基本介紹
內容簡介
本書為《天然高分子基新材料》叢書之一，全面系統地論述了木質素的結構、物理和化學改性技術以及在化學品、材料等領域的套用，既回顧了木質素化學及改性材料的發展史，闡述了木質素研究套用的最近進展和當前熱點，也展望了木質素在材料領域高值套用的發展方向。本書內容包含了與木質素研究開發相關的高分子化學和物理以及材料科學的基本理論和技術，匯總了木質素化學及改性材料方面突出的最新實例，涉及木質素在材料、石油化工、日用、醫藥、農業等諸多領域的實際套用。 本書適合高分子化學與物理、高分子材料與工程、生物質科學與工程、天然高分子科學、農林資源高值轉化利用等專業的本科生、研究生、教師及相關科技人員參考。
木質素是自然界恩賜給人類的寶貴資源，屬於天然高分子材料，其存在量僅次於纖維素和甲殼素，但至今沒有被廣泛利用，非但造成資源的浪費，還造成了環境污染。本書不僅闡述了木質素的來源分類、在材料領域的套用以及其發展的意義和前景。而且重點論述了木質素的結構和物理化學性能，並總結了木質素材料的構建方案以及其改性材料的應該，最後從環境保護角度介紹了木質素的生物降解，內容精闢經典。
作者簡介
黃進，教授、博士生導師，2003年於武漢大學獲博士學位，現任武漢理工大學教授、博士生導師，曾在中國科學院化學研究所和法國Grerioble國立理工學院進行過博士後研究工作，入選教育部新世紀優秀人才、江蘇省高層次創新創業人才。主要圍繞聚合物組裝和複合體系的可控構建及套用探索展開研究，重點關注天然高分子生物質資源高值利用的材料化學基礎，在木質素的化學改性以及改性聚氨酯、水性聚氨酯、蛋白質塑膠、生物質基聚酯塑膠方面開展了系列研究工作，提出了具有多反應位點的木質素作為交聯中心構建星形網路的結構設計思路並且探索了其同步增強增韌的機制。主持和參加國家自然科學基金、國家納米重大科學研究計畫、國家國際科技合作專項、國防基礎研究、歐盟第七框架計畫等項目20餘項；發表SCl收錄論文100餘篇；主編和參編《生物質化學與生物質材料》，Nanocomposites with Biodegradable Polymers:Synthesis,Properties and Future Perspectives,Biopolymer Nanocomposites:Processing,Properties,and Applications,《天然高分子改性材料及套用》，《高分子物理近代研究方法》等專著教材7部；作為第一發明人獲國家發明專利授權30餘項。
圖書目錄
第1章 緒論001
1.1 木質素化學的發展歷程002
1.2 木質素改性材料和化學品的研究現狀007
1.3 木質素在材料領域高值利用的展望017
參考文獻018
第2章 木質素的結構和物理性質023
2.1 木質素的化學結構024
2.1.1 木質素的元素組成025
2.1.2 木質素的官能基團026
2.1.3 結構單元間的連線028
2.1.4 木質素的結構模型032
2.2 木質素的高分子性質038
2.2.1 分子量及其分布038
2.2.2 分子形狀及超分子特徵040
2.2.3 木質素的締合特性041
2.3 木質素的其他物理性質043
2.3.1 表觀物理性質043
2.3.2 溶解性044
2.3.3 熱學性質045
參考文獻046
第3章 木質素的化學改性051
3.1 木質素的衍生化052
3.1.1 羥甲基化改性052
3.1.2 胺甲基化改性054
3.1.3 烷基化改性055
3.1.4 季銨鹽改性056
3.2 木質素的接枝共聚057
3.2.1 引發劑引發自由基聚合058
3.2.2 輻射引發聚合061
3.2.3 酶催化聚合062
3.2.4 木質素的縮聚063
3.3 木質素的降解063
3.3.1 消除反應064
3.3.2 親核取代067
3.3.3 氧化降解070
3.3.4 還原降解076
3.3.5 硫代酸解077
3.3.6 其他降解反應078
參考文獻080
第4章 木質素化學品及套用085
4.1 木質素的主要化學品087
4.1.1 木質素表面活性劑087
4.1.2 木質素絮凝劑094
4.1.3 木質素降解的化學品098
4.2 木質素化學品的套用103
4.2.1 油田化學的套用103
4.2.2 煤炭工業的套用110
4.2.3 輕工業領域的套用114
4.2.4 建材工業的套用117
4.2.5 農業領域的套用121
4.2.6 醫藥領域的套用127
參考文獻130
第5章 木質素改性熱塑性材料135
5.1 木質素改性熱塑性材料的製備方法136
5.1.1 擠出成型139
5.1.2 模壓成型141
5.1.3 注射成型142
5.1.4 吹塑成型143
5.1.5 流延成型144
5.2 木質素改性熱塑性合成高分子材料145
5.2.1 木質素改性聚酯材料145
5.2.2 木質素改性聚烯烴材料148
5.3 木質素改性熱塑性天然高分子材料152
5.3.1 木質素改性澱粉材料152
5.3.2 木質素改性蛋白質材料153
參考文獻156
第6章 木質素改性熱固性材料161
6.1 木質素改性聚氨酯和水性聚氨酯162
6.1.1 木質素改性聚氨酯及水性聚氨酯的製備方法162
6.1.2 木質素改性聚氨酯及水性聚氨酯的結構與性能166
6.2 木質素改性酚醛樹脂169
6.2.1 木質素改性酚醛樹脂的製備方法169
6.2.2 木質素改性酚醛樹脂的結構與性能171
6.3 木質素改性環氧樹脂172
6.3.1 木質素改性環氧樹脂的製備方法172
6.3.2 木質素改性環氧樹脂的結構與性能174
參考文獻175
第7章 木質素改性材料的製品及套用179
7.1 木質素填充改性橡膠180
7.2 木質素改性工程塑膠182
7.3 木質素改性膠黏劑184
7.4 木質素改性纖維187
7.5 木質素改性納米纖維189
7.6 木質素改性薄膜材料192
7.7 木質素改性發泡材料196
7.8 木質素改性水凝膠198
7.9 木質素改性材料作為前驅體製備炭材料200
參考文獻203
第8章 木質素改性材料的結構表征和性能評價207
8.1 木質素改性材料的相容性208
8.1.1 木質素與基質相容性的研究208
8.1.2 木質素改性材料相互作用的研究212
8.1.3 木質素對基質微相分離結構影響的研究215
8.2 木質素改性材料的結晶行為216
8.2.1 木質素改性材料晶體結構的研究216
8.2.2 木質素改性材料結晶動力學的研究219
8.3 木質素改性材料的網路結構221
8.3.1 溶脹法測定交聯密度221
8.3.2 間接反映網路結構的研究方法222
8.4 木質素改性材料的形態顯微觀測223
8.4.1 木質素改性發泡材料形貌的觀測223
8.4.2 木質素改性纖維和納米纖維的形貌觀測225
8.4.3 木質素改性材料微相結構觀測227
8.4.4 木質素改性材料的斷面形貌觀測230
8.5 木質素改性材料的性能評價232
8.5.1 木質素改性材料力學性能的評價232
8.5.2 木質素改性材料熱分解性能的評價238
參考文獻240
序言
生物經濟是建立在生物資源可持續利用和生物技術基礎之上，而不完全依賴於化石資源的一種新經濟形態。它的創建正在挑戰並推動著傳統工業、農業、林業等產業的發展，引起了工業界、學術界和政府的高度關注和協力應對，以形成新的資源配置和利用。在材料科學領域，基於“可持續發展”和“環境保護”兩方面的考慮，利用可再生的生物質創造新材料同樣面臨著重要的發展機遇。顯然，這是由於化石資源的日益枯竭及其產品對環境造成不同程度的污染所致。
在可再生的生物質中，天然高分子占據非常重要的地位。天然高分子是一類來源於自然界廣泛存在的動物、植物以及微生物中的大分子有機物質，主要包括多糖（如纖維素、甲殼素/殼聚糖、澱粉、透明質酸等）、蛋白質（植物蛋白如大豆蛋白，動物蛋白如蠶絲、各類酶等）以及木質素、天然橡膠、天然聚酯等。它們是自然界賦予人類最重要的物質資源和寶貴財富。天然高分子，可以被直接利用及通過化學或物理方法構建成新的功能材料，也可以製備成各種化工原料、生化品、低聚物及生物柴油等。廣義的天然高分子還包括天然高分子衍生物以及用天然有機物質作為原料通過生物合成、化學合成或複合而形成的各種高分子材料（如聚乳酸、聚羥基脂肪酸酯、生物基彈性體等）。天然高分子材料廢棄後很容易被土壤中的微生物降解和無害化處理，是典型的環境友好材料。
當前，化學科學發展的趨勢之一是致力於解決人類社會中的環境問題並促進世界的可持續發展。近年來，科學界和工業界正在積極關注建立環境友好的技術和方法及基於天然高分子的“綠色”產品和材料的研究與開發。很多全球性大公司對於生物質材料、生物燃料及相關的加工技術都制訂了高瞻遠矚的發展計畫，尤其瞄準天然高分子基新材料在生物醫藥、紡織、包裝、運輸、建築、日用品，乃至光電子器件等諸多領域的套用前景。美國能源部(DOE)預計，在2020年源於植物生產的基本化學結構材料將增加到10%，而在2050年將達到50%。可見，天然高分子基新材料領域的研究及套用正在蓬勃展開，它們必然帶動農業、綠色化學、生物醫學、可生物降解材料以及納米技術、生物技術、分子組裝等多學科的發展，終將對人類的生存與健康和世界經濟發展起不可估量的作用。
順應於天然高分子科學與技術的發展，迫切需要該領域的科技工作者對這些生物質大分子及其改性材料的基本概念、基礎理論、實驗技術、套用前景以及學科的發展歷史和最新研究成果有足夠的了解和認識，因此亟須有套權威叢書來系統介紹它們。同時，為了培養一大批從事天然高分子材料科學與技術的科技人才，極力促進各相關知識領域及其套用產業鏈間資源與信息的整合，也急需一套全面、系統介紹天然高分子材料與套用的專著供大家參考。為此，我受化學工業出版社邀請，專門組織我國長期從事天然高分子研究的老、中、青年專家、教授共同編寫了《天然高分子基新材料》叢書（共10冊）。該叢書包括《纖維素科學與材料》、《蠶絲、蜘蛛絲及其絲蛋白》、《甲殼素/殼聚糖材料及套用》、《木質素化學及改性材料》、《大豆蛋白質科學與材料》、《澱粉基新材料》、《多糖及其改性材料》、《天然橡膠及生物基彈性體》、《聚乳酸》和《微生物聚羥基脂肪酸酯》。我國可利用的生物質資源極其豐富，相關研究和產業化也取得了長足發展。尤其近幾年，我國在纖維素低溫溶解、天然高分子紡絲、絲蛋白和多糖結構功能解析、生物塑膠和生物基彈性體等方面取得了一系列國際矚目的研究成果。本套書以高質量、科學性、準確性、系統性和實用性為目標，圖文並茂、深入淺出地表述，具有科普性強，內容新穎、豐富的特點；不僅全面介紹了許多重要天然高分子材料的基本概念、基礎理論、實驗技術以及最新研究進展和發展趨勢，也反映了所有編著者在各自領域的研究成果和經驗積累，涵蓋了天然高分子基新材料基礎研究和套用的諸多方面，便於讀者拓展思路、開闊眼界。
歷經近兩年時間，這套《天然高分子基新材料》叢書即將問世。在此，我衷心地感謝杜予民教授（武漢大學）、邵正中教授（復旦大學）、陳國強教授（清華大學）、張立群教授（北京化工大學）、王玉忠教授（四川大學）、張洪斌教授（上海交通大學）、任傑教授（同濟大學）、陳雲教授（武漢大學）、黃進教授（武漢理工大學）、蔡傑教授（武漢大學）等積極熱心地參加並負責完成了書稿。同時，他們的很多研究生也參與了這項工作，並在文獻查閱和翻譯外文資料以及編寫、製圖等方面付出了艱辛的勞動。尤其，一些國內外知名專家如江明院士（復旦大學）、Gregory F Payne教授（美國馬里蘭大學）、張厚民教授（Hou-min Chang，美國北卡羅來納州立大學）、謝富弘教授（Fu-hung Hsieh，美國密蘇里大學哥倫比亞分校）、王彥峰教授（武漢大學中南醫院）和楊光教授（華中科技大學）等熱情地為這套書提出了一些寶貴的意見，在此一併表示感謝。最後，也感謝化學工業出版社為這套書的出版所做的一切努力。
資源、健康、環境與發展是人類關心的根本問題。我們期待本套書的出版對天然高分子基材料的創新和技術進步及國民經濟的發展有積極的促進作用，進而有效地提升我國天然高分子研究的國際地位，推動整個學科的全新發展。我衷心地希望更多的教師、研究生、工程師、生物學家及高分子學家能參與到天然高分子基新材料的研究、開發及套用行列，共同推進人類社會的可持續發展，共建我們美麗的家園。
張俐娜
中科院院士
武漢大學教授
2014年2月28日
