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木质素

木质素(英语:Lignin)是一种广泛存在于植物体中的无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。

植物的木质部(一种负责运水和矿物质的构造)含有大量木质素,使木质部维持极高的硬度以承拓整株植物的重量。

木质素是三种苯丙烷单元通过醚键和碳碳键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子 [1] ,存在于木质组织中,主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁,为次生壁主要成分。木质素主要位于纤维素纤维之间, 起抗压作用。在木本植物中,木质素占25%,是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。由于自然界中木质素与纤维素、半纤维素等往往相互连接,形成木质素-碳水化合物复合体(Lignin-Carbohydrate Complex),故目前没有办法分离得到结构完全不受破坏的原本木质素。

木质素是由三种醇单体(对香豆醇、松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物。

木质素是构成植物细胞壁的成分之一,具有使细胞相连的作用。木质素是一种含许多负电集团的多环高分子有机物,对土壤中的高价金属离子有较强的亲和力。

因单体不同,可将木质素分为3种类型:由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素(syringyl lignin,S-木质素),由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素(guaiacyl lignin,G-木质素)和由对-羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对-羟基苯基木质素(para-hydroxy-phenyl lignin,H-木质素);裸子植物主要为愈创木基木质素(G),双子叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素(G-S),单子叶植物则为愈创木基-紫丁香基-对-羟基苯基木质素(G-S-H)。从植物学观点出发,木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及厚壁细胞外的物质,并使这些细胞具有特定显色反应(加间苯三酚溶液一滴,待片刻,再加盐酸一滴,即显红色)的物质;从化学观点来看,木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子,它与纤维素、半纤维素一起,形成植物骨架的主要成分,在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度,利于输导组织的水分运输和抵抗不良外界环境的侵袭。

木质素在木材等硬组织中含量较多,蔬菜中则很少见含有。一般存在于豆类、麦麸、可可、草莓及山莓的种子部分之中。其最重要的作用就是吸附胆汁的主要成分胆汁酸,并将其排除体外。

另外,虽然其详细情况尚不得而知,但木质素的构造与多酚非常相似,故此,木质素与多酚应该有密切的关系。总之,二者对于身体都有很好的作用。 [2]

随着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入,天然高分子所具有的可再生、可降解等性质日益受到重视。

Kim JW 等研究了煤与造纸黑液的共液化,他们认为木质素的热解形成苯氧自由基,以及其它反应性自由基在低温下对于煤基有很重要的热解作用。这些自由基是高效的活性中间体,能够使得煤中的亚甲基断裂从而促进煤的解聚。

Akash BA 等研究了煤与木质素共液化动力学。采用伊利诺斯州烟煤与腐蚀性的木质素混合物,反应在初始氢压 1.1 MPa、375℃、四氢萘作溶剂下完成的。煤和木质素混合物液化产品与单独用煤液化得到的产物相比,含较少苯不溶物。排阻色谱研究表明,煤和木质素混合物液化产品平均分子量比用单煤或单木质素液化得到的产品的分子量要低。试验数据表明,在加入木质素后煤的转化率提高了22%,通过研究分析得到了描述化学反应的数学模型。他们对液体产品循环的影响也进行了研究。初步试验表明,随着产品循环的增加,煤总的分解率是减小的。

以上的研究表明,当煤与木质素共液化时,煤的液化温度可降低。而且不同研究者得到的实验结果都表明,与煤单独液化相比,煤与生物质共液化所得到的液化产品质量得到改善,液相产物中低分子量的戊烷可溶物有了增加。产生这些结果的原因可能是木质素的热解形成苯氧自由基,以及其它反应性自由基在低温下对于煤基有很重要的热解作用。当使用含有苯酚类基团的溶剂进行液化时,煤的转化率也有显著增加,虽然国内外对生物质与煤的共液化取得了一定的进展,但还有许多不够深入,以后应着力研究煤与木质素共液化工艺条件,改性生物质与煤液化试验研究、木质素与煤共液化动力学、木质素与煤催化剂的专用高效催化剂方面的研究。 [2]

国际碳纤维会议7月25日~26日在美国纽约州水牛城举办,会议由哈勃公司(Haper International)主办,美国橡树岭国家实验室(ORNL)协办。有来自20多个国家的170多位企业代表与学者参会。会议提出采用可再生原料生产低成本、高产量碳纤维是今后发展趋势。 [3]

2014中国国际木质素产业及应用展览会于2014年5月15日-17日在上海世博展览馆召开。

日本的八浜羲和曾对木质素下过这样的定义:木质素是在酸作用下难以水解的相对分子质量较高的物质,主要存在于木质化植物的细胞中,强化植物组织。其化学结构是苯丙烷类结构单元组成的复杂化合物,共有三种基本结构(非缩合型结构),即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羟苯基结构。

同时含有多种活性官能团,如羟基、羰基、羧基、甲基及侧链结构。其中羟基在木质素中存在较多,以醇羟基和酚羟基两种形式存在,而酚羟基的多少又直接影响到木质素的物理和化学性质,如能反映出木质素的醚化和缩合程度,同时也能衡量木质素的溶解性能和反应能力;在木质素的侧链上,有对羟基安息香酸、香草酸、紫丁香酸、对羟基肉桂酸、阿魏酸等酯型结构存在,这些酯型结构存在于侧链的α位或γ位。在侧链α位除了酯型结构外,还有醚型连接,或作为联苯型结构的碳-碳联结。同酚羟基一样,木质素的侧链结构也直接关系到它的化学反应性。

由于木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共扼双键等活性基团,因此可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解甲氧基、羧基、光解、酞化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应。其中,又以氧化、酞化、磺化、缩聚和接枝共聚等反应性能在研究木质素的应用中显示着尤为重要的作用,同时也是扩大其应用的重要途径。在此过程中,磺化反应又是木质素应用的基础和前提,到目前为止,木质素的应用大都以木质素磺酸盐的形式加以利用。在亚硫酸盐法生产纸浆的工艺中,正是由于亚硫酸盐溶液与木粉中的原本木质素发生了磺化反应,引进了磺酸基,增加了亲水性,而后这种木质素磺酸盐在酸性蒸煮液中进一步发生水解反应,使与木质素结合着的半纤维素发生解聚,从而使木质素磺酸盐溶出,实现了木质素、纤维素与半纤维素的分离,得到了纸浆,同时也使木质素的应用成为了可能。 [2]

利用木质素作为橡胶补强剂的方法,属木质素在橡胶工业中应用的技术领域。其要点是在浓缩的造纸废液中加进甲醛制成木质素甲醛树脂,再按比例加入硫磺、氧化锌、硬脂酸、硫化剂、硫化促进剂、硫化活化剂与橡胶在一定温度下进行硫化。本发明可使橡胶中填充大量木质素仍不需加软化剂,这既节省大量橡胶,又可获得优良性质的硫化胶,同时硫化中不会尘土飞扬污染环境,又使造纸废液变害为利,有着很大的社会和经济效益。

木钠的主要用处

利用其粘结性、分散性、螯合性广泛应用各个行业,以改善其物理化学性能,节省成本,提高效率。

1 增强剂

在耐火材料、陶瓷制品生产中起到减水、增塑、絮凝等作用,亦可用于铸造业,作为辅助粘结剂,粘结力大且解崩性好。

2 矿粉粘结剂

冶炼业将矿粉与之混合制成矿粉球,干燥后入窑,提高冶炼回收率,也可用作选矿剂。

3 用作混凝土减水剂

掺加量在0.2%-0.3%时,可减少混凝土搅拌时用水量10%-12%,降低水灰比,节约水泥10%左右,改善混凝土和易性、流动性及抗渗透性,提高混凝土强度和密实性,具有早强效应,缩短凝结时间,提高抗压强度,同时减少混凝土坍落度损失。

4 防垢剂和缓蚀剂

用于工业容器和管道中,起到防垢和缓蚀的作用,提高窗口和管道的使用寿命。

5 水煤浆分散剂

用于火力发电厂等使用水煤浆的企业,作为分散剂,提高对煤的分散能力,增加燃煤的发热率和利用率,大大降低粉煤灰中的含煤量,同时减少搭桥和结块,提高炉体寿命。

6 其他

本产品可用作三次采油的化学剂、油田钻井泥浆稀释剂,及用于封井。另外,还可用于沥青乳化剂、饲料粘结剂、精炼助剂等,还广泛用于农药加工、型煤制作、鞣革的填料、炭黑造粒及土壤、沙丘、粉杰的控制等。 [2]

木质素 [4]

蒋挺大编著

生物高分子(第一卷) [5]

[芬] M. 霍夫里特, [德] A. 斯泰因比歇尔主编

郭圣荣主译

植物纤维化学 [6]

杨淑蕙主编


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