的抗胀缩率可达42%，基本不影响木材的抗弯强度，但冲击强度下降较明显。活化葡萄糖基药液处理木材的耐褐腐、抗蓝变性能得到显著改善。活化葡萄糖基药剂改性木材的机理包括细胞壁微孔填充和细胞壁大分子化学修饰。本项目实现了“以木材组分单元改性增强木材本身”的绿色改性理念，在保持木材天然特性的同时赋予了木材更高的尺寸稳定性和耐腐朽性能，为新型木材改良技术研发提供新思路。. 项目基本按照项目计划书按时展开，经费按照预算合理支出。项目共发表标注学术论文19篇，其中SCI收录14篇；参编Wiely英文著作1部；获得国家科技进步二等奖1项、黑龙江省技术发明一等奖1项、中国林业青年科技奖1项；获得授权发明专利2件、国际和国内学会/协会的特邀和分组论文报告12篇/次；培养科研骨干1名（入选长江学者特聘教授和中青年科技创新领军人才），毕业博士研究生1名，毕业硕士研究生5名，完成了预期研究目标。