7.15 木素的利用在线视频

第十五节 木素的利用

同学们好！上节课我们学习木素的物理性质及特性

这节课学习木素的利用

木素是仅次于碳水化合物的在自然界大量存在的天然高分子材料

但是其尚未得到充分的利用

木素的利用目前仅限于制浆废液中木素的利用

世界上每年木素制品的量仅占排出废液中木素量的2%

硫酸盐法废液中的木素，通常是在药液回收时作为能源回收

没有碱回收设备的草浆废液，正在研究利用各种方法提取分离木素

或对其改性并寻求利用，但尚未形成大规模的生产

亚硫酸盐法制浆废液，起初只简单地加以蒸发浓缩制成粘合剂

进而经过化学加工可制成香草醛及其衍生物，可以大大提高了利用价值

或者对其木素进行改性加以利用，下面分别进行介绍

改性反应

1 木素与甲醛树脂化反应用作胶粘剂

木素可直接或者改性后与树脂共混来制备酚醛树脂粘合剂

木素经化学法、非化学法或生物发酵法处理后再与酚醛反应制胶黏剂

直接法反应简单，但木素取代酚醛量较少

改性木素和其他树脂成分有较好的化学亲和性

木素取代的酚醛量增加，制得木素胶有较强的交联固化性

木素应用于酚醛树脂胶黏剂的研究开始较早，许多种类已经商品化

2 与酚类反应：在酸催化下，木粉在与酚、对-甲氧甲酚等酚类物质反应时

木素-碳水化合物的联接被打断，木素生成酚衍生物而溶出

3 与氨基磺酸盐反应：反应式如下

4 接枝共聚反应：接枝的单体有乙烯、甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等

催化剂有铈盐、过氧化物 γ-射线、三价铁离子+过氧化氢等

溶剂有苯、乙烷、甲醇、异丙醇等

二 生产低分子物质

如图所示，工业木素经过氢解可以得到酚类、焦油、油类等产品

经过热解可以得到合成气、乙烯、苯、煤

经过碱性水解或氧化可以得到香草素、紫丁香醛、香草酸、香草醛

香草醛不仅用作香料

还是血管扩张剂甲基多巴和治疗帕金森病的药物多巴的原料

三 木素作为高分子材料的应用

以木素为原料制备高分子材料是木素高值化利用的有效手段

木素可以用于许多热固性高分子材料的合成

比如环氧树脂、聚氨酯、酚醛树脂、凝胶、碳纤维等

在这些材料的合成过程中，木素起到大分子单体的作用

木素之所以能合成热固性高分子材料

是因为它自身的交联结构以及分子中所含可反应的官能团

下面以木素磺酸盐为例介绍木素的利用

亚硫酸盐制浆废液的木素以木素磺酸盐的形式存在

针叶材中木素磺酸盐的含量是54%，阔叶材中木素磺酸盐含量是46%

此外还含有己糖、戊糖、糖类衍生物、挥发性的有机物、无机物等

木素磺酸盐作为高分子电解质，具有负电解质的分散性

和基于高分子性的粘着性，此外还有络合性、乳化性

有以下利用途径

(1)用超滤浓缩木素，再用反渗透法进行糖的回收

100ml的废液固形物经过超滤得到20ml的木素磺酸盐固形物和80ml的糖固形物

木素磺酸盐固形物进一步浓缩至10ml的固形物

糖类固形物通过反渗透膜获得

香草醛的制备：针叶材亚硫酸盐制浆废液经浓缩

并发酵脱去碳水化合物得到木素磺酸盐

在氢氧化钠存在的条件下，加热到100-165度，反应2到12个小时

用氧气氧化生成香草醛，反应液以二氧化碳处理后用苯抽提

再真空蒸馏以及再结晶纯化即可得到高纯的香草醛

(3)分散剂 木素可以作为混凝土的添加剂、染料分散剂、水泥的粉碎助剂以及水煤浆分散剂

(4)粘合剂 木素可以用于土质稳定剂及固沙剂、窑业粘合剂和分散剂

冶金及金属工业粘合剂、农业用粘合剂、饲料用粘合剂

(5)沥青乳化剂及油田化学品

亚硫酸盐废液中得到的木质素磺酸盐在高温碱性介质中部分脱磺酸

降低木素磺酸盐的亲水性，通过与长链胺的曼尼希反应，引入憎水基团

得到的木质素胺可以降低沥青与水之间的界面张力，从而提高乳化稳定性

在石油钻井过程中加入木质素磺酸盐作为泥浆处理剂

可以改善泥浆的流动性和凝胶强度，可减少或避免重金属泥浆处理剂的使用，降低成本

(6)水处理剂

木质素磺酸盐能与铁、铜、镁、镍、锰、铝和钙等金属离子形成络合物

利用该性质可以用于水处理和工业上的清洁剂

与金属离子螯合的木素还可作为农业上微量营养物质微肥

（7）电池及电容器添加剂

木质素可作为铅蓄电池和碱蓄电池的阴极板防缩剂，提高电池的低温急放电容量和寿命

在超级电容器中，以木质素磺酸盐与高导电聚合物(如氧化石墨烯 聚吡咯 聚苯胺等)

和金属氧化物(如RuO2 MnO2 NiO和CuO2)复合

制备高能量、高功率和低成本、可再生的超级电容器储能材料

（8）医药行业中的应用

木质素磺酸盐具有类肝素的防止血凝固的作用

还有防止胃朊酶的作用和胃液分泌等抗溃疡作用

可用作抗凝血剂、抑酸剂和抗溃疡剂

木素磺酸盐还可与阿司匹林等消炎药共用，制备消炎剂及抗癌剂和抑汗剂等

此外木素纳米微球、纳米胶囊和纳米管等可作为

药物、基因和蛋白质等的递送载体，减少药物的毒副作用

并完成药物靶向和控释，以达到更佳的治疗效果

下面以碱木素和木素硫酸盐为例介绍木素的利用

从硫酸盐浆的制浆废液中分离残余木素，主要采用两段中和法

先用烟道气中和至pH 9，木素以钠盐形式沉淀

再用硫酸中和至pH2-3，使木素沉淀

木素硫酸盐具有热稳定性高、含有多种功能基、反应性好等优点

可以用于化学品的制造，在碱存在下加硫化钠并加热250-300℃

生成二甲硫醚再氧化成二甲基亚砜，木素500℃热解为儿茶酚

甲基儿茶酚、丙基儿茶酚

可以作为高分子材料加以利用，增强剂、热固性树脂、工业塑料

二甲基亚砜制备：二甲基亚砜是由氧化二甲基醚制得，是一种有特性的溶剂

是多种塑料特别是丙烯酸腈的优良溶剂

此外也被用作反应媒体、防虫剂、医药品等

生产它的原料主要是二甲基硫醚，是硫酸盐法制浆时副产品成分之一，具有恶臭味

工业上将硫酸盐木素与硫化钠、氢氧化钠一起在250-300度加热

与木素的甲氧基反应，生成二甲基硫醚

高分子化学利用

硫酸盐木质素可作为分散剂和乳化稳定剂

在不溶于水的醋酸人造丝的染色中作为均染剂使用

利用硫酸盐木素的胶体保护作用

可以防止无机盐在锅炉热交换管表面沉积锅垢而引起的蒸汽锅炉障碍

高分子材料领域的应用

酚醛树脂：硫酸盐木素与甲醛结合制备酚醛树脂

可以替代30%-70%的酚，明显节约酚和甲醛

通过木质素的脱甲基化改性，可增加木质素羟基的含量

提高木素的反应性能

环氧树脂及聚氨酯，Ball等人将硫酸盐木素

在190℃加入溶于双酚A的二缩水甘油醚中，进一步冷却到120℃

加入无水邻苯二酸再加热到160℃，大约45min后开始硬化

1h后完全硬化，得到环氧树脂

木素通过环氧丙烷进行烷氧基化反应

以加长木质素侧链并增加木素羟基含量

烷氧基化木素共聚物作为多元醇与异氰酸基或二异氰酸酯反应生成聚氨酯

橡胶填充剂：硫酸盐木素可与天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶

氯丁橡胶等混合作为橡胶的改性剂和填充剂

从而得到密度小、透明度高、强度好的橡胶

抗氧化剂：Braddon等发现硫酸盐木质素与弹性体混合后有显著的抗氧化效果

由于木质素分子有特殊的酚醚结构，具有抗氧化性

可以其与烷基磷酸等过氧化物分解剂起协同作用

本节课我们学习了木素的高值化利用途径

木素的综合利用对于环境保护以及制浆造纸可持续发展具有重要意义

目前已经成为木素化学研究中的重要分支

木素这章的内容希望同学们能够重点理解苯丙烷结构单元的类型

化学键的类型、木素的紫外、红外光谱特性

木素在酸碱介质中的基本反应

以及木素在碱法制浆、硫酸盐法、亚硫酸盐法中的行为

同学们，再见！