论文总字数：17737字

摘 要

人类面临着严峻的能源和生态环境危机，开发和利用可再生生物质资源成为了目前最合适的出路之一。作为自然界储量非常丰富的生物质资源，木质素常常被当做废弃物直接焚烧或者被排放，这不仅仅是对环境的一种破坏，还是对资源的一种浪费。但其之所以不被人们看好，不被合理利用，是因为它具有复杂的化学结构和多分散性。本文将利用化学改性改变木质素的化学活性，然后将它与聚酯材料复合制备可生物降解塑料并进行进一步的性能研究。

本文以木质素为原料分别用环氧氯丙烷和丁酸酐对其进行了环氧化改性和丁酰化改性，接着将成品与聚（对苯二甲酸-己二酸）丁二醇酯（PBAT）共混，辅以增塑剂和润滑剂使改性后的木质素在复合材料分布均匀制备出复合材料。环氧化和丁酰化改性都显著地降低了木质素的玻璃化温度，丁酰化改性提高了木质素的疏水性。复合材料的性能测试表明环氧化改性后复合材料流动性低于改性前，有利于产品加工；复合材料在丁酰化木质素加入量为30 wt%时的断裂伸长率为959%，拉伸性能远强于改性前，表明丁酰化改性木质素与PBAT有较好的相容性。

关键词：木质素；环氧化改性；丁酰化改性；可降解聚酯材料

Abstract

Human beings face a severe energy and ecological crisis, and the development and utilization of renewable biomass resources has become one of the most suitable solutions. As a biomass resource with abundant reserves in nature, lignin is often directly burned or discharged as waste, which is not only a damage to the environment, but also a waste of resources. Because it is complex in chemical structures and polydispersive, it is not favored by people and not used properly. This paper will use chemical modification to change the reactivity of lignin, then combine it with polyester to prepare biodegradable plastics and conduct further performance studies.

In this paper, lignin was used as raw material for epoxidation and esterification modification with epichlorohydrin and butyric anhydride respectively, and then the finished product was blended with PBAT, supplemented with plasticizer and lubricant to modify the lignin. The composite materials is uniformly distributed in the composite materials. Epoxidation and esterification can dramatically reduce the T_g of lignin. Esterification results in increased hydrophobicity of lignin, which gives better compatibility with PBAT and leads to a high strain at break as high as 959% when 30 wt% esterified lignin was used.

Keywords：Lignin；Epoxidation modification；Esterification modification；Bio-degradable polyesters

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2木质素概述 1

1.2.1木质素的基本结构与性质 1

1.2.2木质素应用的研究进展 2

1.3 木质素复合可降解聚酯的研究进展 3

1.3.1 木质素与聚乳酸共混 3

1.3.2 木质素与聚丁二醇丁二酸酯共混 4

1.3.3 木质素与聚羟基丁酸酯共混 4

1.3.4 木质素与聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯共聚物)共混 5

1.3.5木质素与PBAT、PLA共混 6

1.4研究课题的提出和本论文主要研究内容 7

1.4.1研究课题的提出 7

1.4.2本论文主要研究内容 7

第二章 环氧化改性木质素/PBAT复合材料的制备与性能研究 8

2.1 实验过程 8

2.1.1 实验材料及设备 8

2.1.2 环氧化改性木质素 9

2.1.3 环氧化改性木质素/PBAT复合材料的制备 9

2.2 结果与讨论 10

2.2.1环氧化改性木质素的性能表征 10

2.2.2环氧化改性木质素/PBAT复合材料性能研究 12

第三章 丁酰化改性木质素/PBAT复合材料的制备与性能研究 15

3.1 实验过程 15

3.1.1 实验材料及设备 15

3.1.2 丁酰化改性木质素 15

3.1.3 丁酰化改性木质素/PBAT复合材料的制备 15

3.2结果与讨论 16

3.2.1丁酰化改性木质素的性能表征 16

3.2.2 丁酰化改性木质素/PBAT复合材料性能研究 18

第四章 结论与展望 20

4.1 结论 20

4.2展望 20

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1引言

近几十年来，随着科技的快速革新和经济的蓬勃发展，在各个领域之中塑料这种材料得到广泛的运用并取得巨大变革和进步^[1^]。但随着传统塑料大量进入人们的视野中，一些问题也接踵而来，其中最主要的原因便是传统塑料的稳定结构让其对光照、土壤、水和空气等自然环境因素影响耐性极高，一些塑料产品甚至好几万年才能够完全降解^[2^]。大部分的生活塑料垃圾如聚苯乙烯发泡快餐盒、塑料带、塑料薄膜、废弃电器塑料壳等都没有得到正常回收，只是简单焚烧或者填埋处理。塑料经过简单的焚烧处理产生大量二氧化碳气体进入大气层后加剧了温室效应；草率填埋处理的塑料无法快速降解浪费了大量土地资源并对生态环境产生污染^[3^]。除此之外，塑料的合成需要消耗大量不可再生资源之一的化石能源，能源和生态环境危机成为悬在人类头顶的达摩克利斯之剑。可生物降解聚酯材料的应用由于使用环境友好型塑料这种大趋势已经成为一个具有重大科学意义的研究领域^[4^]。合理开发利用可再生生物质资源成为目前最为可行的出路之一，如常见的植物生物质、农业残留物和工业副产品，而木质素因为其丰富的储量和环境友好性进入了人们的眼界。

1.2木质素概述

1.2.1木质素的基本结构与性质

木质素是一种分子结构极为复杂存在于植物细胞内的高分子化合物^[5]。由于结构的多样性以及提取的困难性，使木质素相关的化学反应多了些不可控性，木质素长久以来被当做废弃物处理^[6^]。但木质素的分子结构中同时具有羟基、羰基、羧基、芳香环等活性官能团^[7^]。正因为如此多官能团的存在，木质素可以进行非常多的化学反应，比如氧化还原和水解这种常见的反应。这些化学反应能够在一定程度上改变木质素的某些性质^[8^]，广大学者进一步研究利用木质素的思路就可以从这些特殊的基团对应的化学反应上受到启迪。

经常使用的木质素改性方法有酚化、酯化和磺化等。（1）酚化改性：在加热条件和催化剂作用下，酚类化合物能够与木质素中的苯环反应，在α-碳原子上接入酚羟基，增加了木质素的活性位点从而提高反应活性。（2）酯化改性：在加热条件和催化剂作用下，酸和木质素的羟基结合成酯键。（3）磺化改性：通常在高温条件下，用Na₂SO₃与木质素反应，在木质素的分子结构支链上接上磺酸基，这种改性方法常常被运用在制造纸浆的过程中。

1.2.2木质素应用的研究进展

木质素作为造纸工业的废弃物^[9^]，产量大并且难以处理，但其优秀的反应活性优势为合理开发利用木质素提供了许多便利。目前来讲，总体上木质素的应用方法有两大类：第一是通过生物或化学反应即把木质素降解成小分子后来作为化工原料使用；第二是直接使用，这种方法也是目前使用最多的^[10]。就比如造纸厂大量出售的木质素磺酸盐和木质素硫酸盐，这种木质素被运用到以下几个方面：动物饲料添加剂、油田钻井泥浆稀释剂、胶黏剂和分散剂等等。

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