木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨分离中细胞壁物质的化学反应机理研究

采用气相色谱法、凝胶色谱法(GPC)、臭氧分解法、1H-NMR(JEOL JNM-A 500 spectrometer) 法、红外分光光度法、紫外分光光度法等测试分析手段，定性定量分析木材（木片）在纤维板生产线的热磨机预热罐中酸性蒸汽高压(0.8～1.2MPa)蒸煮后热磨分离成纤维过程中，木材细胞壁的纤维素、半纤维素、木质素等主要化学成分变化规律、反应机理以及木质素胶粘剂的形成机理，以探索木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨制造无胶纤维板的胶合机理；研究确定适宜催化水解木材形成木质素胶粘剂的酸性催化剂配方、热磨机预热罐内酸性蒸汽高压蒸煮最佳工艺以及热压制板工艺，为改进现有中密度纤维板生产线并生产无胶纤维板提供理论和技术支撑。本研究对提升我国纤维板行业技术水平，提高产品档次，保持纤维板工业的可持续发展，满足广大纤维板消费者的环保需求，发展林业循环经济、建设节约型社会等都具有十分重要的现实意义。

国内外对无胶纤维板的研究已经经历了数十年，但相关成果至今没有实现产业化应用，对制造工艺的机理缺乏深入研究是重要原因之一。基于此课题组提出对木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨分离中细胞壁物质的化学反应机理研究。本研究历时三年，完成了预期的研究内容，阐明了木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨分离中细胞壁物质的化学反应机理，实现了预期的研究目标。. 本课题研究确定了较优的酸性催化剂为硫酸或盐酸。系统研究了木材酸性蒸汽蒸煮热磨分离成纤维后纤维细胞壁的形态变化、化学成分变化、木质素变化等，发现热磨过程中：木纤维表面光滑，酸化热磨纤维表面凸凹不平，增加了纤维间的啮合，有利于纤维板的成型，无胶纤维板中木纤维相互呈网状交联结构；木纤维的木质素发生降解，各纤维间经羟基缔合形成了氢键，有利于纤维间自胶胶合成板，木纤维在酸化热磨过程中木质素和游离糠醛质量分数增加，均有益于纤维间胶合；酸性介质的加入，使得木质素中共轭体系被破坏，木质素中不饱和基团减少，增加了活性利于发生自黏结。. 最重要的是探明了木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨分离中细胞壁物质的化学反应机理。即：木片在酸性高温蒸汽中蒸煮过程中木材细胞壁的半纤维素降解为戊糖并进一步反应生成糠醛类物质；木材细胞壁的木质素主要在热压过程中发生反应，且木质素中主要参与化学反应的结构为愈创木基丙烷结构；愈创木基丙烷结构与糠醛类物质反应生成酚醛类树脂化合物，从而实现木质纤维之间的相互粘结热压制造纤维板。. 最后基于此机理，探明了木材酸性蒸汽蒸煮热磨制造无胶纤维板最佳工艺。即：木片蒸煮蒸汽压力1.0MPa，木片蒸煮时间从3.0min，热压温度210℃，热压压力2.5 MPa，热压速度25min/mm。在国内外首次在中密度纤维板生产线上成功进行了无胶纤维板的中试，发现该生产工艺技术适宜在无胶高密度纤维板生产，目前正在与相关企业进行合作推进产业化工作。. 本研究获得的木材酸性蒸汽高压蒸煮热磨分离中细胞壁物质的化学反应机理系国内外首创，正逐渐引起国内外同行的兴趣。本基础研究是围绕应用中重大科学问题提出，取得的成果对提升我国纤维板行业技术水平，提高产品档次，保持纤维板工业的可持续发展，满足广大纤维板消费者的环保需求，发展林业循环经济、建设节约型社会等都具有十分重要的现实意义。