碱木质素的溶液行为及其化学修饰模型物在固液界面的吸附机理研究

针对工业碱木质素的化学改性难度大、反应效率低的问题，本研究提出新思路，从碱木质素的溶液行为角度出发，对碱木质素在水溶液中的聚集行为进行深入地探索，揭示碱木质素在水溶液中的团聚结构对其化学改性反应的影响规律，并寻找打破溶液中碱木质素团聚结构的方法，提高碱木质素的反应性能；针对木质素基功能高分子助剂在工业应用中需要解决的科学和技术问题，本研究通过制备不同亲水基的水溶性碱木质素模型化合物，深入研究不同类型亲水基的碱木质素模型化合物在憎水/亲水物质表面的吸附作用机制，并且建立相应的吸附模型，为碱木质素及其衍生物的化学改性、分子设计和应用配伍提供理论依据。该研究工作为复杂天然高分子化合物的研究提供可借鉴的研究思路，为木质素基高分子化合物的资源化利用技术提供研究基础和理论指导，成果的应用可推动工业碱木质素的高效资源化利用。

该项目以提纯的麦草碱木质素（AL）为研究对象，揭示其在溶液中的聚集行为和分子构型。结果表明，AL在水溶液中的浓度超过临界聚集浓度（CAC）之后开始形成一些小的聚集体，随着浓度增加，越来越多的椭球型聚集体形成，并且聚集体的直径也逐渐增大。溶液pH值的不断增加使AL的分子构型由椭球型变成分支带状，然后变为不规则层状结构。二甲基甲酰胺、丙酮、二氧六环等极性溶剂的加入使AL在溶液中的分子构型由不规则层状结构收缩成紧实的椭球状结构。.以AL为原料，制备高羧基含量的碱木质素羧酸钠（CAL），采用化学滴定和核磁共振等方法进行表征，结果表明，羧甲基化反应主要发生在愈创木基结构单元的酚羟基和支链α醇羟基上。CAL在水溶液中的聚集行为研究结果表明，当浓度超过CAC之后，CAL发生分子间π-π聚集，聚集体粒径随着浓度的增加而增大；溶液pH值的增大使CAL发生分子解聚，CAL分子间的π-π作用在强碱性溶液中有所增强；另外，离子强度的增大也促进了CAL在溶液中的聚集。.分别研究CAL在疏水性的天然鳞片石墨/水和高纯石墨/水界面的吸附特性。结果表明，羧基含量对CAL在天然鳞片石墨上的吸附影响最大，其饱和吸附量随着羧基含量的增大而增大；其次，溶液pH值的影响也比较显著，溶液pH值的增大使吸附量先减小后增大；尿素和溶液离子强度对吸附的影响相对较小。然而CAL在高纯石墨/水界面的饱和吸附量相比天然鳞片石墨/水界面则显著减少，并且对溶液pH的敏感度也显著减小，溶液离子强度和尿素对吸附量的影响较大。分析认为，天然鳞片石墨表面含有的微量金属元素与CAL的羧基之间的螯合吸附作用主导了其吸附过程，而高纯石墨石墨表面没有微量金属元素，与CAL的吸附主要以π-π作用和氢键作用为主，因此受溶液离子强度的影响较大。.分别研究了CAL和木质素磺酸钠（SL）在亲水性的碳酸钙/水、氧化铁/水界面的吸附特性。结果表明，CAL和SL分子中的羧基主导了其在亲水性矿物质表面的吸附过程，羧基与碳酸钙和氧化铁颗粒表面的螯合吸附作用是支配吸附的主要驱动力，而π-π作用和氢键作用对吸附过程的影响较小。.该项目的完成为AL的化学改性和改性产物的工业应用提供了技术和理论指导。合成的CAL已经在农药WDG和WP剂型中应用为分散剂，性能优良，相关项目得到国家十二五科技支撑计划的资助。另外，CAL在农业微肥领域的研究也取得了一定进展。