微波-低共熔溶剂协同的木材组分高效分离及纳米纤维素制备科学基础

Efficiency, property and energy dissipation for preparing nanocellulose are affected by multi-scale structures and complex relationships between the components in wood cell walls that is known as “Biomass Recalcitrance”. Disintegration and utilization of nanocellulose efficiently is firstly depended on the efficient isolation of biomass components. In this project, deep eutectic solvent (DES) with high hydrogen bond donors/acceptors is expected to be prepared according to the structure and combination of various hydrogen donors and acceptors theoretically, aiming to better understand the transformation of lignin-carbohydrate complexes at a molecular level. High efficient fractionation of wood components will be monitored with the microwave-assistant DESs to study the selectively dissolving behavior of the components and to establish the kinetic equations. A new system for lignocellulose pretreatment with low cost will be built finally. Mechanism of the physicochemical synergistic effect is also expected to be demonstrated. The new solvent in combination with mechanical fibrillation treatment will be used for nanocellulose preparation, and scientific features of the morphology, crystal form, property, rheology, gelation, assembly and compound of the products will be investigated. As a result, this study will provide theoretical and fundamental knowledge for the bio-refinery and secondary utilization of wood waste.

木材细胞壁具有多尺度结构和复杂组分构效，存在着“抗解聚屏障”效应，影响着纳米纤维素的制备效率、效果和耗能。生物质组分构效关系和高效分离是实现纳米纤维素科学制备的基础，本项目根据氢键供体和受体的结构和设计理论，尝试合成强氢键给/受体的低共熔溶剂(DES)，系统探索DES介质类型及比例、反应温度和时间等对木材组分的影响，在分子水平解析对木质素-碳水化合物复合体的断裂转化机制；将DES与微波辅助相结合进行非纤维素组分的选择性高效溶解分离，揭示物理化学协效的影响机制和作用规律，建立反应动力学方程，构建木质纤维低成本溶解预处理新体系；进一步将这种新型溶剂与超声等机械作用相结合实现纳米纤维素的高效、环保和低能耗制备，构建环境友好型纳米纤维素制备新途径，并阐明产物形貌、晶型、性质、流变、凝胶、组装和复合等科学特性，为林木废弃物的生物炼制和二次功能利用提供理论依据。

针对木材细胞壁多尺度结构和复杂组分构效影响纳米纤维素的制备效率、效果和耗能问题，本项目以生物质组分构效关系为依据，设计合成了具有强氢键给/受体极性的低共熔溶剂体系，在低共熔溶剂结合微波的作用下实现了对木质细胞壁LCC结构的高效解聚，形成木质组分的超快速分离新溶剂和新方法，阐明了木质素和半纤维素的解聚机制和演变规律；建立了高效、绿色、低成本的木质纤维原料预处理和纳米纤维素制备新途径，发明出3种以上制备纳米纤维素的新方法，构建了羧基化纳米纤维素改性和分子端调控的新方法，有望形成强酸法和TEMPO法制备纳米纤维素的补充或替代，且均可实现规模化的批量制备。项目构建起绿色溶剂辅助的纳米纤维素改性和修饰理论基础，在低共熔溶剂调控纳米纤维素制备方面的研究已达到国际领先水平，初步形成了“绿色溶剂促进林木生物质精炼”的学术观点，创建的理论和方法有助于丰富林木生物质综合利用的科学理论。作为通讯作者发表SCI论文6篇，其中影响因子>5.0的5篇，2篇被选为期刊封面论文，3篇获梁希青年论文奖一、二等奖；在科学出版社已出版专著1部，已签约待出版1部；申请国家发明专利3件，其中2件已获授权。召开国际学术研讨会1场；国际合作与交流10余人次；受邀在国内外学术会议上作特邀报告11次。培养了优秀青年骨干3名和博士、硕士研究生7名。凭借本项目的研究积累，项目负责人进一步获得国家杰出青年科学基金的资助。获“黑龙江省高校年度人物”奖，所在团队荣获“全国高校黄大年式教师团队”和“全国工人先锋号”荣誉。总体而言，项目已超额完成研究任务指标，全面实现研究目标。