第八章-其他生物质材料

生物质材料主要内容 第一章第一章 绪论绪论 第二章第二章 纤维素基材料纤维素基材料 第三章第三章 木质素木质素 第四章第四章 木材木材 第五章第五章 淀粉基材料淀粉基材料 第六章第六章 甲壳素基材料甲壳素基材料 第七章第七章 蛋白质基材料蛋白质基材料 第八章第八章 其他生物质材料其他生物质材料 第八章 其他生物质材料 环糊精 竹材 树皮 农作物秸秆8.1 环糊精（1）环糊精的结构环糊精是环糊精是环糊精葡萄糖转位酶环糊精葡萄糖转位酶（由嗜碱性杆菌在中性或碱（由嗜碱性杆菌在中性或碱性条件下制造的一种碱性淀粉酶）作用于淀粉的产物。是性条件下制造的一种碱性淀粉酶）作用于淀粉的产物。是由由六个以上葡萄糖六个以上葡萄糖以以 -1,4-糖苷键糖苷键连结的连结的环状寡聚糖环状寡聚糖。最常见的是最常见的是 -环糊精、环糊精、 -环糊精、环糊精、 -环糊精，分别由六个、环糊精，分别由六个、七个和八个葡萄糖分子构成，是相对大和相对柔性的分子。七个和八个葡萄糖分子构成，是相对大和相对柔性的分子。环糊精分子呈环糊精分子呈锥柱状锥柱状或或圆锥状圆锥状花环，有许多可旋转的键和花环，有许多可旋转的键和羟基，内有一个羟基，内有一个空腔空腔，表观外型类似于接导管的橡胶塞。，表观外型类似于接导管的橡胶塞。8.1 环糊精环糊精的“空腔”结构8.1 环糊精（2）环糊精的性质环糊精对热、酸、碱的稳定性 环糊精像淀粉一样，可以贮存多年不变质。环糊精像淀粉一样，可以贮存多年不变质。 环糊精在碱乃至强碱性溶液中都是稳定的，但酸可使环糊环糊精在碱乃至强碱性溶液中都是稳定的，但酸可使环糊精部分水解生成葡萄糖和系列非环麦芽糖。精部分水解生成葡萄糖和系列非环麦芽糖。 环糊精没有一定的熔点，在约环糊精没有一定的熔点，在约200时开始分解。引进修时开始分解。引进修饰基团后能提高环糊精的热稳定性。饰基团后能提高环糊精的热稳定性。环糊精的化学反应活性 环糊精分子内含有伯羟基和仲羟基，可以发生化学反应。环糊精分子内含有伯羟基和仲羟基，可以发生化学反应。8.1 环糊精环糊精的结晶与吸湿性 环糊精具有良好的结晶性：环糊精具有良好的结晶性： -环糊精环糊精/I2-KI（蓝（蓝-黑色板状黑色板状正六边形或黑色长针状晶体）；正六边形或黑色长针状晶体）； -环糊精环糊精/I2-KI形成（棕形成（棕黄黄-黄棕色短针状晶体）；黄棕色短针状晶体）； -环糊精环糊精/I2-KI（棕黄色小方块（棕黄色小方块状晶体）。状晶体）。 环糊精不具有吸湿性，但易形成各种稳定的水合物。环糊精不具有吸湿性，但易形成各种稳定的水合物。环糊精的溶解度 不同晶形的环糊精在水中溶解度不同，不同晶形的环糊精在水中溶解度不同， -环糊精反常的低。环糊精反常的低。能溶解环糊精的有机溶剂也屈指可数。能溶解环糊精的有机溶剂也屈指可数。8.1 环糊精环糊精的包结性 环糊精环糊精-“主体主体”，空腔内的其他物质空腔内的其他物质-“客体客体” 包结作用力：包结作用力：l主体与客体之间的范德华引力主体与客体之间的范德华引力(偶极力、色散力、诱导力偶极力、色散力、诱导力)；l客体分子与主体羟基基团之间的氢键作用力；客体分子与主体羟基基团之间的氢键作用力；l客体与主体之间的库仑力；客体与主体之间的库仑力；l主体与客体之间相互作用的疏水力；主体与客体之间相互作用的疏水力；l主客体形成包合物时释放的高能水合张力能；主客体形成包合物时释放的高能水合张力能；l被客体取代释放出的水分子部分补偿了由于环糊精分子与被客体取代释放出的水分子部分补偿了由于环糊精分子与客体结合而引起的熵失。客体结合而引起的熵失。 8.1 环糊精（3）环糊精的修饰修饰环糊精：保持大环修饰环糊精：保持大环基本骨架不变基本骨架不变的情况下的情况下引入取代基引入取代基。修饰的目的修饰的目的 增加水溶性，特别是包结物的水中溶解度；增加水溶性，特别是包结物的水中溶解度； 在结合位附近构筑立体几何关系，形成特殊的手性位点；在结合位附近构筑立体几何关系，形成特殊的手性位点； 扩大结合空腔或者提供有特定几何形状的空间；扩大结合空腔或者提供有特定几何形状的空间； 构筑有特殊功能的超分子和自集成超分子聚集体；构筑有特殊功能的超分子和自集成超分子聚集体； 引入特殊原子或基团，构筑研究弱作用力模型；引入特殊原子或基团，构筑研究弱作用力模型； 融入高分子结构，获得有特殊性质的新材料。融入高分子结构，获得有特殊性质的新材料。8.1 环糊精（4）环糊精的应用环糊精的环糊精的包结技术是指一种分子被包结技术是指一种分子被包嵌于包嵌于另一种分子的另一种分子的孔孔穴结构内穴结构内，形成包结物形成包结物的技术。这种包结物是由的技术。这种包结物是由主分子主分子和和客分子客分子两种组分两种组分加合加合而成。而成。 环糊精的外缘亲水而内腔疏水，可以提供一个疏水的结合环糊精的外缘亲水而内腔疏水，可以提供一个疏水的结合部位，作为主体包结各种适当的客体，如有机分子、无机部位，作为主体包结各种适当的客体，如有机分子、无机离子以及气体分子等。这种选择性的包结作用即通常所说离子以及气体分子等。这种选择性的包结作用即通常所说的分子识别，其结果是形成主客体的包结物。的分子识别，其结果是形成主客体的包结物。环糊精包结物的制备方法：环糊精包结物的制备方法：共沉淀法共沉淀法、研磨法研磨法、冷冻干燥冷冻干燥法法、超声波法超声波法、喷雾干燥法喷雾干燥法等。等。 8.1 环糊精食品工业：包结香料、去除异味、改进食品的工艺和品质、食品工业：包结香料、去除异味、改进食品的工艺和品质、 防腐及包装防腐及包装化妆品及卫生用品：用作稳定剂、乳化剂、去味剂化妆品及卫生用品：用作稳定剂、乳化剂、去味剂纺织印染工业：芳香和消臭树脂、芳香纤维、着色材料纺织印染工业：芳香和消臭树脂、芳香纤维、着色材料环境保护：环境监测、有害物质的分离和消除环境保护：环境监测、有害物质的分离和消除农业：对春小麦、大麦、蔬菜的增产，农药的调节、增容农业：对春小麦、大麦、蔬菜的增产，农药的调节、增容 和长效作用，植物生长素和长效作用，植物生长素药物：药物载体、药物包结物药物：药物载体、药物包结物8.2 竹材8.2 竹材 概述竹类属竹类属禾本科竹亚科禾本科竹亚科，现已记载世界上竹类，现已记载世界上竹类70多属多属1200余种。余种。世界上竹林面积约世界上竹林面积约2200万万hm2，按地理分布可分为，按地理分布可分为亚太竹区亚太竹区、美洲竹区美洲竹区和和非洲竹区非洲竹区三大竹区。三大竹区。我国竹类种质资源丰富，有我国竹类种质资源丰富，有48属属500余种，主要分布于北纬余种，主要分布于北纬40 以南地区。一般可分为四个分布区，即以南地区。一般可分为四个分布区，即黄河黄河-长江竹区长江竹区，长江长江-南岭竹区南岭竹区，华南竹区华南竹区和和西南高山竹区西南高山竹区。现有竹林面积。现有竹林面积约约720万万hm2。我国竹类植物中，最大的竹子是云南的巨龙竹，其高我国竹类植物中，最大的竹子是云南的巨龙竹，其高25m，直径直径2024cm；竹材利用最广的是毛竹。毛竹是材质最好、；竹材利用最广的是毛竹。毛竹是材质最好、用途多、分布广的优良竹种。用途多、分布广的优良竹种。8.2 竹材 竹材的植物形态 竹秆是竹子的主体，即通常所称的竹材，多为圆柱形的有节壳竹秆是竹子的主体，即通常所称的竹材，多为圆柱形的有节壳体，可分为三部分：挺立于地上的部分称为体，可分为三部分：挺立于地上的部分称为直秆直秆或或秆茎秆茎；直秆；直秆在地面下或紧邻地表的部分为在地面下或紧邻地表的部分为秆基秆基；秆基之下紧接竹鞭或母秆；秆基之下紧接竹鞭或母秆的部分称为的部分称为秆柄秆柄，其中秆茎是加工利用的主体。，其中秆茎是加工利用的主体。 竹秆具有明显的竹秆具有明显的节节和和节间节间，不同竹种节数变异很大，节间长度，不同竹种节数变异很大，节间长度也因竹种而异。节间多为中空，周围的组织即竹壁。也因竹种而异。节间多为中空，周围的组织即竹壁。 8.2 竹材 竹材的宏观构造 竹材的宏观构造就是秆径竹壁在竹材的宏观构造就是秆径竹壁在肉眼下和放大镜下的构成，由竹肉眼下和放大镜下的构成，由竹皮、竹肉和髓外组织（髓环和髓）皮、竹肉和髓外组织（髓环和髓）组成。组成。 竹皮是竹壁横切面上见不着维管竹皮是竹壁横切面上见不着维管束的最外侧部分，髓外组织是竹束的最外侧部分，髓外组织是竹壁邻接竹腔的部分，也不含维管壁邻接竹腔的部分，也不含维管束；竹肉居竹皮和髓外组织之间，束；竹肉居竹皮和髓外组织之间，在横切面上有维管束分布，维管在横切面上有维管束分布，维管束之间是基本组织。束之间是基本组织。竹壁横切面宏观结构图竹壁横切面宏观结构图8.2 竹材 竹材的成分竹材和木材相似，竹材和木材相似，主要化学成分主要化学成分为有机组成，是天然的高为有机组成，是天然的高分子聚合物，主要由分子聚合物，主要由纤维素纤维素（约（约55%）、）、木质素木质素（约（约25%）和和半纤维素半纤维素（约（约20%）构成）构成 。纤维素、木质素和半纤维素在竹材中的分布并不均一，各纤维素、木质素和半纤维素在竹材中的分布并不均一，各种组分的含量都与取样部位、竹种、竹龄、产地等因素密种组分的含量都与取样部位、竹种、竹龄、产地等因素密切相关。切相关。 竹材的少量成分竹材的少量成分：可溶性的糖类、脂肪类、蛋白质类、部：可溶性的糖类、脂肪类、蛋白质类、部分半纤维素、灰分等。分半纤维素、灰分等。 8.2 竹材 竹材的物理性质竹材的竹材的密度密度：竹材的基本密度：竹材的基本密度0.40.8g/cm3，与维管束密，与维管束密度成正相关，并决定竹材的力学性质。竹材密度主要取决度成正相关，并决定竹材的力学性质。竹材密度主要取决于纤维含量、纤维直径及细胞壁厚度，随纤维含量增加而于纤维含量、纤维直径及细胞壁厚度，随纤维含量增加而增加。增加。竹材的竹材的干缩性干缩性：维管束中的导管失水后收缩而导致竹材收：维管束中的导管失水后收缩而导致竹材收缩，其收缩率比木材要小。竹材的干缩弦向、径向和纵向缩，其收缩率比木材要小。竹材的干缩弦向、径向和纵向具有各向异性。具有各向异性。干燥特性干燥特性：通常采用自然干燥法。：通常采用自然干燥法。竹材的竹材的吸水性吸水性：干燥的竹材吸水性强，吸水速度与竹材直：干燥的竹材吸水性强，吸水速度与竹材直径关系不大，但与长度有关。径关系不大，但与长度有关。8.2 竹材 竹材的力学性质竹材的力学强度：竹材力学强度主要有顺纹抗拉强度、顺竹材的力学强度：竹材力学强度主要有顺纹抗拉强度、顺纹抗压强度、顺纹抗剪强度以及静曲强度等。竹材的顺纹纹抗压强度、顺纹抗剪强度以及静曲强度等。竹材的顺纹抗拉强度和静曲强度比木材高，但因缺乏刚性受荷重后挠抗拉强度和静曲强度比木材高，但因缺乏刚性受荷重后挠度增加，易变形。抗剪强度较木材弱，竹材的横纹抗剪强度增加，易变形。抗剪强度较木材弱，竹材的横纹抗剪强度是其顺纹的度是其顺纹的3倍。倍。竹材强度变异：与竹材的维管束密度、含水率、竹龄、立竹材强度变异：与竹材的维管束密度、含水率、竹龄、立地条件、竹秆形态、部位有关。地条件、竹秆形态、部位有关。8.2 竹材 竹材的防护 物理法：浸渍、蒸煮、电磁波辐射、气调、干燥物理法：浸渍、蒸煮、电磁波辐射、气调、干燥化学法化学法 竹材用防腐剂：熏蒸剂、焦油型、油溶性和水溶性。竹材用防腐剂：熏蒸剂、焦油型、油溶性和水溶性。 处理方法处理方法 ：浸渍、喷雾、涂刷法、热冷槽法、树液置换：浸渍、喷雾、涂刷法、热冷槽法、树液置换法、扩散、活竹注射法、加压法法、扩散、活竹注射法、加压法 竹材的开发利用竹材人造板、竹纤维、竹浆造纸、药用及保健、竹制品竹材人造板、竹纤维、竹浆造纸、药用及保健、竹制品8.3 树皮 树皮的化学成分树皮浸提物：主要是脂类和蜡、萜类和树脂酸、植物甾醇树皮浸提物：主要是脂类和蜡、萜类和树脂酸、植物甾醇和毛地黄苷类、色素、黄烷醇及其聚合物、单宁、多元酚和毛地黄苷类、色素、黄烷醇及其聚合物、单宁、多元酚类、蛋白质、生物碱、维生素、碳水化合物和矿物质。类、蛋白质、生物碱、维生素、碳水化合物和矿物质。栓皮物质：由羟基酸类组成的栓皮酸和栓皮脂栓皮物质：由羟基酸类组成的栓皮酸和栓皮脂木素和酚酸木素和酚酸多糖类：纤维素和半纤维素等成分多糖类：纤维素和半纤维素等成分灰分灰分8.3 树皮 树皮的液化初期的木材液化通常是指在初期的木材液化通常是指在高温高压高温高压的液化下将木材转的液化下将木材转化为燃油的过程化为燃油的过程-油化。油化。在有机溶剂中，木材可以在比较在有机溶剂中，木材可以在比较温和温和的条件下液化，没的条件下液化，没有催化剂作用时，其液化温度一般是有催化剂作用时，其液化温度一般是240270，而在酸，而在酸催化剂存在下仅需催化剂存在下仅需80150即可液化。即可液化。 例如木材可以在苯酚、双酚例如木材可以在苯酚、双酚A等醇类；多元醇如等醇类；多元醇如1,6-己二己二醇、醇、1,4-丁二醇；氧化醚如甲基乙二醇乙醚、二甘醇、三丁二醇；氧化醚如甲基乙二醇乙醚、二甘醇、三甘醇、聚乙二醇、环己酮等溶剂中于甘醇、聚乙二醇、环己酮等溶剂中于250条件下反应条件下反应15180min液化。以磷酸、硫酸、盐酸、草酸、乙酸等液化。以磷酸、硫酸、盐酸、草酸、乙酸等酸作催化剂时，在常压和酸作催化剂时，在常压和120180条件下可使木材液化，条件下可使木材液化，而没有催化剂时则需而没有催化剂时则需250下才能液化下才能液化。8.3 树皮 树皮的利用制造树皮板制造树皮板 作为能源与热解的原料作为能源与热解的原料 用树皮制造堆肥用树皮制造堆肥 木栓制品木栓制品 提取栲胶提取栲胶 树皮药用树皮药用 胶粘剂及增充剂胶粘剂及增充剂韧皮纤维韧皮纤维吸附剂吸附剂 牲畜饲料牲畜饲料 食品食品 制作工艺品制作工艺品 桦皮漆片桦皮漆片 提取芳香油提取芳香油 提制橡胶提制橡胶 8.3 树皮 单宁单宁-二异氰酸酯合成生物降解性二异氰酸酯合成生物降解性聚氨酯弹性体。聚氨酯弹性体。 树皮树皮-二异氰酸酯合成生物降解性二异氰酸酯合成生物降解性聚氨酯材料。树皮含有纤维素和半聚氨酯材料。树皮含有纤维素和半纤维素，比纯粹的单宁聚氨酯弹性纤维素，比纯粹的单宁聚氨酯弹性体显示出更好的微生物降解性。体显示出更好的微生物降解性。单宁的结构单宁的结构8.4 农作物秸秆 概述秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在和其他农作物在收获籽实后剩余收获籽实后剩余的的含纤维成分很高含纤维成分很高的作物的作物残留物残留物。 稻草稻草、小麦秸小麦秸和和玉米秸玉米秸为三大农作物秸秆。为三大农作物秸秆。充分利用农作物秸秆资源不仅可以充分利用农作物秸秆资源不仅可以解决解决人造板人造板原料供应不原料供应不足足的问题，而且可以解决农作物焚烧带来的的问题，而且可以解决农作物焚烧带来的环境问题环境问题，还，还可以可以增加农民收入增加农民收入，具有，具有“环保环保+效益效益”的重大意义。的重大意义。8.4 农作物秸秆 秸秆的结构表皮组织、基本薄壁组织、维管束组织、纤维组织带表皮组织、基本薄壁组织、维管束组织、纤维组织带 12BA624365 芦苇秆横切面芦苇秆横切面(SEM25)1.外表皮膜及表皮细胞外表皮膜及表皮细胞 2.维管束维管束 3.薄壁细胞薄壁细胞 4.内表皮膜内表皮膜5. 纤维组织带纤维组织带 6.导管导管 A.横向切面横向切面 B.表皮部表皮部8.4 农作物秸秆 秸秆的化学组成农作物秸秆是由大量的农作物秸秆是由大量的有机物有机物和少量的和少量的无机物无机物及及水水组成，组成，有机物主要成分是纤维素类的碳水化合物，此外还有少量有机物主要成分是纤维素类的碳水化合物，此外还有少量的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可的粗蛋白质和粗脂肪。碳水化合物又由纤维素类物质和可溶性糖类组成。纤维素类包括纤维素、半纤维素和木质素溶性糖类组成。纤维素类包括纤维素、半纤维素和木质素等。除此之外还富含氮、磷、钾、钙、镁、硫等多种养分，等。除此之外还富含氮、磷、钾、钙、镁、硫等多种养分，是一种具有多种用途的可再生生物资源。是一种具有多种用途的可再生生物资源。有些秸秆外表含有有些秸秆外表含有硅硅和和生物蜡生物蜡，如麦秸、稻草、芦苇、竹，如麦秸、稻草、芦苇、竹材等，硅和生物蜡的存在会形成非极性的表层结构，直接材等，硅和生物蜡的存在会形成非极性的表层结构，直接影响胶粘剂的吸附和润湿，难以形成理想的胶接效果。影响胶粘剂的吸附和润湿，难以形成理想的胶接效果。8.4 农作物秸秆 秸秆的改性物理方法 J物理加工：碾磨、拉伸、压延、热处理物理加工：碾磨、拉伸、压延、热处理 J酸处理酸处理 J有机溶剂处理有机溶剂处理 J等离子体处理等离子体处理 J静电表面刻蚀静电表面刻蚀化学方法 J碱溶液处理碱溶液处理 J蒸气爆炸处理蒸气爆炸处理 J使用相容剂或偶联剂使用相容剂或偶联剂 J表面接枝法表面接枝法 8.4 农作物秸秆 秸秆的应用燃料燃料饲料饲料肥料肥料秸秆复合材料秸秆复合材料 ：塑料：塑料/秸秆复合材、玉米秆人造板、葵花秸秆复合材、玉米秆人造板、葵花秆人造板、棉秆人造板、秸秆层积材、秸秆水泥复合材料、秆人造板、棉秆人造板、秸秆层积材、秸秆水泥复合材料、秸秆石膏复合材料秸秆石膏复合材料