试析木质素作为化学工业基础原料的研究及应用

杨积衡

摘 要：木质素是一种可再生资源，在现代化工生产中有着非常广泛的应用。本文介绍了木质素在各传统领域的应用，详细介绍了木素作为化学工业基础原料的研究及应用，并预测了木素的研究趋势。

关键词：木质素 基础原料 研究 应用

除了纤维素外，木质素是自然界第二大丰富的可再生资源，是天然最丰富的芳香高聚物。一般传统的观点都把木素视为废弃物，它的利用是相当有限的，据估计，来自于制浆废液中的木质素，仅有1%-2%被用作制造其它特殊产品，其它的都被排放掉了，并加剧了环境的污染。但随着资源短缺和能源危机的加剧，资源危机和环境污染已成为人类社会面临的两大挑战，木素由于其特殊的结构，被作为化学工业的基础原料加以开发和利用。

一、木质素在各领域的应用

由于木质素结构中含有大量羟基、羧基、羰基等多种活性基团，木素本身及其改性产物，已被应用于各个方面。在水泥及建筑工程中，木质素磺酸盐可以有效地提高水泥的可流动性，是最广的混凝土普通减水剂，目前大约有一半左右由制浆造纸分离工艺所产生的木质素磺酸盐被应用于水泥添加剂。

在石油开采中，先对木质素磺酸盐进行羟甲基化反应，然后与聚丙烯酰胺接枝，制成聚合物驱油剂，比使用聚丙烯酰胺提高采收率25个百分点。

在橡胶及塑料工业中，木质素分子或木质素分子间羟甲基在硫化时进一步缩合，形成木质素树脂网络，网络中的活性基团与橡胶反应，使木质素树脂网络与橡胶网络整合到一起，使橡胶得到改性。在丁腈橡胶中，当木质素的填充量达到200份（质量）时，填充橡胶仍具有优良的综合性能。

在生物肥料方面，木质素结构上可接有植物生长需要的元素，如氮磷钾等，这些营养元素可随木质素本身的降解而缓慢释放出来，因此可用于控释功能肥料。木质素还可以通过简单的化学反应与农药分子产生化学结合，可用作缓释农药的载体，有利于延长施用农药的效果，使在较少用量条件下，依然能够实现对虫害的灭杀功用，从而实现削减农药不合理使用造成的环境污染并减少农药的投入成本。

木质素中添加少量甲醛和少量短纤维增强其强度和成膜性，再添加一些表面活性剂和起泡剂，通过喷雾器喷到土壤表面，即可成为液体地膜，这种液体地膜在降解前，覆盖土壤表面，具有保墒、防止水分蒸发和杂草生长的作用；被微生物降解变成腐殖酸，可以改善土壤理化性质，提高土壤通透性，防止板结。

二、作为化学工业基础原料的研究及应用

随着石油资源的短缺，石油价格的猛涨，木质素作为自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油资源，代替目前石油工业原材料，作为化学工业基础原料的给料，前景非常广阔。

2.1制备液体燃料

木质素的碳氢比相对于纤维素和半纤维素来说，与天然石油的最为接近，将木质素的苯丙烷为单体的天然高分子结构直接液化可制备以苯类和长链烷烃为主的生物石油。

2.2制备化工产品

木质素可以通过降解的方法，比如热降解、生物降解的方法生产出有机化工产品，各种有用的苯酚类物质，如苯酚、香草醛、丁香酸等。国内外的研究者进行了各种方法从木质素中制取有用化工产品的研究。

（1）制备低分子量的化工产品

由于木素结构的特殊性，具有芳烃和脂肪烃的双重性质，断裂脂肪烃即可得到相应的含苯环的酚类等物质，因此从木素中获得低分子质量化工产品，尤其是酚和芳烃正变得越来越现实。

（2）制备高分子化工产品

木素由于其大量醚键易于断裂成多酚的结构可以作为酚的替代品以合成酚醛树脂，由于其毒性远低于苯酚，有利于人员健康和保护环境。但由于木素化学成分的复杂性，结构的非均一性都限制了在这方面的大规模的使用，采用5%-10%的木素的添加取代酚合成的树脂，分子量将增加很多。解决此类问题的途径主要是对木素改性。木质素改性的方法主要有生物化学改性、羟甲基化改性、脱甲基化改性、酚化改性，此外还有磺化改性等。生物化学改性木质素主要是通过酶的氧化使木质素发生交联反应，比如木质素可以通过氧化酶降解，降解后木质素更易发生反应。羟甲基化是木质素在碱性条件下与甲醛反应生成羟甲基，达到木素改性的目的。

另外，木质素还能够合成环氧树脂。以木素为原料来合成的环氧树脂，在某些性能上并不低

于其他类型的环氧树脂，因此具有很大的潜力。在以前的对环氧树脂的合成的研究中，主要是通过没有改性或酚化改性的木素与环氧氯丙烷反应而成，通过这种方法生成的环氧树脂的溶解性差，因此阻碍了其商业应用。

还有，木质素还能够制取聚烯烃。全球的聚烯烃市场非常大，以聚乙烯和聚丙烯为代表的聚烯烃就占据热塑市场约60%的份额，由木素作原料生产聚烯烃应是不错的选择。单纯的聚烯烃生产的塑料，在环境中很难生物降解，木素的参与则能提高生物降解率；木素的加入改善了聚烯烃的性能参数，如环氧树脂改性的木素磺酸盐以质量百分比%2.5%-40加入70%聚丙烯和30聚乙烯的聚烯烃混合液，此聚烯烃仍旧表现出良好的热力学特性，以及良好的机械性能。

（3）其它应用

①制备活性炭。李密等以北方落叶松、杨木、桦木、浸提落叶松锯屑和麦秸为原料，采用氢氧化钾化学活化，在相同条件下制备高比表面积活性炭。用木素制备活性炭更多的研究是直接利用造纸黑液，制取活性炭的方法有物理活化法和化学活化法，化学活化法应用较多。

②制备香兰素。香兰素是一种贵重香料，从天然植物中提取香兰素不仅数量少且成本高，难以满足市场需求，目前人们使用的香兰素主要由化学合成法获得。碱的硝基苯氧化方法可以把木素转化成香草醛及其它类似物，这刺激了从技术木素制造香草醛的经济实用过程的研究。目前，挪威一家工厂采用针叶木磺酸盐木素作原料，通过碱性空气氧化制得香兰素。大致过程如下：在110-117℃温度下，无氧狀态，对纯化的磺酸盐木素溶液加热。加热后的混合物离心、酸化，溶剂提取制得香兰素。

三、结语

目前，对木质素的应用绝大多数还处于研究及试验阶段，对木质素高附加值的利用也少之又少；以上综述的对木质素的利用也基本仅限于工业木质素，即使这样，工业木质素的利用率仍不足10%，大部分作为废物排放。究其原因是木质素分子结构非常复杂，至今尚未完全弄清。还有一个非常重要的原因就是，采用木素作为工业原料制取化学品，工艺较复杂，与传统的石油作原料相比，制得的产品价格偏高，毫无价格优势可言。因此人们还是习惯上应用石油作原料来制取化工制品。但随着资源短缺和能源危机的加剧，随着石油价格的节节攀升，从理论上及现实意义上木素都将被重新发掘和利用。随着基础理论研究的深入，木质素作为自然界中能提供可再生芳香基化合物的非石油资源，而且它具有优越的结构特性，量大、易得、价廉，因此以木素为原料来合成化工产品将逐渐显现其巨大的优势。未来木素作为制备化学工业产品的基本原料必将得到更多的重视，开发及应用。

参考文献

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