【摘要】 在化学上，木质素是一种(可变)交联的多酚; 它是在多种化合物的自由基/氧化寡聚或聚合过程中产生的，这些化合物主要共享一个共同的对羟基肉桂骨架。

木质素是一种天然丰富的高分子材料。作为植物细胞壁的主要组成部分(见第2节) ，木质素几乎无处不在，估计每年约有200亿吨由植物产生; 这使得木质素成为地球上最常见的大分子系统之一。虽然木质素自然地总是与其他生物质成分混合在一起，但许多过程——例如提取多糖(主要是纤维素)来制造纸张或纺织纤维，或生产生物乙醇——提供木质素作为副产品，使其原则上可用于其他下游应用。例如，在2010年代中期，仅造纸/纸浆生产就生产了5000万至7000万吨木质素。越来越多的生物燃料的使用表明，生物乙醇的生产在不久的将来可以成为一个更大的木质素来源。

 

在化学上，木质素是一种(可变)交联的多酚; 它是在多种化合物的自由基/氧化寡聚或聚合过程中产生的，这些化合物主要共享一个共同的对羟基肉桂骨架。第三节特别关注木质素前体的特性和主导其聚合的机制，需要详细了解木质素为基础的材料(包括木材)的结构和性能合理化，并可能通过设计来设计它们。

 

尽管我们对木质素的合成、结构和天然作用有着相当好的理解，尽管它的用途非常广泛，但它的开发利用一直是一个问题。首先，它的化学特性(摩尔质量分布、单体组成和支化程度)变化很大，有时很难控制。其次，木质素一直被认为是一种低价值的废物材料: 它的热机械性能不吸引人，使其加工困难，尽管是一种天然材料，它的可降解性很差，也可以降低其连接的材料的可降解性，如多糖。事实上，木质素通常会降低它们在动物体内的消化率，而且一般会阻碍植物生物质通过(生物)化学方法或热解直接转化为生物燃料或糖。目前，只有大约2% 的生产出来的木质素被用于商业用途，主要用于特用化学品，而其余的木质素要么被焚烧，要么被添加到动物饲料中作为膨胀剂。

 

尽管存在这些问题，但其固有的可持续来源和低生产成本(从几十到几百美元/吨，取决于纯度)都是不可否认的优势和强大的驱动力开发新材料的基础上的木质素。另一个有利因素是，当木质素被用作增值材料的构件时，处理副产品的相关成本就消失了，这为这种观点带来了更多的经济意义。

 

以下几行列出了木质素加工的三种主要方法：

(A)设计木质化过程以改变木质素组成，从而改善其生产生物燃料的发酵能力或其在动物饲料中的消化能力，或使其更容易纳入生物材料。虽然这不是本文的重点，但是这些要点将在3.4节的末尾讨论。

(B)通过热，还原，氧化或碱性/酸催化解聚生产高(er)值化学品(例如香兰素，黄酮类化合物和许多其他(甲氧基)酚和儿茶酚以及非芳香族羧酸盐和酮)。在这里，这种方法没有详细讨论，我们建议读者参考最近的优秀和专业的评论。

(C)在各种材料中使用木质素(直接以其天然形式或在酚/醇 OH 基团化学衍生化后) ，其中木质素(1)经历显着的化学变化，例如通过石墨化转化为碳质材料; (2)成为高分子产品如聚氨酯的构件，然后进行自身的加工; 和(3)作为功能组分整合在纳米结构材料中。第四部分回顾了第三个案例，特别关注于赋予木质素最高附加值的应用领域，即医疗保健，能量储存和形状记忆材料。

 

1.Balk, M.; Sofia, P.; Neffe, A.T.; Tirelli, N. Lignin, the Lignification Process, and Advanced, Lignin-Based Materials. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 11668. https://doi.org/10.3390/ijms241411668.

 

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