竹纤维化学塑化分子机理及调控机制研究

Thermoplastic modification is an innovative method for value-added utilization of natural plant fiber. In this method, by linkage a certain branch to main chain in fiber polymer, the softening point, melt temperature, and hygroscopicity of the natural fiber can be decreased, and appropriate thermoplasticity of the lignocellulosic fiber can hence be developed. To illuminate the molecular mechanism of thermoplastic modification, the optimized modification solution will first be designed according to the physical and chemical properties of natural bamboo fiber in this project. And base on the designed method, the aggregate structure of bamboo fiber will be regulated under pretreatment condition. Then, the reaction mechanism of the chemical modification will be analysed by structural characterization of cellulose, hemicelluloses, and lignin in bamboo fiber before and after plasticization treatment. The project will play a positive role in improvement value-added utilization and deep-processing of natural plant fiber. The results of the research will provide a necessary and reliable scientific basis for lignocellulosic fiber biorefinery, including establishment thermoplastic modification theory, expansion application fields, and innovation use pattern.

热塑化是天然植物纤维的一种创新利用方式，其基本原理是通过在天然纤维化学组分大分子主链导入柔顺侧链或赠水结构，降低天然纤维的软化和熔融温度，减弱或消除天然纤维的吸湿性，从而实现纤维材料的可塑加工。本项目以我国丰富的天然竹纤维为原料，以降低天然竹纤维的热软化点、改善其热流动性和可塑性为目的，在优化竹纤维化学塑化改性方案的基础上，通过分析塑化过程中竹纤维微观构造及大分子聚集态结构的解聚历程、推导塑化剂与竹纤维主要组分（纤维素、半纤维素、木质素）的化学反应机理、考察竹纤维塑化改性方案与塑化产物性能之间的关联关系，从大分子聚集态结构和化学结构两个层面系统揭示天然竹纤维化学塑化的分子机理，查明竹纤维化学塑化改性的调控机制。开展项目研究，可以为发展木/竹等天然纤维材料的塑化改性理论、拓展天然纤维材料的应用领域、创新天然纤维材料的应用方式、推动天然纤维材料的精深加工及高值化利用提供必要的理论依据。

热塑化是天然植物纤维的一种创新利用方式，其基本原理是通过在天然纤维化学组分大分子主链导入柔顺侧链或赠水结构，降低天然纤维的软化和熔融温度，减弱或消除天然纤维的吸湿性，从而实现纤维材料的可塑加工。本项目以我国丰富的天然竹纤维为原料，以降低天然竹纤维的热软化点、改善其热流动性和可塑性为目的，在优化竹纤维化学塑化改性方案的基础上，通过分析塑化过程中竹纤维微观构造及大分子聚集态结构的解聚历程、推导塑化剂与竹纤维主要组分（纤维素、半纤维素、木质素）的化学反应机理，考察竹纤维塑化改性方案与塑化产物性能之间的关联关系，从大分子聚集态结构和化学结构两个层面系统揭示天然竹纤维化学塑化的分子机理，查明竹纤维化学塑化改性的调控机制。.研究过程中，项目先通过预处理降低竹纤维的结晶度，提高试剂对竹纤维化学改性的可及度，为竹纤维的充分化学塑化提供前提；然后再经酯化、醚化等化学改性，改变竹纤维组分的化学结构，赋予竹纤维良好的热塑性能。研究结果表明，水热预处理能去除竹纤维中部分半纤维素和木质素，提高纤维素的可及度，为竹纤维的化学塑化改性创造必要前提，并可一定程度改善竹纤维的热塑性；经去氢松香接枝的竹纤维虽然结晶结构未被改变，但分子结构变化明显，表面变得平整光滑，热稳定性较水热预处理后的竹纤维显著降低，具有一定的热塑性；没食子酸可与竹纤维发生酯化反应，接枝反应主要发生在竹纤维素的无定形区或结晶结构较松散的区域，改性后竹纤维表面被没食子酸包裹，纤维自身的结晶度降低，热塑性增强；在碱性条件下，溴丙炔改性可以将丙炔基接枝到纤维表面，改性后竹纤维的热稳定性显著降低，塑性明显增强；氯化苄改性后，竹纤维形态和化学结构明显改变，纤维素分子链上大部分羟基被苄基取代，相互间的氢键作用被削弱，结晶度降低，纤维热塑性提升；磺化改性后，竹纤维的塑化性能得到了提升，经过氧化氢预处理的竹纤维再经过磺化改性塑性提升最好。.经过实施本基金项目，课题组已逐渐发展成为一支在竹类生物质化学领域具有一定研究能力和创新活力的科研队伍，相关研究结果共计发表学术论文17篇，出版专著2部。项目所取得的研究成果，可以为发展木/竹等天然纤维材料的塑化改性理论、拓展天然纤维材料的应用领域、创新天然纤维材料的应用方式、推动天然纤维材料的精深加工及高值化利用提供必要的理论依据。