大孔径pH敏感木聚糖基水凝胶的构建及其流变学研究

High performance and low cost conversion of hemicelluloses is a key technology to achieve the optimization of raw materials and products with maximized performance in the process of pulping and papermaking. Based on the occurrence of degradation and oxidation of hemicelluloses in the pulping process, the project intent to create the technology system of conversion of hemicelluloses obtained by raw materials pretreatment before pulp process into functional materials, and will explore novel environment-friendly macroporous and pH sensitive xylan-based hydrogels. Firstly, xylan-type hemicelluloses with different branches will be obtained by the pretreatment of sugarcane bagasse and eucalyptus wood before pulp process, and their physic-chemical properties will be characterized. The relationship of structure and properties will be discussed. Macroporous and pH sensitive and hydrogels based on xylan will be designed. The swelling dynamics of hydrogels will be studied as well as the mechanical properties, and the mechanism of the volume phase transition caused by environmental change will be investigated. The rheological properties of hydrogels based on xylan with different structure will be studied and the mechanism of hydrgoels formation will be clarified. And the biodegradation mechanism will also be discussed. Furthermore, the adsorption behaviors for heavy metal ions will be discussed, and the adsorption kinetics and adsorption thermodynamics will be revealed. The regeneration properties of hydrogels will be studied. This project will resolve the problems in no utilization of hemicelluloses in the process of pulping and paper, and provide the foundation of theory and technology of conversion of hemicelluloses into functional materials.

半纤维素高效、低成本转化技术是实现造纸过程中造纸原料及产品价值最大化和最优化的一个技术关键。本项目基于目前在制浆造纸过程中半纤维素被氧化降解未被充分利用的现状，建立制浆前原料预处理提取半纤维素转化为功能材料的技术创新体系，拟研发以木聚糖类型半纤维素为基质的大孔径pH敏感水凝胶材料。具体为：考察预处理提取和纯化条件获得的不同支链度的木聚糖的物理化学性质，阐明木聚糖性质随结构变化规律；设计合成对pH敏感的木聚糖基水凝胶，探讨水凝胶的溶胀及机械性能，揭示因环境变化而引起的体积相变原理，考察不同结构的木聚糖对水凝胶流变性能的影响，阐明其成胶机理，揭示水凝胶的生物降解机制，探讨水凝胶对重金属离子的吸附行为，揭示其对重金属离子的吸附动力学和吸附热力学原理；考察该水凝胶的再生性能。本研究可解决制浆造纸过程中半纤维素没有资源化利用的难题，为半纤维素转化功能材料奠定理论和技术基础。

造纸工业作为生物质资源的巨大消耗者，在传统的化学制浆过程中，半纤维素资源在蒸煮阶段发生氧化降解进入黑液，未得到充分利用。因此，半纤维素高效、低成本转化是实现造纸原料及产品价值最大化和最优化的关键技术。本项目建立了木质纤维预处理提取半纤维素及其转化高性能材料的技术创新体系，提出了碱性试剂分离技术耦合不同浓度乙醇纯化技术，获得不同化学结构的木聚糖类型半纤维素，阐明了分离方法、纯化方法、干燥方式对半纤维素结构及其性质的影响规律；依据分离得到的木聚糖的构效关系，结合具有环境响应型易聚合单体特点，通过化学交联技术，构建了对环境响应型的大孔径半纤维素基水凝胶，考察了不同的致孔剂、聚合单体以及交联剂和纳米物质对水凝胶孔径大小、溶胀度、环境响应行为、流变性的影响，阐明了水凝胶的成胶机理及其降解性；考察了半纤维素基水凝胶对不同金属离子的吸附行为以及循环使用性能，发现GO/xylan-g-P(AA-co-AM)复合水凝胶具有较大的孔径，对Pb2+、Cd2+、Zn2+的最大吸附容量可达683mg/g、341mg/g和142mg/g，且经过5次吸附-脱附循环，其回收率仍都在80%以上，各重金属离子竞争吸附的顺序为： Pb2+>Zn2+>Cd2+。这些研究为半纤维素功能材料的制备以及应用提供了重要的理论基础，拓宽了半纤维素的工业应用范畴。经过三年的努力研究，在国际期刊上发表SCI收录论文12篇（JRC一二区论文9篇）。申请发明专利8件（其中PCT专利1件），授权中国发明专利2件。研究成果获得教育部自然科学二等奖1项（2015年）。在此期间，项目负责人入选了广东省特支计划。培养毕业硕士研究生5名，协助培养毕业博士研究生1名。