木質素

木質素

一種複雜酚類聚合物
木質素是由四種醇單體(對香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一種複雜酚類聚合物。是一種廣泛存在于植物體中的無定形的、分子結構中含有氧代苯丙醇或其衍生物結構單元的芳香性高聚物[1]。植物的木質部(一種負責運水和礦物質的構造)含有大量木質素,使木質部維持極高的硬度以承拓整株植物的重量。
    中文名: 外文名: 所屬學科: 中文學名:木質素 英文名:Lignin 界:植物界 門:被子植物門 綱:雙子葉植物綱 分布區域:很多

概述

木質素是由四種醇單體(對香豆醇、松柏醇、5-羟基松柏醇、芥子醇)形成的一種複雜酚類聚合物。

木質素是構成植物細胞壁的成分之一,具有使細胞相連的作用。在植物組織中具有增強細胞壁及黏合纖維的作用。其組成與性質比較複雜,并具有極強的活性。不能被動物所消化,在土壤中能轉化成腐殖質。如果簡單定義木質素的話,可以認為木質素是對羟基肉桂醇類的酶脫氫聚合物。它含有一定量的甲氧基,并有某些特性反應。木質素是植物細胞壁的主要組成部分。紙漿中根據所含木質素量可化學漿約15%,機械木漿幾乎含有全部。它還用于制備香蘭素和二甲基亞砜,也可用作鞣料或膠黏劑等。用濃酸溶解植物纖維和用堿提取木質素。前者以72%硫酸溶解,經有機溶劑提取後,使木質素沉澱而了。後者以燒堿溶液在170~180℃高溫下處理試料,提取木質素,在提取液中加酸酸化而沉澱分離。化學品或合成樹脂反應可得相應的木質素樹脂。

因單體不同,可将木質素分為3種類型:由紫丁香基丙烷結構單體聚合而成的紫丁香基木質素(syringyllignin,S-木質素),由愈創木基丙烷結構單體聚合而成的愈創木基木質素(guajacyllignin,G-木質素)和由對-羟基苯基丙烷結構單體聚合而成的對-羟基苯基木質素(hydroxy-phenyllignin,H-木質素);裸子植物主要為愈創木基木質素(G),雙子葉植物主要含愈創木基-紫丁香基木質素(G-S),單子葉植物則為愈創木基-紫丁香基-對-羟基苯基木質素(G-S-H)。從植物學觀點出發,木質素就是包圍于管胞、導管及木纖維等纖維束細胞及厚壁細胞外的物質,并使這些細胞具有特定顯色反應(加間苯三酚溶液一滴,待片刻,再加鹽酸一滴,即顯紅色)的物質;從化學觀點來看,木質素是由高度取代的苯基丙烷單元随機聚合而成的高分子,它與纖維素、半纖維素一起,形成植物骨架的主要成分,在數量上僅次于纖維素。木質素填充于纖維素構架中增強植物體的機械強度,利于輸導組織的水分運輸和抵抗不良外界環境的侵襲。

木質素在木材等硬組織中含量較多,蔬菜中則很少見含有。一般存在于豆類、麥麸、可可、巧克力、草莓山莓的種子部分之中。其最重要的作用就是吸附膽汁的主要成分膽汁酸,并将其排除體外。

另外,雖然其詳細情況目前尚不得而知,但木質素的構造與多酚非常相似,故此,木質素與多酚應該有密切的關系。總之,二者對于身體都有很好的作用。

持續發展

随着人類對環境污染和資源危機等問題的認識不斷深入,天然高分子所具有的可再生、可降解等性質日益受到重視。

KimJW等研究了煤與造紙黑液的共液化,他們認為木質素的熱解形成苯氧自由基,以及其它反應性自由基在低溫下對于煤基有很重要的熱解作用。這些自由基是高效的活性中間體,能夠使得煤中的亞甲基斷裂從而促進煤的解聚。

AkashBA等研究了煤與木質素共液化動力學。采用伊利諾斯州煙煤與腐蝕性的木質素混合物,反應在初始氫壓1.1MPa、375℃、四氫萘作溶劑下完成的。煤和木質素混合物液化産品與單獨用煤液化得到的産物相比,含較少苯不溶物。排阻色譜研究表明,煤和木質素混合物液化産品平均分子量比用單煤或單木質素液化得到的産品的分子量要低。試驗數據表明,在加入木質素後煤的轉化率提高了22%,通過研究分析得到了描述化學反應的數學模型。他們對液體産品循環的影響也進行了研究。初步試驗表明,随着産品循環的增加,煤總的分解率是減小的。

以上的研究表明,當煤與木質素共液化時,煤的液化溫度可降低。而且不同研究者得到的實驗結果都表明,與煤單獨液化相比,煤與生物質共液化所得到的液化産品質量得到改善,液相産物中低分子量的戊烷可溶物有了增加。産生這些結果的原因可能是木質素的熱解形成苯氧自由基,以及其它反應性自由基在低溫下對于煤基有很重要的熱解作用。當使用含有苯酚類基團的溶劑進行液化時,煤的轉化率也有顯着增加,雖然國内外對生物質與煤的共液化取得了一定的進展,但還有許多不夠深入,以後應着力研究煤與木質素共液化工藝條件,改性生物質與煤液化試驗研究、木質素與煤共液化動力學、木質素與煤催化劑的專用高效催化劑方面的研究。

展覽會

國際碳纖維會議7月25日~26日在美國紐約州水牛城舉辦,會議由哈勃公司(HaperInternational)主辦,美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)協辦。有來自20多個國家的170多位企業代表與學者參會。會議提出采用可再生原料生産低成本、高産量碳纖維是今後發展趨勢。

2014中國國際木質素産業及應用展覽會将于2014年5月15日-17日在上海世博展覽館召開。

結構和性質

日本的八浜羲和曾對木質素下過這樣的定義:木質素是在酸作用下難以水解的相對分子質量較高的物質,主要存在于木質化植物的細胞中,強化植物組織。其化學結構是苯丙烷類結構單元組成的複雜化合物,共有三種基本結構(非縮合型結構),即愈創木基結構、紫丁香基結構和對羟苯基結構,分子結構式如圖所示,

同時含有多種活性官能團,如羟基、羰基、羧基、甲基及側鍊結構。其中羟基在木質素中存在較多,以醇羟基和酚羟基兩種形式存在,而酚羟基的多少又直接影響到木質素的物理和化學性質,如能反映出木質素的醚化和縮合程度,同時也能衡量木質素的溶解性能和反應能力;在木質素的側鍊上,有對羟基安息香酸、香草酸、紫丁香酸、對羟基肉桂酸、阿魏酸等酯型結構存在,這些酯型結構存在于側鍊的α位或γ位。在側鍊α位除了酯型結構外,還有醚型連接,或作為聯苯型結構的碳-碳聯結。同酚羟基一樣,木質素的側鍊結構也直接關系到它的化學反應性。

由于木質素的分子結構中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共扼雙鍵等活性基團,因此可以進行氧化、還原、水解、醇解、酸解甲氧基、梭基、光解、酞化、磺化、烷基化、鹵化、硝化、縮聚或接枝共聚等許多化學反應。其中,又以氧化、酞化、磺化、縮聚和接枝共聚等反應性能在研究木質素的應用中顯示着尤為重要的作用,同時也是擴大其應用的重要途徑。在此過程中,磺化反應又是木質素應用的基礎和前提,到目前為止,木質素的應用大都以木質素磺酸鹽的形式加以利用。在亞硫酸鹽法生産紙漿的工藝中,正是由于亞硫酸鹽溶液與木粉中的原本木質素發生了磺化反應,引進了磺酸基,增加了親水性,而後這種木質素磺酸鹽在酸性蒸煮液中進一步發生水解反應,使與木質素結合着的半纖維素發生解聚,從而使木質素磺酸鹽溶出,實現了木質素、纖維素與半纖維素的分離,得到了紙漿,同時也使木質素的應用成為了可能。

應用

利用木質素作為橡膠補強劑的方法,屬木質素在橡膠工業中應用的技術領域。其要點是在濃縮的造紙廢液中加進甲醛制成木質素甲醛樹脂,再按比例加入硫磺、氧化鋅、硬脂酸、硫化劑、硫化促進劑、硫化活化劑與橡膠在一定溫度下進行硫化。本發明可使橡膠中填充大量木質素仍不需加軟化劑,這既節省大量橡膠,又可獲得優良性質的硫化膠,同時硫化中不會塵土飛揚污染環境,又使造紙廢液變害為利,有着很大的社會和經濟效益。

木鈉的主要用處:

利用其粘結性、分散性、螯合性廣泛應用各個行業,以改善其物理化學性能,節省成本,提高效率。

1、增強劑

在耐火材料、陶瓷制品生産中起到減水、增塑、絮凝等作用,亦可用于鑄造業,作為輔助粘結劑,粘結力大且解崩性好。

2、礦粉粘結劑

冶煉業将礦粉與之混合制成礦粉球,幹燥後入窯,提高冶煉回收率,也可用作選礦劑。

3、用作混凝土減水劑

摻加量在0.2%-0.3%時,可減少混凝土攪拌時用水量10%-12%,降低水灰比,節約水泥10%左右,改善混凝土和易性、流動性及抗滲透性,提高混凝土強度和密實性,具有早強效應,縮短凝結時間,提高抗壓強度,同時減少混凝土坍落度損失。

4、防垢劑和緩蝕劑

用于工業容器和管道中,起到防垢和緩蝕的作用,提高窗口和管道的使用壽命。

5、水煤漿分散劑

用于火力發電廠等使用水煤漿的企業,作為分散劑,提高對煤的分散能力,增加燃煤的發熱率和利用率,大大降低粉煤灰中的含煤量,同時減少搭橋和結塊,提高爐體壽命。

6、其他

本産品可用作三次采油的化學劑、油田鑽井泥漿稀釋劑,及用于封井。另外,還可用于瀝青乳化劑、飼料粘結劑、精煉助劑等,還廣泛用于農藥加工、型煤制作、鞣革的填料、炭黑造粒及土壤、沙丘、粉傑的控制等。

用途和使用方法

主要用途:

1、用作混凝土減水劑:摻水泥重量的0.2-0.3%,可以減少用水量10-15%以上,改善混凝土和易性,提高工程質量。夏季使用,可抑制坍落度損失,一般都與高效減水劑複配使用。

2、用作選礦浮選劑和冶煉礦粉粘結劑,冶煉業用木質素磺酸鈣與礦粉混合,制成礦粉球,幹燥後放入窯中,可提高冶煉回收率。

3、耐火材料:制造耐火材料磚瓦時,使用木質素磺酸鈣做分散劑和粘合劑,能改善操作性能,并有減水、增強、防止龜裂等良好效果。

4、陶瓷:用于陶瓷制品可以降低碳含量增加生坯強度,減少塑性粘土用量,泥漿流動性好,提高成品率70-90%,燒結速度由70分鐘減少為40分鐘。

5、其它:木質素磺酸鈣還可用于精煉助劑,鑄造,水煤漿分散劑,農藥可濕性粉劑加工,型煤壓制,道路、土壤、粉塵的抑制,制革鞣革填料,炭黑造粒,飼料粘合劑等方面。

木質素磺酸鈉是陰離子表面活性劑,棕黃色粉末。主要用于分散染料和還原染料的分散和填充,具有良好的分散性、耐熱穩定性和高溫分散性,助磨效果良好,對纖維沾污輕,對偶氮染料還原性小.

使用方法:1、木質素磺酸鈉主要用于分散、還原染料,還可作為酸性染料的稀釋劑,顔料分散劑。2、作為高效混凝土減水劑,比木質素磺酸鈣性能優越,适于涵洞、堤壩、水庫、機場及高速公路等工程.3、用于鉛酸蓄電池和堿性蓄電池陰極防縮劑,提高電池的低溫急放電容量和使用壽命;用于電鍍電解能使鍍層均勻,無樹狀花紋;毛皮工業上作為鞣革劑;鍋爐上作為除垢劑;冶金采礦中用于高級浮選劑.

貯存:應注意防潮濕、防雨淋,避免結塊,如有結塊,粉碎或溶解後不影響使用效果;本産品無毒無害,長期存放不變質,系非易燃易爆危險品.

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