“碳达峰、碳中和”战略的深入推进，使得传统的石油基材料正面临前所未有的挑战。从包装材料到能源存储，从建筑保温到橡胶轮胎，人们对可持续、环境友好型材料的需求正呈指数级增长。木质素作为一种在植物细胞中普遍存在的无定形且具有芳香基团的高分子聚合物，正凭借可生物降解、资源广泛、成本低、优良隔热性等优点，逐步走进科研人员和产业界的视野。接下来，小编将为大家简单介绍一下木质素及其复合材料。

（图源：济南圣泉）

什么是木质素？

木质素是自然界中含量仅次于纤维素的天然可再生资源，具有可降解、可再生、无毒无害、成本低等特点，是取代石油制备生物质基功能材料、化学品及生物质能源的理想原料。从化学结构上看，木质素是由愈创木基丙烷（G）、紫丁香基丙烷（S）和对羟苯基丙烷（H）3种结构单元通过醚键和碳碳键连接而成的芳香族聚合物，它含有丰富的官能团，包括脂肪族羟基、酚羟基及甲氧基等，这些官能团在很大程度上影响着木质素的反应活性及化学性质，甚至对木质素的性能起着决定作用。它们可以通过羟甲基化反应、胺化反应、硝化反应、磺化反应等，引入不同的功能基团，从而使木质素拥有抗氧化、抗菌、抗紫外线、吸附、催化等特性。然而，目前木质素的利用率极低，大部分被作为燃料直接燃烧或当作废弃物排放，不仅造成了资源的浪费，还对环境造成了一定的污染。因此，如何高效利用木质素资源成为当前研究的热点之一。

木质素结构及含有的主要化学键（图源：文献1）

木质素基复合材料

原始木质素虽然功能丰富，但其分子量大、结构不均一、反应活性较低，直接应用往往效果不佳。因此，科研人员通常将其与其他材料复合，或对其进行改性后使用，以充分发挥其潜力。

1、物理共混复合材料

木质素常以颗粒、纤维的形式分散于淀粉、植物蛋白、壳聚糖、PLA、PVA、PCL、PBS等材料中，并在其中起增强、抗紫外、抗氧化、阻燃的作用。其刚性芳香结构可显著提升复合材料的机械强度，其疏水性和紫外吸收特性能够改善基体材料的耐水性和光稳定性，其固有的抗菌和抗氧化特性能够为复合材料提供附加功能。

研究表明，木质素的引入能够使复合材料性能获得显著改善。如弹性模量提升20%-50%、吸水率降低30%-60%、紫外屏蔽率>90%、抗菌率>80%。这些优异的性能使木质素基物理共混材料在绿色包装、生物医学、阻燃材料、农业地膜等多个领域展现出极大的应用潜力。

2、化学改性功能材料

由于木质素独特的三维交联网络结构和丰富的分子内/间氢键作用，使得传统工业提取的木质素存在水溶性差、黏度过高、分子质量分布不均以及分散性差等问题。为克服这一问题，研究人员开发了一系列创新的化学改性策略。

（1）通过选择性解聚反应调控分子质量和黏度；

（2）利用分子设计在新位点引入特定功能基团；

（3）通过羟基的选择性、功能化精确调控材料的亲疏水平衡；

（4）采用先进的接枝共聚技术构建稳定的聚合物杂化结构。

这些改性方法不仅显著改善了木质素的加工性能，更拓展了其应用边界，为开发高性能木质素基复合材料、环保胶黏剂和功能性涂层等产品奠定了坚实的科学基础。

3、纳米结构材料

纳米技术的进步使木质素纳米颗粒（LNP）的研发与应用受到广泛关注，其中木质素基可降解材料的研发尤为引人注目。这类材料不仅继承了木质素本身优异的生物降解性和可再生特性，更通过纳米技术赋予其更出色的机械性能和功能特性，通过调控LNP的尺寸分布和表面化学性质，显著提升材料的降解性和环境适应性，使其在包装材料、农用薄膜等一次性制品领域展现出传统塑料无法替代的巨大潜力。这类绿色环保的新型材料为实现可持续发展提供又一可行方案。

木质素液化反应机理（图源：文献：2）

注：(a)溶剂热液化，(b)羟甲基化，(c)使用环氧丙烷进行氧烷基化(氧丙基化)，(d)使用碳酸乙烯酯进行氧烷基化

应用

1、环保胶黏剂与绿色包装

木材加工和人造板行业是三醛类胶黏剂的消耗大户，甲醛释放问题一直是行业痛点。木质素基胶黏剂的出现为此提供了理想的解决方案。通过酚化、脱甲基化或羟甲基化改性，木质素的反应活性得以提升，可以部分甚至完全替代苯酚用于酚醛树脂的合成。这类胶黏剂不仅甲醛释放量极低，其胶合强度也能满足国家标准，真正实现了从“石化”到“生物基”的跨越。

在包装领域，木质素的疏水改性是其另一大看点。华南理工大学和南京林业大学的研究者通过将碱木质素与棕榈酰氯、硬脂酰氯进行酯化反应，成功合成了木质素脂肪酸酯。将此改性木质素喷涂于原纸表面，可形成具有类花瓣状微纳粗糙结构的超疏水涂层，其静态接触角超过150°，滚动角低至3.5°，同时兼具自清洁功能，为开发可降解的高端防水包装纸提供了新思路。

木质素基胶粘剂制备流程图（图源：文献3）

2、高性能储能器件

木质素的高含碳量（>60%）使其成为制备碳材料的优质前驱体。通过高温热解和活化，木质素可以转化为具有高比表面积和多级孔结构的碳材料，广泛应用于超级电容器和电池电极。除此之外，还可以通过杂原子掺杂（如氮、磷、硫等）和孔道调控来优化电化学性能。无论是作为超级电容器的电极材料，还是作为锂/钠离子电池的负极材料，木质素基碳材料都展现出了媲美甚至超越传统炭黑的潜力，为实现低成本、高性能、可持续的储能器件提供了可能。

南京林业大学的研究团队指出，氮掺杂可以在碳骨架中引入赝电容活性位点，磷掺杂可以扩大碳层间距促进离子传输，而氮/磷双掺杂则能产生协同效应，使材料的比电容大幅提升。例如，以离子液体-木质素溶液为前驱体制备的氮/磷双掺杂碳微球，比电容可达338.2F/g，且循环稳定性优异。

掺杂碳材料（图源：文献4）

3、功能化工程材料

在土木工程领域，木质素同样可以大显身手。有研究表明，将木质素纤维与水泥复合使用，可以有效改良天然土体的工程性能。当木质素纤维掺量为2.0%时，改良土的抗压强度提升约39%，黏聚力提升82.4%，动剪切模量提高33.8%，同时材料的延性也得到显著改善。这种绿色改良材料在地基处理与边坡加固中具有广阔的应用前景。

在机械润滑领域，木质素可以作为锂基润滑脂的高效添加剂。研究发现，添加10%的木质素可将润滑脂的热分解温度提升至374.9℃，磨损体积减少60%。这得益于木质素颗粒对摩擦微裂纹的填充作用以及其酚羟基与金属表面的吸附成膜效应。

不同润滑脂木质素组合物磨损表面的扫描电子显微镜照片（图源：文献5）

小结

除了上述应用，木质素还在废水处理（吸附重金属离子和染料）、土壤改良（调控碳氮循环）、石油开采（制备Pickering乳液清洗原油）以及生物医学（抗菌、抗紫外线）等多个领域展现出极大的潜力。然而，目前木质素仍面临一些挑战：不同来源的木质素结构差异大，导致产品性能不稳定；高效的分离纯化与化学改性技术成本较高；大规模、连续化的生产工艺尚未完全成熟。未来，随着绿色化学、分子模拟以及人工智能等技术的介入，我们有理由相信，木质素会在“双碳”时代焕发出璀璨的生机，成为人类迈向可持续发展道路上的关键基石。

参考文献：

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2、陈育瀚,梁静怡,邱文莲,等.木质素基聚氨酯隔热泡沫的研究进展与展望[J/OL].广东工业大学学报.

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