木质素纤维
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木质素纤维范文第1篇
关键词：生物法降解;秸秆;木质素
秸秆是一种丰富的纤维素可再生资源,我国农作物秸秆年产量逾6亿t,除少量被用于造纸、纺织等行业或用作粗饲料、薪柴外,大部分以堆积、荒烧等形式直接倾入环境,造成极大的污染和浪费[1]。能源紧张、粮食短缺及环境污染日趋严重是目前世界各国所面临的难题。而可再生资源的转化利用,能在有利于生态平衡的条件下缓解或解决问题。
木质素又称木素,是植物界中含量仅次于纤维素的一类高分子有机物质,是一种极具潜力的可再生资源[2-4],每年全世界由植物可生长1 500亿t木质素,且木质素总与纤维素伴生,具有无毒、价廉、较好的可热塑和玻璃化特性。木质素是由苯丙烷结构单元组成的复杂的、近似球状的芳香族高聚体,由对羟基肉桂醇(phydroxy cinamylalcohols)脱氢聚合而成,一般认为木质素共有3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。木质素结构单元之间以醚键和碳-碳键连接,连接部位可发生在苯环酚羟基之间,或发生在结构单元中3个碳原子之间,或是苯环侧链之间。木质素由于分子量大,溶解性差,没有任何规则的重复单元或易被水解的键,因此木质素分子结构复杂而不规则[5,6]。
从20世纪开始,国内外学者一直在寻找降解木质纤维素的最佳途径,研究内容主要包括以下几方面:物理法、化学法、物理化学法、生物降解法[7]。物理法包括辐射、声波、粉碎、整齐爆破等[8,9]。化学法包括无机酸(硫酸、乙酸、盐酸等)、碱(氢氧化钠、氨水等)和有机溶剂(甲醇、乙醇)等。物理化学法,即化学添加法和气爆法相结合。此3种方法,可在一定程度上降解秸秆中的木质纤维素,但都存在条件苛刻、设备要求高的特点,从而使预处理成本增加,且污染严重。生物降解法是从20世纪20年代起开始研究的,采用降解木质素的微生物在培养过程中可以产生分解的酶类,从而可以专一性降解木质素。此法具有作用条件温和、专一性强、无环境污染、处理成本低等优点。
1降解秸秆木质素的微生物
在自然界中,木质素的完全降解是由于真菌、细菌及相应的微生物群落共同作用的结果。从20世纪起,国内外学者对木质素降解的研究从白腐真菌开始。白腐真菌是指一类具有相同功能引起木质白色腐烂的丝状真菌的集合,凭借其选择性降解木质素的能力,白腐真菌的菌丝穿入木质,侵入木质细胞腔内,释放降解木质素的酶,导致木质腐烂为淡色的海绵状团块。目前,用于木质素降解研究的白腐菌主要有黄孢原毛平革菌(phanerochete chrysosporium)、杂色云芝(coridus versicolor)、香菇(lentinula edodes)、变色栓菌(thametes versicolor)、朱红密孔菌(pycnoporus cinnabarinus)等[10,11]。杭怡琼等[12]以稻草秸秆加20%棉籽壳为培养基质,接入3种侧耳菌株,经研究发现,从接种到子实体形成过程中,培养物的木质素呈不断下降水平,木质素降解率与酶活变化趋势基本相似。王宏勋等[13]通过傅里叶变换红外光谱(ftir)分析和木质纤维素组分含量变化,研究了3株白腐菌在50d培养期内降解稻草秸秆中木质纤维素的降解规律,结果表明:3株白腐菌对稻草秸秆中木质纤维素降解具有一定的顺序和选择性,先降解半纤维素和木质素,再同时降解半纤维素、纤维素和木质素,并且对木质素有很好的降解优势。毕鑫等[14]研究白腐菌产木质素过氧化物酶发酵条件,利用lip粗酶液在体外直接降解稻草,3d后klason木质素的降解率为8.7%。戴永鑫等[15]研究了白腐菌及其产生的木质素降解酶系对秸秆的木质素生物降解方法,采用黄孢原毛平革菌和杂色云芝双菌联合固态培养可使木质素降解率达到47.64%。鞠洪波[16]以香菇、金针菇、杏鲍菇等9种食用菌对云杉木质素的降解进行研究,试验表明:杏鲍菇对木质素的降解能力最强,其次是木耳、茶树菇、柳菇、榆黄菇对木质素降解能力较高,其余4种食用菌降解木质素能力较弱。
20世纪80~90年代的研究表明细菌可以代谢低分子的磺化木质素、kraft木质素片断等,细菌能够使木质素结构发生改性,成为水溶性的聚合产物;另外,细菌与真菌协同作用使木质素易于受到真菌的攻击,且可去除对腐朽真菌有毒性的物质[17]。降解木质素的细菌种类很多,其中放线菌是公认降解能力较强的细菌,包括链霉菌(strptomyces)、节杆菌(a
rthrobacter)、小单胞菌(micromonospra)等。tuomela m等[18]研究表明链霉属的丝状细菌降解木质素最高可达20%,放线菌对木质素的降解主要在于增加木质素的水溶性[18]。其他降解木质素的细菌主要是非丝状细菌,能够在一定程度上引起木质素的降解,如微球菌属(micrococcussp)、假单胞菌属(pseudomona ssp.)、黄单胞菌属(xanthomonas sp.)等。非丝状细菌降解木质素的能力较差,只能降解小分子量或者木质素的降解产物,其中假单胞菌属是最有效的降解菌[17-19]。张甲耀等[20]通过对一嗜碱细菌对麦草木质素降解能力的研究,发现在最佳综合培养条件下该菌株10d对木质素降解率可达49.84%。
2秸秆木质素降解酶系
目前认为最重要的木质素降解酶有3种,即木质素过氧化物酶(lignin peroxidase,lip)、锰过氧化物酶(man-dependent peroxidase,mnp)和漆酶(laccase,lac)。木质素过氧化物酶和锰过氧化物酶可使木质素分子中碳—碳键断裂成苯氧残基,漆酶对木质素有降解和聚合的双重作用[21]。
lip是最早发现的木质素降解酶,存在于大多数降解菌中,它是一种糖蛋白,分子量约41 000,有1个血红素构成其活性中心,可连接至少1个黎芦醇。lip能催化木质素中富含电子的酚型或非酚型芳香化合物发生氧化,从而使木质素形成活性基团,然后发生一系列的非酶促裂解反应,实现对底物的部分氧化或彻底的氧化[22]。
mnp 也是最常见的木质素降解酶,也是一种糖蛋白,分子量约46 000。锰过氧化物酶在过氧化氢存在时能氧化酚型木质素及木质素模型物,即由mn2+及一种螯合物催化木质素发生降解。mn2+被氧化成mn3+,mn3+反过来又氧化酚型化合物,并保护mnp不受反应活性自由基的破坏[23]。
lac是一种多酚氧化酶,是一种典型含cu2+的糖蛋白。lac所催化的主要是氧化反应,表现在底物自由基的生成和4个铜离子的协同作用,主要攻击木质素中的苯酚结构单元;在反应中,苯酚的核失去1个电子而被氧化,产生含苯氧基的自由活性基团,可导致芳香基的裂解。lac同时具有催化解聚和聚合木质素的作用,因此单独存在时不能降解木质素,只有同时存在mnp等其他酶,避免反应产物重新聚合时,才有较高的木质素降解效率[23,24]。
3秸秆木质素生物降解的条件
在木质素降解过程中,碳源和氮源的来源以及营养限制对生物降解木质素有极大的影响,是木质素降解的关键因素。研究报道p.chrysosporium和lentinula edodes只有在其他替代碳源如葡萄糖存在时才能降解木质素[25]。王宜磊[26]研究碳源和氮源对coriolus versicolor木质素酶分泌的影响,发现淀粉含量丰富的物质做碳源有利于木质素降解酶的分泌。毕鑫等[27]研究在静置和振荡2种方式下不同营养条件对白腐菌合成木质素过氧化物酶(lip)的影响。静置培养时,碳氮比低的培养基中显示较高的酶活,碳源以葡萄糖和糊精同时存在及分段加入要比单一葡萄糖作为碳源时获得更高的酶活;振荡培养时,在碳氮比高的培养基中酶活最高,而类似于静置培养的氮源组合及分段模式却明显抑制lip的合成。
cu2+、fe2+、mn2+等金属离子对木质素降解有很大的影响。kerem z等[28]研究pleurotus o-streatus在含不同量mn2+的固体发酵培养基中对木质素的降解,结果表明增加mn2+的含量可使木质素降解率提高。余惠生等[29]人研究cu2+对panus conchatus产木质素降解酶的调控,结果表明,mnp的产生受cu2+浓度影响不大,而lac的产生却受cu2+的严格调控。没有cu2+的存在,lac酶活力很低,适量的cu2+浓度能够提高lac酶活力。
许多研究表明,某些具有木质素结构类似物的添加可以明显提高木质素降解能力。外国学者f.tonon等[30]报道黎芦醇对p.chrysosporium lip合成的影响,通过在不同的碳源培养基中加入一定量的黎芦醇,发现2种培养基中的lip酶活力都提高。罗宇煊等[31-33]对一嗜碱细菌降解木质素时发现,abts、愈创木酚能提高嗜碱细菌产mnp和lac的产量。
4结语
生物法降解秸秆木质素具有条件温和、专一性强、不存在环境污染、处理成本低等优点,随着科学技术的发展和研究的不断深入,开发出降解秸秆木质素的复合菌剂,对于解决能源紧张、粮食短缺及环境污染等难题具有重要的指导作用。
5参考文献
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木质素纤维范文第2篇
关键词：路用纤维作用机理配合比设计 SMA沥青混合料
中图分类号： U416 文献标识码： A
沥青路面的严重早期破坏与长期重载交通、地理气候、施工质量等外部因素有关，即使采用了改性沥青，仍然出现了较为严重的车辙等早期损坏现象，影响车辆正常安全行驶。而作为内部因素，早期破坏更与沥青混合料本身的材料性能密切相关。因此在目前严峻的重载交通和气候环境下，如何优化沥青混合料结构、提高沥青混合料性能是解决沥青路面问题的核心和关键。
纤维通常分为硬纤维和软纤维两大类，硬纤维是指经过拉、拔、轧、切工艺制作的钢纤维；软纤维是由合成纤维制成，又分为聚合物化学纤维（如聚酯纤维、聚丙烯腈等）和矿物纤维（石棉纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等）以及木质素纤维。目前最常用的路用纤维主要有聚合物纤维、矿物纤维、木质素纤维。
一、不同纤维的特点及作用机理
1、聚合物纤维
聚合物纤维根据原材料的不同，有淡黄、白色及其它颜色之分，且不得有污迹和杂质。本文主要介绍聚丙烯腈纤维和聚酯纤维。
聚丙烯腈纤维（腈纶）是由85%以上的丙烯腈与其它第2、第3单体共聚物，经湿法纺丝制得的合成纤维，是一种专用于沥青混凝土“加强、加筋”的纤维。
聚酯纤维（涤纶）是采用石油中提炼出的原材料，加入特种添加剂，采用“旋转-熔化”法生产的纤维。主要用作沥青混凝土纤维添加剂，与其它纤维添加剂相比，聚酯纤维具有很好的抗风化特性，对酸和其它大多数化学物质具有极强的抵抗力。
聚合物纤维作用机理：聚合物纤维在沥青混合料中纤维主要起吸附、稳定和加筋的作用。纤维直径一般小于20μm，有相当大的比表面积，纤维分散在沥青中，其巨大的表面积成为浸润界面。在界面中，沥青和纤维之间会产生物理和化学作用，如吸附、扩散、化学键结合等，在这种作用下，沥青成单分子排列在纤维表面，形成结合力牢固的沥青界面。界面层沥青比界面以外的自由沥青粘结性强，稳定性好。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增加了界面层沥青的比例，减少了自由沥青，从而提高沥青混合料的粘度和软化点，使混合料的高温稳定性得到提高。
聚合物纤维的特点：
a.与沥青亲和力强。
b.吸油性好，同普通沥青混合料相比，可以增加沥青膜的厚度，有效稳定沥青，防止路面“泛油”。
c.提高混合料高温稳定性能。纵横交错的纤维所吸附的沥青，增加了界面层沥青的比例，减少了自由沥青，从而提高沥青混合料的粘度和软化点，使混合料的高温稳定性得到提高。长安大学曾对掺加聚酯纤维的沥青混合料与未掺加聚酯纤维的沥青混合料进行试验，试验结果表明，掺聚酯纤维的沥青混合料马歇尔稳定度提高了近36%，其动稳定度提高了近65%。
d.提高混合料低温抗裂性。纤维加强沥青混合料的低温性能与纤维的物化性能有一定的关系。长安大学进行的聚酯纤维沥青混合料的试验证明，聚酯纤维在零下40℃仍能保持柔性和较高的抗拉强度，其低温抗开裂性能优良。
e.提高混合料的抗水损害性能。
f.提高混合料的抗疲劳开裂性能，增强混合料的耐久性。聚合物纤维加入到沥青混合料中，增加了混合料的弹性恢复性能和劲度模量，能有效阻止路面裂缝的扩展，延长了材料失稳扩展和断裂出现的时间，因此材料的抗疲劳强度得到了很大的改善，耐久性得到提高。
聚合物纤维的应用：聚合物纤维沥青混凝土配合比设计与密级配沥青混凝土相同，聚合物纤维适用于密级配沥青混凝土混合料，对沥青混合料中的原材料要求与不掺加纤维时相同。沥青混合料配合比按照马歇尔方法确定出最佳沥青用量，实际用量在确定量的基础上增加0.2%～0.5%（具体用量可通过试验确定），并不需要特殊的配合比设计。聚合物纤维的掺加量可根据道路交通量、工程要求（新建、修建、改造）确定。一般新建路面加强纤维掺加量为每吨沥青混凝土混合料掺1.5～3.5kg。
2、矿物纤维
矿物纤维主要是玄武岩做的，与集料属同一种材料，耐老化，特别有利于沥青混合料的再生利用。作为一种新型材料，具有如下几个主要特点：
a.比表面积大：平均直径约5μm，平均长度约6mm，利于防止沥青流失。
b.抗拉强度和熔点高：矿物纤维的抗拉强度大约是钢纤维的3倍，是有机类纤维（如聚合物、植物纤维）的6～10倍。熔点可达1500℃。
c.表面浸润性好：与沥青能很好地粘合，在沥青中的分散性好。
d.抗老化、化学稳定性好：拌合时不与沥青产生任何化学反应，适应沥青路面的各种酸碱工作环境。不老化、不变质退化，不受沥青高温拌合影响。
e.可再生：可100%再生利用。
f.水稳定性好：不吸水、不怕潮。易于运输储存，也有助抑制沥青氧化老化。
3、木质素纤维
木质素纤维是天然木材经过化学处理后，捣磨拉丝精制而成的有机纤维，由于处理温度达260℃以上，在通常条件下是化学性能稳定的材料。木质素纤维呈多微孔长纤维状、无毒无味、比表面积大、吸水性好。
木质素纤维的颜色和其原材料有关，一般为灰色絮状物。为了便于纤维的添加，在絮状木质素纤维中掺加一定量的沥青后形成颗粒状，称颗粒状木质素纤维。
木质素纤维的作用机理：
a.加筋作用：呈絮状的木质素纤维，在混合料中以三维分散作用存在，起到了加强筋的作用，增加了沥青与矿料的粘附性，提高了集料直接的粘结力。
b.分散作用：SMA中矿粉用量较多，易与沥青形成胶团，使胶结料分布不均匀，路面易出现油斑。木质素纤维能使胶团分散，沥青混合料均匀。
c.吸附沥青作用：木质素纤维能保持和吸收SMA等改性沥青路面中多余的沥青，使裹缚于骨料周围的沥青膜变厚，抗老化能力增强，混合料耐久性提高。
d.增粘作用：木质素纤维增加了沥青膜厚度，提高了沥青与沥青之间的粘结力。
e.稳定作用：木质素纤维使沥青膜处于比较稳定的状态。在冬季低温下，由于木质素纤维较高的沥青吸附性和加筋作用，路面不易出现裂缝。在夏季高温下，由于木质素纤维较高的吸油性，能承受沥青热胀余量，路面不致产生泛油现象。
二、结合工程实例探讨木质素纤维和矿物纤维的应用
美国于1991年在乔治亚州Ⅰ-85公路使用矿物纤维改性沥青，取得了良好的路用效果，其物理、化学性质稳定，力学性能良好，并在美国得到了大力的推广使用。有的州从再生角度出发，已经开始限制木质素纤维的使用。根据国内外相关研究和应用情况表明，矿物纤维复合沥青在提高沥青弹性、强度及韧性方面有很多优势。
近年，国内对矿物纤维的研究和应用逐渐增多，国内的京珠高速公路（河北段）、粤赣高速公路（长大坡段）、长沙的三汉矶大桥桥面等工程中就应用了玄武岩矿物纤维。为了探寻具有较好抗车辙效果的路面结构，探寻采用矿物纤维代替木质素纤维进行SMA路面铺筑的可能性，掌握矿物纤维的SMA沥青混合料设计。本文对汕昆高速公路板坝至江底段矿物纤维和木质素纤维两种纤维SMA试验段的相关应用情况进行对比。
矿物纤维SMA混合料、木质素纤维SMA混合料的设计特点
SMA路面（沥青玛蹄脂碎石路面）是由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的，沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙组成的沥青混合料。SMA路面使用的纤维主要有木质素纤维、矿物纤维、聚合物纤维三大类。汕昆高速公路板坝至江底段于2011年12月31日建成通车。全长126公里，采用4车道高速公路标准，设计速度80公里/小时、路基宽度24.5米。建成通车后，可东接广西直达珠三角，西进云南通向东南亚。促进了贵州省特别是黔西南州与东部沿海及西部东盟地区交流与合作。道路结构采用柔性基层沥青路面形式，主线结构厚度达83.6cm，其中主线四层沥青面层总厚度为26cm，主线沥青结构为8cm ATB25+8cm ATB25+6cm Sup19+4cm SMA13，其上、中面层均采用改性沥青，上面层SMA13分别采用了木质素纤维和矿物纤维。表1~表3为汕昆高速公路板坝至江底段其中两个标段的两种不同纤维的SMA13混合料设计结果汇总（其中矿物纤维为进口品牌，掺量为0.4%，木质素纤维为国产品牌，掺量为0.3%）。
表 1两种不同纤维SMA13混合料配合比设计级配组成一览表
注：表中“矿”代表矿物纤维SMA混合料，“木”代表木质素纤维SMA混合料，下同。
表 2两种不同纤维SMA13混合料马歇尔试验结果和析漏值一览表
表 3两种不同纤维SMA13混合料主要性能试验结果一览表
对比分析表1~表3中两种不同纤维SMA13混合料设计结果，可得出矿物纤维混合料设计中几个特点：
a.沥青用量较低，析漏值较高。对于SMA混合料而言，纤维掺量不变时，沥青用量与析漏值是两个互相制约的因素。相较木质素纤维SMA混合料，尽管矿物纤维SMA混合料油石比偏低0.4～0.5，但析漏值还比木质素纤维的高一倍左右。沥青用量较高本是SMA的一大特点，SMA混合料具有较高的沥青用量而不出现析漏，其主要原因是纤维对沥青的吸附作用。纤维吸油率是评价纤维质量好坏的重要指标之一，只有吸油率满足要求才能在SMA混合料中起到稳定、吸附的作用，使沥青混合料在拌合、运输、摊铺、压实的过程中保持稳定的状态，防止沥青滴漏现象的发生。从纤维材料外观来看，矿物纤维表面显得更为光滑，而木质素纤维显得更加粗糙；而矿物纤维直径要明显小于木质素纤维。但由于矿物纤维直径（约5μm）远小于木质素纤维，其比表面积必然比木质素纤维高许多，这对吸附沥青是极其有利的。同时从两种纤维吸油率试验对比结果来看，矿物纤维的吸油率并不逊于木质素纤维，说明，矿物纤维的吸油并不是通过自身空管完成的，很可能是由纤维之间相互交织形成的空间网完成的。
b.细集料和矿粉稍多，级配稍细。矿物纤维SMA混合料级配相对偏细。经过多次试级配试验得出，矿物纤维SMA混合料所用细集料或矿粉用量均需适量增加，方可满足目标空隙率（4%～4.5%）相当且析漏值满足要求（参照美国技术标准，析漏值要求为不大于0.3%）。分析认为，随着细集料或矿粉的增加，一方面弥补了矿物纤维SMA混合料沥青用量偏少引起的空隙率增加，另一方面增加了整个矿料的比表面积，减少沥青析漏的可能。
c.间隙率偏低。在4%～4.5%的设计目标空隙率下，矿物纤维SMA混合料的VMA不能满足17%的要求，随之饱和度也不高。分析主要原因就是在矿物纤维掺量一定（0.4%）的情况下，混合料沥青用量提高容易导致析漏出现，由此沥青用量无法提高。因此，在不增加矿物纤维掺量的情况下，要设计出满足现有规范指标要求（主要是间隙率和析漏值指标）的SMA混合料是比较困难的。若一味地增加矿物纤维掺量，必将显著增加混合料成本（有资料显示，美国多数矿物纤维SMA混合料设计掺量在0.8%以上）。
d.性能指标相当。矿物纤维SMA混合料的抗水害性能、低温抗裂性能与木质素纤维SMA混合料相当，60℃下高温稳定性能相对稍差但也较好。、
e.性价比不高。据了解，目前进口矿物纤维价格约在18000～20000元/吨，而进口的木质素纤维价格约在5000～6000元/吨，通过简单测算可得，矿物纤维SMA混合料（纤维掺量0.4%）成本相对木质素纤维SMA混合料（纤维掺量0.3%）提高约10%左右。若采用国产木质素纤维（价格约在3000～4000元/吨左右），则成本差异更大。笔者通过室内试验验证，采用上述相同原材料，在矿物纤维掺量达到0.8%以上时，混合料油石比可提升至5.8%以上，而混合料的析漏值、间隙率等各项体积指标，以及性能指标均能符合目前国家规范要求，但此时矿物纤维SMA混合料成本相对木质素纤维SMA混合料则提高了25%以上（未考虑混合料寿命周期及再生效益）。
木质素纤维范文第3篇
1 材料与方法
1． 1 材料
木质素磺酸铵，工业级，购于武汉华东化工有限公司; 木质纤维为杂木纤维，由大兴安岭恒友家具集团有限公司提供; 过氧化氢、硫酸亚铁、氢氧化钠、硫酸、液体石蜡均购于哈尔滨凯美斯科技有限公司，分析纯。
1． 2 方法
1． 2． 1 氧化改性木质素磺酸铵的制备
酸性条件: 过氧化氢与亚铁离子的复合物被称作Fenton 试剂，酸性条件下具有很强的氧化能力［9］。精确称取 5 份 1 g 的木质素磺酸铵( 以下简称木铵) ，分别溶于 100 g 蒸馏水中配成溶液，用 20%稀硫酸调节溶液 pH 值为 3 ～ 4，分别加入氧化剂过氧化氢( H2O2) 0． 3、0． 2、0． 1、0． 06 g; 硫酸亚铁均为0． 01 g，配成 A4、A3、A2、A1 试样，未加入 H2O2和硫酸亚铁的木铵溶液经调节 pH 值之后作为对照试样A0。将试样溶液搅拌反应 1 h，烘干，粉碎待用。碱性条件: 精确称取 5 份 1 g 的木铵，分别溶于100 g 蒸馏水中配成溶液，用 10% NaOH 溶液调节pH值为7 ～ 9 ，分别加入氧化剂过氧化氢 ( H2O2)0． 3、0． 2、0． 1、0． 06 g 配成 B4、B3、B2、B1 试样，未加入氧化剂 H2O2的木铵溶液经调节 pH 之后作为对照试样 B0。将试样置于 60 ℃的恒温水浴锅内反应20 ～30 min 后，再用 10% NaOH 溶液调节 pH 值为 9 ～11，将试样烘干，粉碎待用。
1． 2． 2 氧化改性木铵的化学组分分析
傅里叶变换红外光谱分析: 取少量试样，加入KBr 做稀释剂，在玛瑙研钵里研磨至粒子细小而均匀，压片成型。采用美国尼高力( Nicolet) 公司 Magna－IR560 E． S． P 型傅里叶变换红外光谱仪进行测试，分辨率设置为 4 cm－1，扫描次数 40 次。紫外光谱分析: 分别选取两种条件下的不同试样，精确称取各试样 125 mg 溶于蒸馏水，定容 100mL; 从中取出 1 mL 加水定容 25 mL，待测。采用北京普析通用仪器有限责任公司 TU－1900 型双光束紫外分光光度计在 200 ～400 nm 范围内进行吸光度测量。
1． 2． 3 纤维板材料的制备及物理力学性能测试
为探讨氧化改性条件对板材性能的影响，本研究以氧化剂用量为单因素进行纤维板的制备试验。按照 1． 2． 1 中的方法，分别在酸、碱条件下按质量配比配制一定量的氧化改性木铵溶液作为黏合剂，木铵的填料量为 20% ( 对绝干木纤维) ，板坯含水率20% ，液体石蜡防水剂 1% ( 对绝干木纤维) ，设计幅面尺寸 200 mm×200 mm，目标密度 0． 8 g/cm3，目标厚度 5 mm( 厚度规控制) 。按照常规中密度纤维板的热压工艺步骤，向高速混合机中的木质纤维施加一定量的氧化改性木铵溶液，同时加入液体石蜡防水剂，用高速混合机均匀拌料; 在自制的模具中手工铺装组坯，经预压机预压、热压机热压成型。压制后的纤维板平衡处理后，按照国家人造板及饰面人造板理化性能试验方法GB / T 17657—1999 及国家中密度纤维板标准 GB / T11718—2009 测定板材的各项物理力学性能指标。压制的纤维板编号同1．2．1 中各组试样编号，每组试件平行制备3 块，各指标测试值取平行试件的平均值。
2 结果与分析
2． 1 氧化改性木铵的红外光谱分析
图 1 为酸性条件( A) 下氧化改性木铵的红外光谱图，图 2 为碱性条件( B) 下氧化改性木铵的红外光谱图。可以看出3 450 ～3 300 cm－1处的吸收峰为—NH2的对称和反对称伸缩振动以及乙酰胺的非对称伸缩振动峰，2800 ～2700 cm－1处为与胺相连的 C—H 键伸缩振动峰。3 325 ～3 200 cm－1处的吸收峰是木质素羟基( O—H) 的伸缩振动峰，该吸收峰强而宽的原因是酸或碱基团上的羟基氢键作用而缔合的缘故［10］。图 1 中羟基吸收峰强度有所增强，这是由于酸性条件下，Fe2+催化分解 H2O2产生的羟基自由基( •OH) 进攻富电子云的木质素芳香环，发生羟基化的结果［11］; 图 2 中羟基吸收峰强度明显减弱，是因为碱性条件下羟基被 H2O2氧化。1 739 cm－1为非共扼羰基吸收峰，为木素侧链 β－C 或 γ－C 上的羰基吸收峰，1 637 cm－1处为共扼羰基的吸收峰，图 1中羰基吸收峰的强度没有明显变化; 图 2 中羰基的吸收峰强度有所增强，同时峰形略变尖锐，说明酸性条件下，氧化剂 H2O2主要是经 Fe2+催化提供羟基自由基( •OH) ; 而碱性条件下，氧化剂 H2O2主要是与羟基、烯烃类等还原性的基团发生氧化反应，因此羰基增多。1 601、1 508、1 460 cm－1处吸收峰为木质素芳香骨架振动特征峰，这些峰是由苯环 C C键整体的伸缩振动产生的。酸性条件下，该处吸收峰强度减弱且峰形变宽，这是因为在羟基自由基的攻击下，部分富电子云的芳香环发生开环反应［12］;碱性条件下该处的吸收峰强度略有减弱或基本保持不变，这可能是因为碱性条件下的 H2O2氧化芳香环侧链或是使木铵的芳香环结构发生较少部分或较低程度的氧化降解。1 460 和 1 423 cm－1处是甲氧基的伸缩振动吸收峰。酸性条件和碱性条件下木质素的甲氧基吸收峰强度均有所减弱，说明在氧化过程中均存在部分甲氧基脱落，木质素结构中紫丁香结构单元减少。1 042 cm－1是磺酸基的伸缩振动吸收峰，531 cm－1是木质素磺酸盐在指纹区的特征峰。两种条件下木质素的磺酸基 1 042 cm－1处的吸收峰和指纹区的特征吸收峰没有发生明显变化，说明氧化剂对磺酸基团没有影响。
2． 2 氧化改性木铵的紫外光谱分析
木质素是典型的芳香族化合物，芳香族化合物对紫外光有特性吸收。由于木质素的紫外吸收光谱是由构成木质素的不同结构单元的吸收光谱加合而成的，因此谱图表现出峰形圆钝且略显粗糙。通常针叶材木质素的最大吸收波长为 280 nm 或略低一些，而阔叶材木质素由于存在较多的紫丁香基单元，其最大吸收波长在 275 ～ 277 nm 处［10］。如图 3 所示，谱图中 275 nm 波长附近为木铵结构中芳香环的吸收带，吸光度在 275 nm 波长处达到最大。可以看出，酸性条件下的氧化改性对木铵中的芳香环结构影响明显，不同氧化剂用量下的试样与未改性试样的吸光度存在较大差异，改性试样的吸光度明显低于对照试样，同时存在随着氧化剂用量增加，试样吸光度明显下降的趋势。A1 试样在 275nm 处的吸光度较 A0 试样下降 8． 1% ，A3 试样在275 nm 处的吸光度较 A0 试样下降 18． 7% 。这可能是由于 Fenton 试剂的强氧化性使木铵中的木质素—碳水化合物复合体( LCC) 发生部分降解［13］、芳香环发生开环反应以及芳香环侧链结构被破坏所造成的。图 4 中，碱性条件下不同试样的紫外光谱比较接近，吸光度相互间差异较小，但同时也存在随着氧化剂用量增加，试样吸光度下降的趋势。B1 试样在 275 nm 处的吸光度比 B0 试样仅下降 3． 4%，B3试样在 275 nm 处的吸光度比 B0 试样下降 9． 6%。这说明碱性条件下，氧化剂对木铵的芳香环结构影响不大，芳香环结构只发生较少部分或较低程度的降解和破坏。这与红外光谱分析的结果相一致。
2． 3 板材物理力学性能分析比较
表 1 和表 2 为两种氧化改性条件下制备的板材按照国家人造板及饰面人造板理化性能试验方法GB / T 17657—1999 测定的各项物理力学性能指标。对照国家中密度纤维板标准 GB /T 11718—2009，试验板材的吸水厚度膨胀率符合标准，弹性模量和静曲强度稍低于标准，内结合强度没有达标。比较分析板材的各项物理力学性能指标，可以发现，在酸性和碱性条件下，板材的静曲强度和弹性模量均存在随着氧化剂用量增加而增大的趋势。酸性条件下，随着氧化剂用量的增加，试件的静曲强度较对照试样分别提高 3% ～ 10%，弹性模量分别提高 3． 2% ～28． 5%; 碱性条件下，板材静曲强度和弹性模量的增加幅度更加明显，静曲强度较对照试样依次提高 1% ～ 66%，弹性模量依次提高 10% ～75% 。随着氧化剂用量的增加，酸性条件下的内结合强度先增大再减小，氧化剂用量为 10% 时，达到最大，较对照样提高一倍; 填料量为 30% 时，内结合强度增加量最小，较对照样提高 16． 7%。碱性条件下，随着氧化剂用量的增加，试件内结合强度出现两次先增后减的情况，氧化剂用量为 6% 时内结合强度提高一倍，氧化剂用量为 10% 时增加量最小，内结合强度提高 10%。酸性条件下，随着氧化剂用量的增加，吸水厚度膨胀率存在明显下降的趋势，氧化剂用量为 20% 时达到最低，吸水厚度膨胀率下降25% ; 碱性条件下，吸水厚度膨胀率先增大后减小，氧化剂用量为 10%时最高增加 11． 5%，氧化剂用量为 30%时最多下降 20%。酸性条件下，当氧化剂用量在 6% ～ 20% 范围内，各物理力学性能指标的变化规律明显。其中氧化剂用量 20%时，各项物理力学性能较优。碱性条件下，当氧化剂用量在 10% ～ 30% 范围内，各物理力学性能指标的变化规律明显。其中氧化剂用量30% 时，各项物理力学性能较优。
综上分析，在酸性和碱性条件下，随着氧化剂用量的增加，各项物理力学性能指标存在一定的变化规律，说明不同氧化条件下的氧化剂用量对于板材的物理力学性能有重要影响。这主要是因为，氧化改性后的工业木质素的化学结构发生了较明显的变化。傅里叶变换红外光谱与紫外光谱分析显示，工业木质素分子的链式结构发生部分降解、甲氧基等官能团发生部分脱落，这使工业木质素分子量分布的多分散性得到改善; 木质素芳香环结构被破坏，使木质素芳香环上的可反应化学位点和活性基团增加; Fenton 试剂对木质素的羟基化反应，增加了木质素的羟基含量。这些化学结构上的变化有助于木纤维中羟基和其他可反应基团与木质素分子发生化学反应，在热压环境下能够更好地进行胶联结合。氧化条件以及氧化剂用量的不同，导致工业木质素化学结构变化上的差异，从而影响热压环境下木纤维与工业木质素的化学反应，在宏观上表现为材料物理力学性能的变化。对于板材性能的变化与工业木质素化学结构变化之间的量化关系，有待进一步研究。
木质素纤维范文第4篇
关键词：菌剂；玉米芯；发酵；纤维素降解；酶活性；影响
中图分类号：Q815 文献标识码：A 文章编号：1001-3547（2014）22-0048-05
育苗基质是能为幼苗提供稳定协调的水、气、肥、结构的生长介质，是无土育苗的重要组成部分。大量被抛弃或燃烧的废弃物经过一定加工处理后可作为良好的环保型无土栽培有机基质。近年来，科研工作者利用各种农业副产有机物及某些废弃物研制合成了成本低、资源丰富、可再生的环保型无土栽培有机基质，在各园艺作物上栽培应用效果良好。
目前有机废弃物的有效利用主要通进行高温好氧堆肥化处理，使堆肥原料中的不稳定有机物形成性质稳定、对农作物无害的堆肥产品。但堆肥速度与质量依基质种类、发酵条件（发酵微生物、基质C/N比、含水、氧量等）而不同，其中微生物菌剂与菌种的选择是关系堆肥速度与质量的重要因素。
传统秸秆堆肥通常都是采用改善环境条件或增加营养的方法，往往存在发酵时间长、有臭味且肥效低等问题[1，2]，而且作物秸秆中含有大量成分复杂、难以被充分利用或被大多数微生物直接作为碳源物质而转化利用的木质纤维素[3]。在发酵过程中，降解由易到难依次为：粗脂肪和碳水化合物>纤维素和半纤维素>木质素。如何提高它们的分解速率、缩短发酵周期、提高降解率、得到稳定的发酵产物是目前研究的难点；木质纤维素的生物降解成为生物技术处理作物秸秆的关键，也是近年的研究重点。
目前研究表明[4～6]，采用接种微生物菌剂或有效菌种处理秸秆堆肥，明显地促进了堆肥反应进程。陈华癸[7]教授曾指出，在堆肥过程中，进行人为接种分解有机物能力强的微生物，可加速堆肥材料的腐熟，且形成利于消灭某些病原体、虫卵和杂草种子的高温。秸秆堆肥发酵过程中，目前有采用单一菌株作为发酵剂的方法，也有采用高效复合菌剂作为发酵剂。此外，在堆肥发酵过程中加入木质素分解菌以促进木质素这类难降解有机物质的分解，可有效缩短发酵时间，提高堆肥处理效果。
玉米芯是玉米的副产品，新疆地区玉米资源丰富，每年经过脱粒下的玉米芯，倘若经过腐熟堆肥化作用后作为无土栽培基质，对资源的综合利用和地方经济的发展有很大的促进作用。
1 材料与方法
1.1 供试材料
试验于2013年3月5日至12月10日在石河子大学农学院试验站设施温室内进行。以玉米芯为材料。试验采用的3种市售微生物菌剂分别是：EM酵素菌（购于河南磐龙酵素菌生物工程有限公司）；有机物料腐熟剂（购于北京世纪阿姆斯生物技术有限公司）；金宝贝菌剂（购于北京华夏康源科技有限公司）。
1.2 试验方法与处理
试验采用堆肥化腐熟处理，堆置前将玉米芯粉碎至0.3～0.5 cm，玉米芯添加羊粪、尿素以及水等配料，调配至适宜的C/N比（30∶1）及控制总物料含水量为50%～60%，将预培养的菌剂均匀地与玉米芯基质充分混合。试验共设置4个处理，详见表1，以不添加发酵菌剂的处理为对照（CK）。随机区组设计，重复3次。堆体体积约直径1.5 m，高0.8 m，堆体上覆盖塑料薄膜进行发酵。堆肥发酵期间每天14：00观察堆体温度，待堆体温度达到65℃左右时，及时翻堆并调整水分含量在50%～60%。在试验期间共取样4次，依次为发酵后0，10，20，30 d，取各处理堆体中心部位处基质100 g作为样品，带回实验室使其自行风干后进行理化性质的测定。待堆体温度与环境温度基本一致、发酵物料变成深褐色、无恶臭味时结束。
1.3 测定内容及方法
①纤维素、半纤维素、木质素含量的测定 发酵结束后取发酵样品烘干至恒重，参考贺明娟等[8]的方法分析其中纤维素、半纤维素、木质素的含量，结合初始发酵物料中各纤维类组分的含量，分别计算纤维素、半纤维素和木质素的降解率。
②酶液提取 隔5 d取2.0 g发酵的固体基质，用12 mL双蒸水于4°C浸提甘草渣固体培养物过夜，200 r/min振荡提取1 h，转移提取液；再用
4 mL双蒸水，于200 r/min振荡提取15 min，重复一次，完全转移、合并提取液，4°C保存待测酶活性。
③酶活性测定 a.木质素过氧化物酶（LiP）活力测定。取0.2 mL藜芦醇溶液（10 mmol/L）、0.4 mL酒石酸缓冲液（250 mmol/L，pH值3.0）与0.4 mL粗酶液混匀，即得1 mL反应液。在30℃下，往此反应液中加20 μL H2O2溶液（20 mmol/L）启动酶促反应，并在310 nm波长下测定反应1 min前后的反应液吸光度变化。一个酶活力单位（U）定义为每1 min氧化藜芦醇产生1 μmol藜芦醛所需的酶量。
b.漆酶（Lac）活力的测定。采用ABTS 法，反应液在30℃保温3 min ，后在波长420 nm 处测定吸光值的增加。将在100℃煮沸15 min 的酶液作为阴性对照。酶活力单位定义为反应体系中每1 min引起0.1个吸光度增加所需的酶量。
c.纤维素酶（FP）活力的测定。取0.5 mL的酶液，加入1 mL 1% CMC-Na溶液，混匀，50℃水浴15 min，加入2 mL DNS 煮沸10 min，流水冷却，加蒸馏水定容至10 mL，混匀，测OD540值。对照：在0.5 mL稀释酶液加入1 mL 1% CMC-Na溶液，再加入2 mL DNS煮沸10 min，流水冷却，加蒸馏水定容至10 mL，混匀，测OD540值。酶活力定义为每1 min产生1 μmol的葡萄糖的酶量为一个酶活力单位。
d.羟甲基纤维素酶（CMC）、木聚糖酶活性测定。采用DNS法。
1.4 数据处理
数据取平均值，采用 Excel 2003和DPS 7.5软件进行处理，并进行Duncan's多重比较。
2 结果与分析
2.1 不同菌种处理下玉米芯基质发酵过程中纤维素、半纤维素降解率的变化
①纤维素降解率 由图1可知，经过30 d的发酵培养，3种不同菌种处理下的玉米芯基质发酵过程中的纤维素均有不同程度降解。在发酵10 d测得，T1、T2和T3的纤维素降解率为12.3%、15.8%和15.4%，分别比对照的12.1%高1.7%、30.6%
和25.6%，T2和T3与对照相比差异显著。在发酵20 d测得，T1、T2和T3的纤维素降解率为26.6%、25.7%和23.7%，分别比对照的18.6%高43.0%、38.2%和37.6%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T1和T2之间无显著差异。在发酵30 d测得，T1、T2和T3的纤维素降解率为44.4%、34.4%和36.3%，分别比对照的24.9%高78.30%、38.2%和45.8%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T2和T3之间无显著差异。说明3种菌种处理可有效地提高玉米芯基质的纤维素降解率，T1效果最佳。
②半纤维素降解率 从图2可看出，半纤维素随发酵时间的延长降解趋势与纤维素一致。经过30 d的发酵培养，3种不同菌种处理下的玉米芯基质发酵过程中的半纤维素均有不同程度的降解。在发酵10 d测得，T1、T2和T3的半纤维素降解率为24.3%、20.0%和23.1%，分别比对照的13.8%高76.1%、44.9%和67.4%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T1和T3间无显著差异，但与T2差异显著。在发酵20 d测得，T1、T2和T3的半纤维素降解率为35.3%、28.5%和34.5%，分别比对照的23.3%高51.5%、22.3%和48.1%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T1和T3之间无显著差异，但与T2差异显著。在发酵30 d测得，T1、T2和T3的半纤维素降解率为48.9%、43.9%和42.1%，分别比对照的35.8%高36.6%、22.6%和17.6%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T2和T3之间无显著差异，但与T1达到显著差异。说明3种菌种处理均可有效提高玉米芯基质的半纤维素降解率，其中T1效果最佳。
2.2 不同菌种处理下玉米芯基质发酵过程中木质素降解率的变化
由图3可知，3种不同菌种处理下的玉米芯基质发酵过程中的木质素均有不同程度的降解。在发酵10 d测得，T1、T2和T3的木质素降解率为12.2%、12.4%和15.9%，分别比对照的11.1%高9.9%、10.9%和43.2%，T1和T2与对照相比无显著差异，T3与对照之间差异显著。在发酵20 d测得，T1、T2和T3的木质素降解率为16.0%、18.3%和25.1%，分别比对照的15.2%高5.3%、20.4%和65.1%，T1与对照相比无明显差异，T1、T2和T3之间差异显著。在发酵30 d测得，T1、T2和T3的木质素降解率为25.1%、24.6%和29.5%，分别比对照的19.6%高28.1%、25.5%和50.5%，T1、T2和T3与对照相比差异显著，T1、T2和T3之间差异显著。说明3种菌种处理均可有效提高玉米芯基质的木质素降解率，其中T3效果最佳，T1次之。
2.3 不同菌种处理下玉米芯基质发酵过程中纤维素降解酶活性的变化
①纤维素酶 从图4可以看出，纤维素酶活性表现先升高后降低的趋势，在0～10 d的时间，随着发酵天数的增加，纤维素酶活性逐渐增强，在发酵10 d后测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的纤维素酶活性均高于对照，T1活性最强，与对照相比提高36.1%，与其他各处理之间差异明显，且T1的纤维素酶活性在发酵10 d时表现为峰值，为7.2 U/L，其他各处理均在20 d时出现峰值，之后随着发酵时间的延长，纤维素酶活性开始缓慢降低，发酵
30 d测得各处理之间无明显差异。
②羟甲基纤维素酶 从图5可以看出，羟甲基纤维素酶活性表现先升高后降低的趋势，在0～10 d，随着发酵天数的增加，羟甲基纤维素酶活性逐渐增强，在发酵10 d后测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的羟甲基纤维素酶活性均高于对照，T1活性最强，与对照相比提高26.3%，与其他各处理之间差异明显。T1和T2的羟甲基纤维素酶活性在发酵10 d时表现为峰值，分别为227.7 U/L和179.6 U/L。T3和CK处理均在20 d时出现峰值，之后随着发酵时间的延长，羟甲基纤维素酶活性开始迅速降低，发酵30 d测得各处理的羟甲基纤维素酶活性表现为最低，各处理之间无明显差异。
2.4 不同菌种处理下玉米芯基质发酵过程中木质素降解酶活性的变化
①木质素过氧化物酶 从图6可以看出，在0～30 d，除对照的木质素过氧化物酶活性变化不明显外，各发酵处理木质素过氧化物酶活性表现先升高后降低的趋势。在0～10 d，随着发酵天数的增加，各处理木质素过氧化物酶活性逐渐增强，在发酵10 d后测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的木质素过氧化物酶活性均高于对照，T1、T2和T3分别较对照提高125.4%、50.1%和175.1%。T3活性最强，在发酵20 d后达到峰值，与对照相比提高362.5%，且与其他各处理间差异明显，之后迅速下降，在发酵30 d后测得的木质素过氧化物酶活性仍高于其他各处理，且差异明显，T1和T2与对照之间无明显差异。
②漆酶 如图7所示，在整个试验过程中对照和各处理漆酶活性表现先升高后降低的趋势，在0～20 d，随着发酵天数的增加，漆酶活性逐渐增强，在0～10 d增加迅速，之后T3的漆酶活性仍保持较高速度的增长，在发酵20 d时CK、T1和T3的漆酶活性均达到最大值，测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的漆酶活性均高于对照，T3活性明显高于CK、 T1和T2。之后随着发酵时间的延长，漆酶活性开始急剧降低，发酵30 d测得T3处理漆酶活性高于其他各处理，但各处理之间无明显差异。
2.5 不同菌种处理下玉米芯基质发酵过程中木聚糖酶活性的变化
从图8中可以看出，木聚糖酶活性表现先升高后降低的趋势，在0～20 d，随着发酵天数的增加，木聚糖酶活性逐渐增强，在发酵20 d后急剧下降，在试验过程中，测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的木聚糖酶活性与对照差异均不明显。且各处理的木聚糖酶活性在发酵20 d时表现为峰值，之后随着发酵时间的延长，木聚糖酶活性开始急剧下降，发酵30 d测得T1的木聚糖酶活性表现为最低。
3 结论与讨论
本试验研究结果表明，不同发酵菌剂处理下，玉米芯中半纤维素的降解率普遍高于纤维素的降解率，说明所用菌种（剂）对半纤维素都具有较强的降解能力，玉米芯中半纤维素比较容易降解。
本研究结果表明，经过30 d的发酵培养，3种不同菌种处理下的玉米芯基质发酵过程中的纤维素均有不同程度的降解，说明3种菌种处理可有效的提高玉米芯基质的纤维素降解率，其中T1效果最佳。同时，3种菌种处理也均可有效地提高玉米芯基质的木质素降解率，其中T3效果最佳，T1次之。研究结果表明，通过利用木质素优良降解菌和纤维素优良降解菌混合发酵降解木质素、纤维素和半纤维素的降解工艺是可行的，有一定的实用性。这种共降解工艺为甘草渣的生物降解提供了一种新途径。同时利用市场上现售菌剂对玉米芯进行降解，也具有一定的实用性，加快了玉米芯发酵进程，缩短了发酵时间。
真菌分解木质素主要是依靠一个复杂的胞外过氧化酶系统。该系统主要由木质素过氧化物酶（Lignin Peroxidase/LiP）、锰过氧化物酶（Manganases Peroxidase/MnP）和漆酶（Laccase/Lac）3种酶构成。白腐菌是少数的能选择性降解木质素的真菌之一，它们通过分泌木质素降解酶系的主要成分等胞外氧化酶来降解木质素。在3种不同处理下的发酵过程中分别取样进行木质素过氧化物酶、漆酶的测定，结果表明，在0～30 d的发酵时间内，除对照的木质素过氧化物酶活性变化不明显外，各发酵处理木质素过氧化物酶活性表现为先升高后降低的趋势；在发酵10 d后测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的木质素过氧化物酶活性均高于对照；在整个测定过程中对照和各处理漆酶活性表现先升高后降低的趋势，发酵30 d测得T3处理漆酶活性高于其他各处理，但各处理之间无显著差异。以上结果说明，在玉米芯发酵过程中，金宝贝微生物菌剂能促进基质中木质素过氧化物酶活性和漆酶活性的增强，促进基质腐熟，使有机物料释放大量的养分。
木聚糖是植物细胞的一种主要的结构多糖，是自然界含量位居第2位的多糖，占地球上约1/3的可再生有机碳源，是半纤维素的主要成分，木聚糖酶是一类水解酶，可以将木聚糖降解成低聚木糖和木糖。本研究结果表明，在0～30 d的发酵过程中，木聚糖酶活性表现先升高后降低的趋势，在0～20 d，随着发酵天数的增加，木聚糖酶活性逐渐增强，在发酵20 d后急剧下降，测得3种添加菌剂的玉米芯基质中的木聚糖酶活性与对照无明显差异。
参考文献
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木质素纤维范文第5篇
关键词：纤维素原料；纤维素酶；预处理；水解；发酵；生物能源乙醇；精馏和脱水；产业化
长期以来我国能源生产以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，不仅消耗了大量的自然资源，而且对环境造成了严重污染。根据国家统计局的中国统计年鉴的数据显示，2003年能源生产总量为1．7亿t标准煤，2012年为3．3亿t标准煤，增幅达93％，我国迫切需要一种可再生能源来代替化石能源。在美国、巴西及欧洲已形成新的可再生能源－燃料乙醇产业。随着粮食价格的不断上涨，土地资源日益紧张，以粮食为原料的生物液体燃料技术发展前景并不乐观。而木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，发展纤维素生物乙醇成为我国和其他能源发达国家的必然选择。木质纤维素是地球上最丰富的可再生资源，以其作为原料生产生物乙醇是最具发展前景的生产路线，利用现代化生物技术手段开发以纤维素为原料的生物能源，已成为当今世界发达国家能源战略的重要内容。
1纤维素乙醇主要技术
路线纤维素乙醇的工艺技术路线主要包括预处理、水解、发酵、蒸馏脱水等几大环节。其中关键步骤是酶水解，该过程具有反应条件温和、过程可操纵性、对环境友好等优点。
1．1纤维素原料的预处理方法
目前，纤维素原料的预处理方法可分为物理法、化学法、物理化学相结合法以及生物法等。
1．1．1物理法
常见的物理法预处理技术包括机械粉碎法、高温热水处理法、微波辐射、射线处理等等，该类处理方法操作简单，无环境污染，但需要较高的动力，其耗能约占糖化总过程耗能的60％以上。机械粉碎法：用振动磨等物理外力将纤维素原料进行粉碎处理，可以破坏木质素和半纤维素与纤维素之间的结合层，但是木质素仍然会被保留，其结果降低三者的聚合度，改变纤维素的结晶构造。该处理方法可提高反应性能和提高糖化率，保证酶解过程中纤维素酶或木质素酶发挥作用。高温热水处理法：即酸催化的自水解反应，原理就是在高温（200℃以上）且压力高于同温度下饱和蒸汽压时，使用高温液态水去除部分木质素及全部半纤维素，但高温作用会使产物有所损失，并产生一些有机酸等次级代谢产物抑制酶解与发酵过程。按照水与底物的进料顺序不同，可分为以下3种，即流动水注入、水与物料相对进料及两者平行进料，这3种方式都是利用沸水的高介电常数去溶解所有的半纤维素和1／3～2／3的木质素，但反应需要的pH值要求较高，一般控制在4～7之间，来减少副作用。
1．1．2化学法
稀酸预处理和浓酸预处理：浓酸具有腐蚀性，生产过后需要回收，因此大大增加了成本，所以稀酸水解应用的范围广，稀酸水解一般是在高温高压下进行，稀酸能够断裂纤维素内部的氢键，使得纤维素易水解且提高木聚糖到木糖的转化率，虽然该方法较其他方法比较而言有很高的转化率，但是据Selig等研究表示，在高温条件下（如140℃处理时），在纤维素表面可能会形成一些木质素与碳水化合物复合物形成的球状液滴。碱预处理技术：该方法原理是破坏木质素和碳水化合物之间的连接，破坏生物质的结晶区，使木质素溶于碱液从而促进水解的进行。常用的碱包括Ca（OH）2和氨水等。Chen等采用价格便宜的Ca（OH）2处理TK－9芒草秸秆半纤维素，其水解率大于59．8％，木质素的去除率为40．1％。Kim等发现利用NH4OH、在60℃条件下、采用1∶7的料液比处理废弃秸秆9h可以去除70％～80％的木质素，若酶用量充足，可以将所有的纤维素水解掉。
1．1．3物理化学方法
氨冷冻爆破法：类似于蒸汽爆破法，其区别之处在于氨处理对设备的要求和所需的能耗降低，在蒸煮的过程中加入氨，同时还要注意氨的有效回收，其原理是液氨在50～80℃、1．5MPa条件下，采用物理方法，将压力骤降，使液氨蒸发，使木质素晶体爆裂，破坏木质素与糖类的连接，脱去部分木质素，使得木质素的结构得以破坏，增加纤维素表面积和酶解的可及度。随后向系统加入固液混合物，经过蒸发的氨通过压缩可以得到有效回收。Alizadeh等采用柳枝为原料，将葡聚糖的转化率从20％提高到90％，木质纤维素原料的酶解速率得到较大提高，另外该方法避免了酶的降解，无干扰抑制物的产生，因此处理过后无需处理。
1．1．4生物方法
自然界中有多种能够分解木质素的微生物，其中分解能力最强的是木腐菌，包括3种：百腐菌、软腐菌、褐腐菌。百腐菌能分泌胞外氧化酶包括漆酶、过氧化酶、锰过氧化酶等，因此百腐菌是自然界最主要的木质素降解菌，这些木质素降解酶能有效、彻底地将木质素降解成为水和二氧化碳。
1．2发酵酶解
发酵酶解技术是木质素生产纤维素乙醇技术的关键，国内研究人员经过多年的探索，取得了较好的进展，如生产成本下降，生产工艺流程简化。酶解发酵主要将五碳糖或六碳糖经过微生物发酵同时转化为乙醇。利用木质纤维素原料生物转化乙醇主要有4种途径：分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）。
1．2．1分步水解和发酵（SHF）
分步水解和发酵的原理是，2个过程独立进行，其优点就是各步能在各自适宜的温度下（50～55℃酶解，35～340℃发酵）进行，有利于反应完全，纤维素酶首先将纤维素原料水解，再将得到的C5或C6分别发酵生产乙醇，也可共发酵产乙醇，该途径最大的缺点就是酶解过程中的水解产物积累会抑制酶的活性，导致水解不彻底。世界上第一座纤维素乙醇示范装置是加拿大Iogen公司于2004年在渥太华建立的，该公司以纤维素为原料利用SHF工艺，固液分离水解糖，利用工程菌生产乙醇，产能1800t／年。瑞典的O－Vik公司以木屑为原料采用SHF工艺建立的乙醇厂，成本只有0．46欧元。美国的Verenium则以甘蔗渣为原料，采用稀酸水解，采用基因工程大肠杆菌发酵生产乙醇，1t干生物质年产100加仑乙醇。
1．2．2同步糖化发酵（SSF）
同步糖化和发酵，即在同一个反应容器里，纤维素酶解与葡萄糖的乙醇发酵同时进行，微生物能直接利用酶解产生的糖，这样避免了对纤维素酶的反馈抑制作用，SSF是目前生产乙醇最主要的方式，国内外的中试装置上基本都采用此方法，主要代表就是瑞典Lund大学，采用木屑为原料，利用工程酵母发酵，其原料转化率可达90％，提高乙醇产量。在生产过程中，原料在经过预处理之后，加入纤维素酶和酵母共发酵，不能被酶解的木质素则被分离出来，通过再利用提供能量，通过乙醇蒸馏工艺进行回收。
1．2．3同步糖化共发酵（SSCF）
SSCF法是SSF法的改进，最主要的优势在于对戊糖的利用。半纤维素中含有丰富的戊糖，如木聚糖、阿拉伯聚糖，在SSF法中大量戊糖并未能转化成乙醇；如果在发酵过程中接种能够将戊糖转化为乙醇的微生物，将大大提高发酵液中最终乙醇含量。Su等研究发现，利用重组的Zymomonasmobilis发酵玉米秸秆，在SSCF法中，当葡萄糖存在时，缩短了木糖的发酵时间；但葡萄糖与木糖会竞争相同的膜转运蛋白，而且蛋白优先转运葡萄糖，在培养基中葡萄糖含量降低到一定程度后，菌种才开始利用木糖进行发酵。现阶段SSCF法采用混合菌种发酵居多，在下一步研究过程中，应开发能够同时利用戊糖和己糖发酵产乙醇的新菌种。
1．2．4直接微生物转化（DMC）
直接微生物转化又称为统合生物工艺，即原料中木质纤维素成分通过某些能够产生纤维素酶的微生物群生产乙醇的工艺，同时该微生物还能利用发酵糖生产乙醇，这就要求该种微生物同时具有以下3个步骤：产纤维素酶、酶解纤维素、发酵产乙醇。目前，研究最多的就是粗糙脉孢菌和尖镰孢菌这2种真菌，该菌有独立的纤维素酶生产，在有氧和半通氧2种状态下，分别产水解后的底物和发酵糖为乙醇，方法简便，和普遍使用的SSF相比，无需额外酶的加入，能够同时利用五碳糖或六碳糖，具有很广的应用前景。Mascoma公司利用酵母和细菌共同完成产生纤维素酶和发酵产乙醇的工艺步骤，酶生产单元大大减少，在中试装置上使用该技术，降低了成本，减少了费用。
1．3精馏和脱水技术
精馏和脱水技术主要是提纯产物乙醇，其工艺类似于淀粉燃料乙醇的生产过程。精馏和脱水技术可以借鉴淀粉质原料燃料乙醇生产工艺中已经发展成熟的工业化技术，木质纤维素类原料发酵液中乙醇浓度比较低，一般情况下均在5％以下，致使精馏操作能耗高。有研究者建议，在木质纤维素水解液乙醇发酵工艺中耦合渗透蒸发技术来提高进入精馏系统发酵液中乙醇浓度，但是渗透蒸发系统本身的动力消耗也比较大，而且渗透蒸发所用的透醇膜容易被菌体污染的问题也很突出。
2纤维素乙醇发展展望
2．1纤维素乙醇产业化发展的局限
目前，木质纤维素类生物质制备生物乙醇因其在生产、能耗和政策支持3个方面存在问题，不能实现大范围的工业化生产。生产技术方面存在工艺流程和预处理技术2个方面的限制，能源利用率存在成本和产出之比高低问题，以及存在政府是否颁布相应的支持条例的问题。首先，从原料上来看，木质纤维素由于自身坚固的细胞壁结构和难以水解的结晶纤维素，使得生产燃料乙醇需要较高的成本费用，其次，从生产工艺流程来看，制备燃料乙醇要经过预处理、酶解、发酵等过程，在预处理过程中，不同的处理方法针对不同的原料有不同的处理效果，虽然对燃料乙醇提供了有力的支持，但是也存在不同程度的局限之处。在水解和发酵方面，一般采用的技术工艺是分步水解和发酵（SHF）、同步糖化发酵（SSF）、同步糖化共发酵（SSCF）和直接微生物转化（DMC）。分步水解和发酵的反应特点是纤维素水解和水解液发酵可以在不同的反应容器中进行，所以两者可以选择适宜条件。其缺点在于，水解产物糖对纤维素酶有反馈抑制作用，使水解不完全，同时在转移产物过程中，由于在不同容器中进行，易造成微生物污染。而SSF则与此相反，在酶水解糖化纤维素的同时加入能产生乙醇的纤维素发酵菌，使两者在同一装置中连续进行，工艺大大简化，又能消除底物葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用。但是也存在局限因素，如木糖的抑制作用、酶解温度和发酵温度不一致等。研究最多的假丝酵母菌、管囊酵母菌能够将木糖转化为乙醇，解决此难题。同步糖化共发酵（SSCF）是由该方法衍生出的新工艺，同样具有广阔应用前景。中国科学院生化工程国家重点实验室陈洪章等在了解了SSF法之后，提出秸秆分层多级转化液体燃料的新构想，在秸秆不经过添加化学药品的低压爆理之后，采用发酵－分离乙醇耦合系统，多级转化燃料乙醇和生物油，降低成本费用和酶的用量，简化生产工艺，提高酶解效率。
2．2纤维素乙醇产业化发展的趋势目前，国外纤维素乙醇产业化研究正进入一个关键时期，中国在这方面也有很好的基础，为了更快地实现产业化，应当吸取国外石油化工的实践经验，坚持生物精炼和乙醇联产的创新模式，促使纤维素乙醇实现产业化。该模式即实现原料的充分利用和产品价值最大化，就是所谓的“吃干榨净”，具体含义指利用玉米生产燃料乙醇，还能生产相关产品，如玉米油、高果糖浆、蛋白粉、蛋白饲料和其他系列产品，这样既提升了纤维素乙醇经济附加值，又能取得良好的经济和社会效益，一举两得。燃料乙醇将很快进入全球的成品油市场，在替代汽油供应方面发挥不可替代的作用。
在未来几年，随着中国对石油进口依赖度加深，扩大国内燃料乙醇产能已经成为必需。但是由于粮食生产乙醇的工艺不适合我国采用，因此，纤维素乙醇研究已经成为目前研究工作的重点。纤维素乙醇研究工作涉及物理、生物工程、化学等多个领域，为了早日实现纤维素乙醇产业化，应当提出相应的发展战略，首先，应该制定生物质能源产业的国家和地方的发展战略，政府应采取鼓励政策继续加大科研资金投入；其次，利用己糖发酵菌种的构建及木质纤维原料生物量全利用等方面来提升纤维素乙醇的经济效益：最后，要建立工业示范装置，为纤维素乙醇产业发展提供实践经验。纤维素乙醇作为主要的生物能源，应加快以纤维素乙醇为核心的综合技术的开发，整合多方力量，实现优势互补，使其在我国能源结构转变中发挥重要的作用。
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木质素纤维范文第6篇
关键词：木质素；化学改性；吸附剂；表面活性剂；粘合剂；高效利用
中图分类号：O636.2
文献标识码：A文章编号：16749944（2016）12019605
1引言
木质素在自然界中的储量仅次于纤维素和半纤维素，是第三大天然可再生资源。工业木质素主要来源于制浆造纸工业，如硫酸盐法制浆黑液中木质素的含量占到了其有机成分的30 %～45 % [1]。因原料、制浆工艺及回收方法的不同，从制浆废液中分离得到的木质素在化学性质和官能团的组成上存在很大的差别[2]。这使得在对工业木质素进行高效利用时存在一定的难度。
富含木质素的工业废水曾一度给企业和社会带来了十分严重的负面影响。然而在不可再生资源日益减少的今天，如何充分利用天然可再生资源已成为各国政府和社会广泛关注的问题。作为第三大天然可再生资源，木质素正逐渐改变自己的角色，“由废变宝”，成为各国研发的重点对象。
2木质素的结构
深入了解木质素的结构，有助于更好的利用木质素。长久以来，木质素被认为是由香豆醇（coumaryl alcohol）、松柏醇（coniferyl alcohol）和芥子醇（sinapyl alcohol）3种基本结构单元通过酶的脱氢聚合及自由基耦合得到[3]。但随着突变和转基因植物及木质素模型化合物生物合成研究的不断突破，研究者发现木质素除了上述3种结构单元外还存在着很多其他的结构单元，如5-羟基松柏醇，只是含量相对较少。可以说几乎没有一种植物的木质素是仅由上述3种结构单元组成的[4]。这些重复结构单元通过醚键和碳碳键连接在一起，形成具有三维体型结构的天然酚类非结晶性网状聚合物，其中最常见的是β-O-4连接。根据植物种类的不同，常见的连接键还有β―5、β―1、5―5连接等[5]。
目前工业木质素主要来源于传统的碱法及亚硫酸盐法制浆工艺。此外有机溶剂制浆法正成为研究的热点。烧碱法和硫酸盐法得到的碱木素的含硫量低（
3木质素的化学改性
无论是碱木素还是木质素磺酸盐，由于分子中缺乏强亲水性官能团以及可发生反应的高活性位置被其它官能团所占据，使其水溶性和化学反应活性受到限制。但不同来源木质素中普遍含有芳香基、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、双键等活性基团使其可以进行一系列的化学改性。其中最常用的改性方法有：羟甲基化、磺化、磺甲基化、Mannich反应和接枝共聚等[5]。
木质素羟甲基化是在木质素的芳环上添加一个羟甲基（-CH2OH），其反应机理与苯酚和甲醛反应相同，反应式见图1。大量研究表明，木质素羟甲基化改性后引入的羟基比木质素自身的羟基反应活性还要高。木质素羟甲基化改性是木质素用作酚醛树脂中苯酚替代物的一个重要的前处理过程，在工业上已有应用。
木质素磺化改性，一般采用的是高温磺化法，即在高温和一定压力的条件下，使木质素与Na2SO3发生反应，在木质素侧链上引入磺酸基，增加木质素的水溶性。磺甲基化只有在木质素产品中需要增加磺酸基时才采用。木质素发生磺甲基化反应的实质是其在碱性介质中先与甲醛发生羟甲基化反应，再在一定反应温度条件下与Na2SO3、NaHSO3或SO2发生磺甲基化反应。木质素发生磺甲基化反应其结构单元中必须含有酚羟基，或者是双键或芳环的α位有羰基，反应式见图2。木质素磺化或磺甲基化改性后可作为鞣剂、电极稳定剂、悬浮剂和分散剂等。这类木质素改性产品应用很广，具有广阔的市场[8]。
Mannich反应是指胺类化合物与醛类和含有活泼氢原子的化合物所进行的缩合反应，该反应的特点是活泼氢化合物中所含有的活泼氢原子被胺甲基取代，所以又称胺甲基化反应[11]。反应式见图3。木质素的Mannich反应主要发生在其酚型结构单元中活性较强的C5位上，由于胺甲基的引入，在酸性条件下可形成正离子，从而改善了碱木素的溶解性。若在木质素中引入高级脂肪胺的烃链，则可改善木质素的亲油性[12，13]。自1955年木质素Mannich反应的第一个专利发表以来，木质素与脂肪胺及其衍生物的Mannich反应为木质素的改性开辟了新的领域，其产品已被广泛应用于沥青乳化、石油开采、污水处理、国体颗粒分散等方面。
木质素在进行接枝共聚反应时的关键在于确保引发共聚发生在被接枝的主链上，不同引发剂的使用可以有效防止单体共聚生成均聚物[14，15]。当木质素与极性单体接枝共聚后得到的产物可应用于钻井、污泥脱水、增稠剂、分散剂、悬浮剂、稀释剂、絮凝剂等[5]。而当木质素与非极性单体聚合时则可得到热塑性材料，可应用于塑料工业中，还可以作为木材和塑料的偶联剂[16]。这类材料最大的优点是可以生物降解[17]。
4木质素的高效利用
4.1吸附剂
木质素基吸附剂是木质素高效利用的一个新起点，包括木质素基离子交换树脂、木质素基碳质吸附剂、木质素基重金属吸附剂等，可用于生化分离、环保、医疗等领域，具有广阔的前景[18]。
焦艳华等[32]根据木质素的结构特点，利用Mannich反应在苯环上酚羟基的邻位引入短链脂肪多胺，再通过酰化反应将不同长链烷基引入木质素结构中，最后通过磺甲基化反应增加碱木素的亲水性，合成了一类全新结构的改性木质素磺酸盐。该改性木质素磺酸盐单独与碱复合使用，在较宽的碱及表面活性剂质量分数范围内，与胜利油田原油间的界面张力最小值可达到10-5～10-3 mN/m数量级，其平衡值能够达到10-4～10-3 mN/m数量级，可单独作为表面活性剂用于三次采油中。
Yasuda[33]用72 %的硫酸做催化剂，将硫酸盐木质素酚化改性后再与二甲胺和甲醛发生Mannich反应制备阳离子表面活性剂。研究发现酚化改性不仅能增加产物的水溶性，还能提高硫酸盐木质素的反应活性。溶解性的差异主要由C9结构单元中引入二甲基氨甲基基团的比例不同引起。制备的阳离子表面活性剂能将水的表面活性降到45 mN/m，明显优于商业木质素表面活性剂的效果[34]。研究还发现，随着聚合物中引入功能基团数目的增加，表面张力增加，表面活性降低。这是因为表面活性与表面过量密度有关，当聚合物中引入大量的亲水基团时将增加其在水中的溶解度，从而降低了过量密度，使表面活性降低[35]。
4.3粘合剂
由于工业木质素来源广、成本低、结构与酚醛树脂（PF）相似，因此，有关其在PF中的应用一直都受到研究者的重视。但由于木质素的活性较低，在实际应用前通常要先经过羟甲基化、脱甲基化、酚化等化学改性以提高其反应活性。
从苯酚与甲醛的反应机理可知（见图1），木质素替代苯酚用于酚醛树脂的制备时，反应体系的pH值和木质素的类型是两个极为重要的因素。比较苯酚和木质素的结构可知，苯酚的芳环上有五个氢可供取代，而木质素芳环上酚羟基的邻位和对位都不同程度的被其他官能团所占据，限制了其与甲醛的反应，使得木质素的用量只能是苯酚用量的40 %～70 %。
一般认为，木质素在替代苯酚制备酚醛树脂时其C9结构单元中酚羟基和脂肪族羟基的含量越高越好，在酚羟基的邻位还应有未被取代的氢。此外木质素的分子量越低越好，木质素结构中邻苯二酚结构单元的形成也将增加其反应活性。
武书彬等[36]将麦草碱木素脱甲基化以增加其与甲醛反应的活性部位，代替苯酚应用于酚醛树脂的制备。研究发现脱甲基化使得麦草碱木素的甲氧基含量下降，酚羟基的含量增加，平均分子量降低，分子量分布范围变宽。用60 %的脱甲基化木质素代替苯酚制备得到的木质素酚醛树脂符合国标I类胶合板用胶粘剂的要求。
木质素酚化改性后其反应活性也会大大增加。Khan[37]利用甘蔗渣木质素先与苯酚在碱性条件下酚化改性，再与一定量的苯酚和甲醛反应制备了木质素酚醛树脂（LPF）。发现超过50 %的苯酚被木质素替代后制备的LPF与传统酚醛树脂（CPF）比较具有更好的粘结强度，且固化温度降低，贮存稳定性增加。
一直以来甲醛都是制备胶黏剂的首选原料。然而它具有挥发性，有毒，还是公认的致癌物质。出于环保的目的，最近Mansouri等[38]用不挥发且无毒的乙二醛完全替代甲醛制备了木质素胶粘剂。结果显示用乙二醛取代甲醛制备得到的木质素胶粘剂不仅达到了相关的国际标准，而且在使用时热压时间缩短。
5结语
尽管现在工业木质素的高效利用还面临着一系列的困难，但可以看出其高效利用不仅是变废为宝，而且还将促进制浆造纸废水的根本治理，从而为全社会带来显著的环境与经济效益。但在利用这种天然可再生资源时，必需注重以下几个方面：注重木质素的基础研究，认清木质素的结构特点；推广有机溶剂制浆技术，获得理想木质素原料；注重木质素的化学改性以增强其反应能力，使其成为理想的工业原料。
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木质素纤维范文第7篇
关键词 纤维 SMA 高温性能
引言
沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充的间断级配的粗集料骨架间隙的沥青混合料。以其优良的抗车辙性能和抗滑性能闻名于世。纤维作为一种传统的纺织材料，从形状上说，是一种比较柔韧的细而长的物质。一般的说，纤维的长度与直径之比一般大于1000：10。SMA中纤维的加入，有效地改善沥青路面的高温稳定性、疲劳耐久性，并且具有低温抗拉和防止反射裂缝的作用。目前，公路工程中常用的纤维有三类：天然木质素纤维、合成纤维（聚酯纤维，聚丙烯腈纤维）、矿物纤维。文章采用动稳定度指标和高温抗剪指标来评价不同纤维对SMA高温性能的影响。
1 原材料
1.1沥青
本研究所用沥青采用壳牌 SBS I-C聚合物改性沥青，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000），沥青相关试验结果如表1-1。
1.3 纤维
本文选用天然木质素纤维、合成纤维、矿物纤维进行试验研究，其中合成纤维采用常用的聚酯纤维，矿物纤维采用水镁石纤维。
3 纤维SMA的高温性能
本文采用马歇尔设计方法确定SMA-10的最佳油石比为6.5%，根据以往纤维应用实例，木质素纤维和聚酯纤维的掺量为沥青混合料质量的0.3%，矿物纤维的掺量为0.4%。本文除了采用传统的动稳定度指标来评价混合料的高温稳定性外，还通过对不同纤维SMA在高温条件下进行剪切试验来测试SMA高温抗剪强度。
3.1高温稳定性
高温稳定性采用车辙试验进行评价，试件是在最佳油石比6.5%的条件下碾压成型的300mm×300mm×50mm车辙试件，每种纤维SMA成型三个车辙试件，试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，试验结果见表3-1。
从表3-1的数据可知，矿物纤维（水镁石纤维）SMA-10的动稳定度要明显大于其他两种纤维SMA，说明矿物纤维SMA比其他两种纤维SMA的抗车辙性能要好。
3.2高温抗变形能力
本文采用室内剪切实验来评价三种纤维SMA-10的高温抗变形能力，按规范方法制成掺有不同纤维的马歇尔试件，在60℃烘箱中保温3h之后，采用自制的剪切仪器进行剪切实验，自制剪切仪可以将试件在一定正应力的条件下进行水平剪切实验，本试验试件的竖向压力为0.7MPa，其试验结果如表3-2。
从上表数据可知，矿物纤维（水镁石纤维）SMA-10的高温抗变形能力要明显大于其他两种纤维SMA。
4 小结
通过对不同纤维SMA-10的高温性能的试验研究结果可知，矿物纤维SMA的高温性能最好，合成纤维的次之，木质素纤维的最差，在实际应用中，应根据实际工程的要求合理的选择纤维种类。
参考文献
[1]王辉，不同纤维对SMA路用性能影响研究[D]，长沙理工大学道路与铁道工程硕士学位论文，2007
木质素纤维范文第8篇
1材料与方法
1.1实验材料原料：均采自湖南常德汉寿县杨木速生基地，9年生的美洲黑杨Populusdeltoides，胸径11.2m以上。树高21m以上，2012年6月采样分析，2013年12月分析检测。蒸汽爆破预处理和菌处理后的杨木由中南林业科技大学生物乙醇研究中心提供。药品：氢氧化钠（分析纯AR），硝酸（AR），95%乙醇（AR），溴酸钾（AR），溴化钾（AR）为国药集团化学试剂有限公司；氯化钠（AR），苯（AR），硫酸（AR），氯化钡（CP），盐酸（AR）株洲市星空化玻有限责任公司；硫代硫酸钠（AR），碘化钾（AR），淀粉（AR），酚酞（AR），甲基橙（AR）天津大茂化学试剂厂。主要仪器：索氏抽提器，糠醛蒸馏装置、量筒、烧杯、抽滤瓶、碱式滴定管、砂芯漏斗、容量瓶、具塞锥形瓶（250/500/1000mL）、烘箱、干燥器，电炉，PB403-N电子天平，郑州长城科工贸有限公司；SHZ-D（III）循环水式真空泵，巩义市子华仪器有限责任公司，高温炉。
1.2实验方法实验各项目分析方法均采用木材化学成分分析国家标准进行[6]。其中纤维素采用硝酸乙醇法测定；半纤维素采用二溴化法测定；木质素采用Klason法测定[7]；氢氧化钠抽出物含量测定所用的NaOH浓度为0.998%；苯醇抽提物含量测定所用苯∶乙醇为2∶1；蛋白质测定方法采用凯氏定氮法测定。
2结果与分析
2.1抽提物木材中的抽出物主要为木材中少量的低分子成分，大部分储存于细胞间隙与细胞腔中，木材中所含抽提物的含量与种类因生长立地条件不同而有所差异。一般而言，冷水抽提物包含单宁、色素、生物碱(主要为它的盐类)，可溶性矿物成分及某些单糖；热水抽提物除含有上述成分外，还包含有淀粉和果胶质；1%NaOH抽提物除包含更多量的热水抽提物的各种成分外，还含有蛋白质、氨基酸、部分半纤维素、木质素的低聚物，以及少量油脂、蜡、树脂和香精油；苯、乙醇抽提物中，主要有树脂、蜡、脂肪、香精油、单宁、色素、部分碳水化合物和微量的木质素[7]。从表1可以看出原木试样的抽提物含量和一般阔叶木中所含结果没有多大区别。如表1所示，经过爆理后的试样抽出物含量均高于原木试样，这说明原木在高温和稀酸处理下组分发生了变化，特别是高分子化合物。如图1，从1%氢氧化钠抽提物的含量比原木提高了近20个百分点，热水抽提物是原木的一倍左右可以看出爆破预处理后半纤维素降解为一些小分子的有机物。而在菌处理的杨木中NaOH抽提物高达到59.7%，这说明细菌将木材中大分子有机物分解成低聚物，因此NaOH抽提物也可以作为判断木材是否腐朽的一个重要指标。从表1可以看出，对菌处理后的试样各抽出物含量均大于其他两项，这是因为菌处理使得大部分纤维素转化为乙醇和分解残留的小分子。菌处理后的木材的抽出物除原木中所含的少量成分外，有木材中的高分子降解后的低聚物，也有菌种在对木材作用后产生的代谢低分子产物以及部分培养菌种所必须的培养基溶液，使1%氢氧化钠抽提物的含量又提高了近20多个百分点。
2.2灰分灰分是树木生长不可缺少的营养成分，原木试样中的灰分为0.66%，属于阔叶材中灰分一般的树种，经爆理后，部分可溶性钾、钠盐灰分溶解在水中，剩下不溶的钙、镁盐类，所以这时的灰分有所降低。菌处理属于生物反应工程，灰分的存在对其会有一定的影响，控制一个适宜的环境对于反应过程至关重要。所以菌处理后的灰分又所增加，这是菌种在进行反应过程中产生了代谢产物以及加入了适宜菌种生存的培养基溶液造成的。
2.3半纤维素与纤维素木材细胞壁主要是由纤维素、半纤维素、木质素组成。纤维素和半纤维素是可供生物乙醇发酵的主要成分。蒸汽爆破预处理利用木材细胞壁组分在165℃会发生热解的原理，从而在高温高压酸性环境下加速这种热解反应，将部分纤维素和大部分半纤维素水解为五碳糖和六碳糖。如图2对比蒸汽爆破前后的半纤维素含量和热水抽提物含量，我们可以看出木材在酸性水蒸气的条件下，经过高温高压（3MPa、200ºC以上）处理使得原细胞壁被破坏，半纤维素基本被热水解，这就使得1%NaOH溶液和苯醇抽提物含量均比原木抽提物显著提高。蒸汽爆破将大量半纤维素水解为较小单元对后期菌处理有所贡献，在较大改变木材原结构的同时对纤维素的水解贡献大，适宜作为生物乙醇生产的预处理步骤。而经过菌处理后，木材的纤维素基本被酶水解，故抽提物含量也大大增加。纤维素的含量在经过蒸汽爆理后略有提高，这是由于蒸汽爆破将大部分半纤维水解并流失到溶液中，使得原料的质量减少而导致纤维素有所提高；而经菌处理后的试样纤维素含量显著降低而半纤维素基本没有减少，说明混合纤维素酶主要酶解的是纤维素。同时，由于随着纤维素酶解含量的降低使得基数变小，导致了酸不溶木素含量的增加。