[发明专利]流变学定义的木质素组合物

说明书

本发明公开了一种天然木质素的人造衍生物，这种衍生物具有特定的粘弹性指标，这些粘弹性指标能够有选择性地帮助将这些木质素衍生物加工成特定成品。这种木质素衍生物的特征在于其流变指标，这些流变指标包括最小储能模量(G’_min)、软化开始温度(T₁)和/或从以粘性行为为主转变为以弹性行为为主的交叉温度(T₂)。

技术领域

本发明涉及源自木质纤维素原料的天然木质素衍生物及其工业应用。更具体地说，本发明涉及一种具有某些粘弹特性的天然木质素衍生物及其用途、工艺、方法和组合物。

背景技术

木质素是一类非均质的复杂交联有机聚合物。在维管植物的结构成分中，它们形成较疏水和芳香的苯丙素，作为纤维素和半纤维素的补充。木质化是植物细胞壁发育的最后阶段；木质素作为加固细胞壁的“粘合剂”。因此，天然木质素没有普遍定义的结构。天然木质素是由通过许多不同的碳-碳和碳-氧键连接的3大类木质素单体(例如苯丙烷单元；对香豆醇、松柏醇和芥子醇)组成的复杂大分子。木质素单体和单元间连接的类型有所不同，这取决于许多因素，包括遗传和环境因素、物种、细胞/生长类型、以及细胞壁内/间的位置。

从木质纤维素生物质萃取木质素通常会导致木质素分解/改性，并产生在化学和大分子性质上不同的许多木质素碎片。用于从生物质中去除木质素的一些工艺将木质素结构水解为带有大量酚羟基的低分子量片段，由此提高它们在处理液(例如木质素硫酸盐)中的溶解度。其它工艺不仅分解木质素大分子，而且向木质素结构中引入新的官能团，以提高溶解度并促进它们的去除(例如木质素亚硫酸盐)。产生的木质素片段通常称为木质素衍生物和/或工业木质素。由于很难阐明和表征这种复杂的分子和大分子混合物，因此木质素衍生物通常是按照所用的木质纤维素植物材料以及它们的生产和回收方法来描述的，即，从软木树种的硫酸盐法制浆分离的木质素被称为软木硫酸盐木质素。同样，一年生纤维的有机溶剂制浆产生一年生纤维有机溶剂木质素等(例如参见美国专利4,100,016；7,465,791；以及PCT公告WO 2012/000093，A.L.Macfarlane，M.Mai et al.，20-Bio-based chemicalsfrom biorefining：lignin conversion and utilisation，2014)。

虽然木质素是地球上最丰富的天然聚合物之一(A.L.Macfarlane，M.Mai et al.，20-Bio-based chemicals from biorefining：lignin conversion and utilisation，2014)，但是从用于纸浆制造的传统制浆工艺中分离出的萃取木质素衍生物的大规模商业使用已受到限制。这不仅是因为木质素和含木质素的处理液在化学/能量回收过程中发挥重要作用，而且是因为它们的化学和物理性质存在固有的不一致性。这些不一致可能是由多种因素造成的，例如生物量供应(区域/一年中的时间/气候)的变化和所采用的特定萃取/产生/回收条件，这些因素因生物量本身的化学/分子结构的内在复杂性而变得更加复杂。

虽然木质素的应用很复杂，但是人们仍在对木质素在各种热塑性、热固性、弹性体和含碳材料中的应用进行评估。例如，软木硫酸盐木质素已被证明在许多粘合剂体系(酚醛树脂、聚氨酯和环氧树脂)、橡胶材料、聚烯烃和碳纤维中是一种有效替代成分(T.Q.Hu，Chemical Modification，Properties，and Usage of Lignin，2002)(A.L..Macfarlane，M.Mai et al.，20-Bio-based chemicals from biorefining：lignin conversion andutilisation，2014)。