酶解木质素的活化及用于酚醛树脂的制备

摘要：分别用超声法和水热处理两种方法活化酶解木质素，处理后酶解木质素的重均分子量从2 844 g/mol分别降到2 189 g/mol和1 536 g/mol，而数均分子量从5 968 g/mol分别降到5 366 g/mol和2 558 g/mol；甲醛值从028 g/g分别提高到035 g/g和045 g/g。经过两种不同方法处理的木质素，分别替代50%的苯酚用于合成木质素基酚醛树脂。根据国家标准对两种木质素酚醛树脂的各项指标（包括固含量、粘度、游离酚含量、甲醛释放量和胶合强度等）进行分析，结果均符合国家一类胶的标准和要求。

关键词：

酶解木质素；超声活化；水热处理；活化；酚醛树脂

中图分类号：S 781文献标识码：A文章编号：1001-005X（2017）02-0064-04

引言

酶解木质素是生产燃料乙醇剩余废渣的主要成分[1]。以可再生的植物资源为原料生产燃料乙醇，在纤维素等多糖发生酶降解、发酵而得到利用的同时，产生了大量以木质素为主要成分的残渣，这部分木质素被称为酶解木质素[2]。酶解木质素在上述燃料乙醇生产过程中，没有经过高温、高压或酸、碱的处理，很好的保留了木质素的天然结构[3]，拥有较多的反应官能团（如酚羟基、苯环和醚键等）[4]。如果酶解木质素能得到合理的利用，不但对环境保护有很大的贡献，而且对燃料乙醇产业有较好的推动作用。

酶解木质素具有天然的芳香酚类结构，是很好的高分子原材料，可以部分取代石油化工产品（主要是苯酚）合成高分子材料[5-8]，减轻对石化资源的过分依赖。这些高分子材料主要包括酚醛树脂[9-11]、环氧树脂[12]、聚氨酯[13]和离子交换树脂[14]等。但是，酶解木质素分子量大、反应活性低，因此限制了其在材料合成中大量应用。

本研究主要采取超声法和水热法来活化酶解木质素，利用活化产物取代50%苯酚用于合成木质素基酚醛树脂胶黏剂，并对产物的各项指标（例如固含量、粘度、游离酚、甲醛释放量和胶合强度等）进行了分析检验。

1材料与方法

11原料

主要实验原料是玉米秸秆发酵制备燃料乙醇过程中产生的废渣[1]。此过程中，自然干燥的玉米秸稈被切割成5～10 cm，经过蒸汽爆破预处理后，通过同步发酵方法[15]，其中的纤维素转化为燃料乙醇，剩余废渣主要成分为酶解木质素。块状的废渣用粉碎机粉碎，用80目的筛子筛选，获得的废渣粉末待用。实验中用到的其它试剂均为分析纯级。

12木质素的提取

称取100 g 废渣粉末溶于1000 mL的1 mol/L NaOH水溶液中，充分搅拌使其均匀分散，之后用8000 r/min离心分离混合液，获得的溶液部分用05 mol/L H2SO4溶液将其pH 值调为2左右，产生的沉淀通过减压抽滤方法分离，最后得到的深褐色木质素置于50℃真空干燥箱里干燥24 h，除去水分。此产品定义为酶解木质素（CEL）[16]。

13酶解木质素的活化处理

131超声法活化

称取10 g酶解木质素溶解于1000 mL的02 mol/L NaOH 水溶液中，量取50 mL混合液置于超声波细胞破碎仪中，超声处理条件为：功率800W，超声时间20 min。处理后的溶液用02 mol/L HCl 溶液调节pH 值为2左右，产生的沉淀通过减压抽滤装置分离，并且置于50℃真空干燥箱中干燥24 h，获得超声法活化的酶解木质素

132水热法活化

称取30 g酶解木质素溶于300 mL水-乙醇共溶剂（v/v=1）中，充分溶解后，倒入500 mL容积的高温高压反应釜内，密封，设置反应温度和反应时间分别为250℃和60 min。反应结束后，将黑色混合液通过减压过滤分离得到溶液部分。溶液通过减压蒸馏方法除去溶剂，获得水热法活化的酶解木质素（HL）[18-21]。

14木质素的分子量分析

为了提高木质素在有机溶剂（四氢呋喃）的溶解性，用凝胶渗透色谱法（GPC）分析木质素的分子量之前，必须先对样品进行乙酰化处理[22]。木质素分子量测定是使用美国Agilent公司生产的1100型GPC液相色谱仪分析，流动相为四氢呋喃，流速为10 mL/min；进样量为50 μL；柱温30℃，标准样品为聚苯乙烯。

15与甲醛的反应能力（甲醛值）

由于木质素单元上能够与甲醛发生反应的位置被大量甲氧基占用，其反应活性远不及苯酚，活化产物木质素能否替代苯酚合成酚醛树脂，关键在于其与甲醛的反应能力。为此，本研究在对酶解木质素进行活化处理后，以甲醛值来表征产物的反应活性。

称取100 g木质素样品于试管中，加入10 mL的05 mol/L NaOH溶液和过量的甲醛溶液并密封好，然后放于80℃的恒温水浴锅里反应，期间不停地摇晃试管，2 h之后反应完成，取出样品测定游离甲醛的含量。游离甲醛含量的测定方法参照国家标准GB /T14074-2006 中木材胶黏剂中的测定方法。甲醛值按照公式（1）计算：

FV =（M0-M1）/W。（1）

式中：FV为甲醛值，g/g；M0为加入的甲醛量，g；M1为剩余的甲醛量，g；W为加入木质素样品的质量，g。

16酚醛树脂合成

之前的研究表明：废渣和提纯后的酶解木质素在以50%取代率合成树脂胶时，其胶合强度均低于国家标准[23]。所以本研究试图用超声处理和水热降解方法提高木质素反应活性，以50%取代苯酚的条件下合成木质素基酚醛树脂胶，保证其胶合强度符合国家标准。具体合成如下：

将苯酚或者木质素与甲醛按1∶2的摩尔比加入三口瓶，按苯酚替代率50%的比例添加SL和HL，加入适量NaOH和蒸馏水，合成木质素基酚醛树脂胶。具体合成分三步进行：①苯酚、木质素与1/3的甲醛和NaOH在80℃水浴锅中反应1 h；②再加入1/3甲醛和NaOH反应1 h；③加入剩余1/3甲醛和NaOH反应1 h，反应结束后将温度迅速降至40℃出胶，密封储存，待分析检测。

12木质素的提取

称取100 g 废渣粉末溶于1000 mL的1 mol/L NaOH水溶液中，充分搅拌使其均匀分散，之后用8000 r/min离心分离混合液，获得的溶液部分用05 mol/L H2SO4溶液将其pH 值调为2左右，产生的沉淀通过减压抽滤方法分离，最后得到的深褐色木质素置于50℃真空干燥箱里干燥24 h，除去水分。此产品定义为酶解木质素（CEL）[16]。

13酶解木质素的活化处理

131超声法活化

称取10 g酶解木质素溶解于1000 mL的02 mol/L NaOH 水溶液中，量取50 mL混合液置于超声波细胞破碎仪中，超声处理条件为：功率800W，超声时间20 min。处理后的溶液用02 mol/L HCl 溶液调节pH 值为2左右，产生的沉淀通过减压抽滤装置分离，并且置于50℃真空干燥箱中干燥24 h，获得超声法活化的酶解木质素（SL）[17]。

132水热法活化

称取30 g酶解木质素溶于300 mL水-乙醇共溶剂（v/v=1）中，充分溶解后，倒入500 mL容积的高温高压反应釜内，密封，设置反应温度和反应时间分别为250℃和60 min。反应结束后，将黑色混合液通过减压过滤分离得到溶液部分。溶液通过减压蒸馏方法除去溶剂，获得水热法活化的酶解木质素（HL）[18-21]。

14木质素的分子量分析

为了提高木质素在有机溶剂（四氢呋喃）的溶解性，用凝胶渗透色谱法（GPC）分析木质素的分子量之前，必须先对样品进行乙酰化处理[22]。木质素分子量测定是使用美国Agilent公司生产的1100型GPC液相色谱仪分析，流动相为四氢呋喃，流速为10 mL/min；进样量为50 μL；柱温30℃，标准样品为聚苯乙烯。

15与甲醛的反应能力（甲醛值）

由于木质素單元上能够与甲醛发生反应的位置被大量甲氧基占用，其反应活性远不及苯酚，活化产物木质素能否替代苯酚合成酚醛树脂，关键在于其与甲醛的反应能力。为此，本研究在对酶解木质素进行活化处理后，以甲醛值来表征产物的反应活性。

称取100 g木质素样品于试管中，加入10 mL的05 mol/L NaOH溶液和过量的甲醛溶液并密封好，然后放于80℃的恒温水浴锅里反应，期间不停地摇晃试管，2 h之后反应完成，取出样品测定游离甲醛的含量。游离甲醛含量的测定方法参照国家标准GB /T14074-2006 中木材胶黏剂中的测定方法。甲醛值按照公式（1）计算：

FV =（M0-M1）/W。（1）

式中：FV为甲醛值，g/g；M0为加入的甲醛量，g；M1为剩余的甲醛量，g；W为加入木质素样品的质量，g。

16酚醛树脂合成

之前的研究表明：废渣和提纯后的酶解木质素在以50%取代率合成树脂胶时，其胶合强度均低于国家标准[23]。所以本研究试图用超声处理和水热降解方法提高木质素反应活性，以50%取代苯酚的条件下合成木质素基酚醛树脂胶，保证其胶合强度符合国家标准。具体合成如下：

将苯酚或者木质素与甲醛按1∶2的摩尔比加入三口瓶，按苯酚替代率50%的比例添加SL和HL，加入适量NaOH和蒸馏水，合成木质素基酚醛树脂胶。具体合成分三步进行：①苯酚、木质素与1/3的甲醛和NaOH在80℃水浴锅中反应1 h；②再加入1/3甲醛和NaOH反应1 h；③加入剩余1/3甲醛和NaOH反应1 h，反应结束后将温度迅速降至40℃出胶，密封储存，待分析检测。

17树脂性能分析

木质素基-酚醛树脂胶的pH值、固含量、游离甲醛、游离酚含量和甲醛释放量均按GB/T 14732-2006和GB/T 9846-2015一类胶的标准测定。测试所用单板为15 mm厚的桦木单板，施胶量为280 g/m2，树脂胶的固化温度为145℃，压强为12MPa，热压时间为6 min，采用HY-0230型小型万能材料试验机（上海衡翼精密仪器有限公司）测定其力学性能。

2结果与讨论

21木质素分子量分析

乙酰化的木质素样品分子量测定结果见图1和表1。木质素样品的GPC 曲线可以分两部分，分别是低分子量部分（400～5000 g/mol）和高分子量部分（>5000 g/mol）。由图1可知：无论是超声法活化，还是水热法活化，产物分子量都比原料酶解木质素低，表1的数据也说明了这个结果。通过对比表1中的数据，可以发现SL的重均分子量和数均分子量都比HL相应的数值要高很多，这说明水热法活化对酶解木质素有更明显的降解效果。

22木质素的甲醛值

本研究以木质素样品的甲醛值（即：单位质量

木质素所能消耗甲醛的克数）变化来反映两种方法对木质素的活化效果。根据实验分析，在进行活化处理前，酶解木质素的甲醛值为028 g/g，经过超声法活化后，甲醛值提高到了035 g/g，反应活性为原来的125倍；水热法活化使木质素甲醛值提高到045 g/g，反应活性为原来的161倍。结合GPC分析结果，说明水热法比超声法对酶解木质素有更明显的降解作用，使产物分子量更小，空间位阻小，与甲醛反应时具有更高的反应活性。

23木质素基-酚醛树脂胶分析

表2分析结果表明：超声法活化木质素和水热法活化木质素替代50%苯酚合成的木质素基酚醛树脂，其pH值、固含量、粘度、游离酚含量、甲醛释放量和胶合强度等各项指标均符合国家一类胶的标准。其中游离苯酚含量仅为015%和016%，大大低于国家标准的上限要求6%。制成胶合板后，不仅胶合强度达到标准要求，而且甲醛释放量分别为06 mg/L和03 mg/L，分别达到了E1级和E0级人造板的要求。与之前的研究结论[23-26]对比发现：在胶合强度表现方面，经过超声处理和水热降解的酶解木质素更适合取代50%的苯酚合成木质素基酚醛树脂胶。对比50%SL-PF和50%HL-PF两种树脂胶，50%HL-PF甲醛释放量更低，这是因为水热法活化后的木质素具有更好的反应活性，能够消耗更多的甲醛。因此，替代50%苯酚合成的木质素基酚醛树脂甲醛释放量更低。

3結论

本研究以燃料乙醇生产残渣中提取的酶解木质素为原料，采用超声活化法和水热降解法处理酶解木质素。活化后的木质素具有较低的重均分子量和数均分子量，尤其是水热处理后的木质素分子量分别达到1 536和2 558 g/mol。与甲醛的反应活性实验表明：活化后木质素表现出较高的反应活性，其中水热处理木质素的甲醛值可达到045 g/g，反应活性为原来的161倍。活化后的木质素以50%的高比例替代苯酚合成了木质素基-酚醛树脂。50%木质素用量的酚醛树脂胶的各项指标都符合国家一类胶标准的要求。其中，50%HL-PF表现出更低的甲醛释放量。

【参考文献】

[1]Bialas W，Szymanowska D，Grajek W.Fuel ethanol production from granular corn starch using Saccharomyces cerevisiae in a long term repeated SSF process with full stillage recycling[J].Bioresource Technology，2010，101（9）：3126-3131.

[2]hgren K，Bura R，Saddler J，et al.Effect of hemicellulose and lignin removal on enzymatic hydrolysis of steam pretreated corn stover[J].Bioresource Technology，2007，98（13）：2503-2510.

[3]Doherty W O S，Mousavioun P，Fellows C M.Value-adding to cellulosic ethanol：Lignin polymers[J].Industrial Crops and Products，2011，33（2）：259-276.

[4]Yang H，Yan R，Chen H，et al.Characteristics of hemicellulose，cellulose and lignin pyrolysis[J].Fuel，2007，86（12）：1781-1788.

[5]乔吉超，胡小玲，管萍.酚醛树脂胶粘剂的研究进展[J].中国胶粘剂，2006，5（7）：45-48.

[6]马玉峰，王春鹏，许玉芝.酚醛树脂胶粘剂研究进展[J].粘接，2014，35（2）：33-39.

[7]徐鸽，严光宇.木质素用于制备人造板胶粘剂的研究[J].粘接，2008，29（5）：13-16.

[8]黄伣丽.木质素在胶粘剂中的应用研究进展[J].粘接，2010，31（3）：61-66.

[9]Zhang W，Ma Y，Xu Y，et al.Lignocellulosic ethanol residue-based lignin–phenol–formaldehyde resin adhesive[J].International Journal of Adhesion and Adhesives，2013，40：11-18.

[10]Jin Y，Cheng X，Zheng Z.Preparation and characterization of phenol–formaldehyde adhesives modified with enzymatic hydrolysis lignin[J].Bioresource Technology，2010，101（6）：2046-2048.

[11]Zhang W，Ma Y，Wang C，et al.Preparation and properties of lignin–phenol–formaldehyde resins based on different biorefinery residues of agricultural biomass[J].Industrial Crops and Products，2013，43：326-333.

[12]Sasaki C，Wanaka M，Takagi H，et al.Evaluation of epoxy resins synthesized from steam-exploded bamboo lignin[J].Industrial Crops & Products，2013，43（1）：757-761.

[13]Cinelli P，Anguillesi I，Lazzeri A.Green synthesis of flexible polyurethane foams from liquefied lignin[J].European Polymer Journal，2013，49（6）：1174-1184.

[14]Liang F B，Song Y L，Huang C P，et al.Synthesis of novel lignin-based ion-exchange resin and its utilization in heavy metals removal[J].Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52（3）：1267-1274.

[15]hgren K，Rudolf A，Galbe M，et al.Fuel ethanol production from steam-pretreated corn stover using SSF at higher dry matter content[J].Biomass and Bioenergy，2006，30（10）：863-869.

[16]Guo G，Li S，Wang L，et al.Separation and characterization of lignin from bio-ethanol production residue[J].Bioresource technology，2013，135：738-741.

[17]任世学，方桂珍.超声波处理对麦草碱木质素结构特性的影响[J].林产化学与工业，2005，25（S1）：82-86.

[18]Cheng S，Wilks C，Yuan Z，et al.Hydrothermal degradation of alkali lignin to bio-phenolic compounds in sub/supercritical ethanol and water–ethanol co-solvent[J].Polymer Degradation and Stability，2012，97（6）：839-848.

[19]Ma Z，Li S，Qiao W，et al.Hydrothermal Degradation of Enzymatic Hydrolysis Lignin in Water-Isopropyl Alcohol Co-Solvent[J].BioResources，2016，11（3）：6867-6879.

[20]Xu C C，Shao Y，Yuan Z，et al.Hydrothermal liquefaction of biomass in hot-compressed water，alcohols，and alcohol-water co-solvents for biocrude production[M].Application of Hydrothermal Reactions to Biomass Conversion.Springer Berlin Heidelberg，2014：171-187.

[21]Zhang J，Zhang Y.Hydrothermal liquefaction of microalgae in an ethanol–water co-solvent to produce biocrude oil[J].Energy & Fuels，2014，28（8）：5178-5183.

[22]Ben H，Ragauskas A J.NMR characterization of pyrolysis oils from Kraft lignin[J].Energy & Fuels，2011，25（5）：2322-2332.

[23]Wei Q，Li S，Guo G，et al.Synthesis and characterization of phenol-formaldehyde resin using enzymatic hydrolysis lignin[J].Journal of Industrial & Engineering Chemistry，2015，21（1）：1417-1422.

[24]張冠中，赵师辛，陈梦涵，等.碱木质素基活性炭的制备与孔结构特征[J].林业机械与木工设备，2017，45（2）：35-39.

[25]张建，李琴，袁少飞，等.重组竹材用酚醛树脂渗透性能研究[J].林业机械与木工设备，2015，43（2）：22-25.

[26]王春霞，崔立东，刘浩阳，等.间苯二酚改性酚醛树脂胶黏剂的研究[J].林业机械与木工设备，2014，42（1）：31-32.