木质素电沉积制备有序分子膜的研究开题报告

1. 研究目的与意义

随着社会的发展，塑料制品已成为我们日常生活不可缺少的一部分，塑料袋、塑料薄膜随处可见。然而，塑料是由化石燃料提炼而成，属于不可再生资源，而且不可降解，给环境造成了很大的危害，所以，可再生且取之不尽的生物质资源便成为现如今的研究热点，使之制成的膜材料能够代替塑料应用于市场。目前，纤维素在制膜方面是一种应用最为广泛的生物质资源，纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物细胞壁的主要成，具有高分子量和规则的形状，应用于食品、医药、化工、建筑等各种领域，其中，在制备丝、膜、水凝胶、生物塑料和高性能材料上有显著优势。而作为生物质组成成分之一的木质素利用率却非常低，木质素存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁，为次生壁主要成分。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。由于自然界中木质素与纤维素、半纤维素等往往相互连接，形成木质素-碳水化合物复合体，故目前没有办法分离得到结构完全不受破坏的原本木质素。世界上每年通过光合作用生产约1500亿吨木质素，造纸工业每年生产约5000万吨左右的木质素，在工业上的利用还不到10%，其中大部分都被直接排放到自然环境中或焚烧掉。木质素是一种无定形的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物，它的结构不规则，存在许多极性基团，尤其是较多的羟基，造成了很强的分子内和分子间的氢键，从而使木质素不溶于任何溶剂，它的分子量也不能确定，使得目前对它的研究较少。并且木质素是一种聚集体，具有三维空间结构，不像纤维素是较为规则的线状结构，通过压制可以制成具有一定强度的产品。木质素虽然也可以通过压制等方法成为块状或者膜，但所成产品内部分布不规则，没有一定的强度，不能够运用到实际生活中。然而电沉积可以通过电场作用使物质有序排列，以此来增加产品的强度。

电沉积是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程，是金属电解冶炼、电解精炼、电镀、电铸过程的基础。在电沉积过程中，沉积层的形成包括两个过程：一是晶核的生成，二是晶核的成长。如果晶核的生成速度大于晶核的成长速度，则会在沉积层表面堆积大量的晶核，并且由于其相互之间的影响，导致晶粒的成长速度受到一定程度的抑制，从而获得晶粒细小且组织均匀致密的纳米薄膜材料。这些过程在一定的电解质和操作条件下进行，金属电沉积的难易程度以及沉积物的形态与沉积金属的性质有关，也依赖于电解质的组成、ph值、温度、电流密度等因素。目前，采用电沉积方法制备的金属纳米膜主要有银、铜、镉、镍、锗、金、铂、铑等。安茂忠等采用电沉积法在表面活性剂与电解液的界面上制备了银纳米膜，考察了槽压、电解液的浓度和温度及溶液的ph值对制备银纳米膜的影响。所以在电沉积过程中，有必要通过调整温度、电压等方式来制备出均匀密致的薄膜。电沉积法制备薄膜，相较于其他方法设备简单，通常在常温、常压下进行，生产成本低，又可以避免层间的热扩散，获得组成一定的单一组分。同时，电沉积可在大面积和复杂形状的零件上（单晶基体上）获得良好的外延生长层，而且金属的电沉积速度快，可以明显缩短制备时间，并且电沉积的过程中不涉及应力的变化，无形变产生，也不对工件本身的性能产生影响。

由上述可知，电沉积是在稳定的溶液或悬浮液中通过外加直流电场的作用，使无序的粒子能够有序的定向移动，并沉积在电极表面，制成一种薄膜材料。然而我们所用的木质素是不溶于水，且结构杂乱无章，并不能直接用来电沉积。因此有必要改性木质素以提高与天然或者合成聚合物的相容性，同时扩大木质素的应用范围。木质素的化学改性就是通过化学反应引入特定官能团，如简单的羟甲基、胺基、酚羟基、磺酸基等，或者采用接枝共聚方式引入一大段有机物，引入基团或者链段改善了木质素的物理化学性质，赋予了木质素在特定用途中的优异性能，也扩展了木质素的应用领域。其中，磺化反应是木质素应用的基础和前提，到目前为止，木质素的应用大都以木质素磺酸盐的形式加以利用。这样，木质素磺酸盐既可能够溶于水，又能够引入磺酸基团，使木质素拥有了极性，能够产生定向移动，为电沉积提供了方便的实验条件，使之能够制成可自支撑的木质素产品。

2. 研究内容和预期目标

1.对工业木质素进行磺化处理。

2.对改性后的木质素进行电沉积成膜，并对成膜条件进行分析；

3.利用xrd、sem、tem、dsc等分析手段，对木质素膜进行表征分析，再对木质素膜进行拉力耐久性测试，考察木质素膜的强度等物理性能；

3. 研究的方法与步骤

1.首先对工业木质素进行提纯，然后尝试用浓硫酸湿化反应对木质素进行改性，通过控制酸碱度、原料配比等条件得到具有定向性的木质素磺酸盐。

2.将得到的木质素磺酸盐通过搅拌的方式使之溶于超纯水中，插入ito玻璃电极,接通直流电源，开始进行电沉积。通过控制反应温度，ph，反应时间、电流强度等来让木质素在电极上形成密致的、具有自支撑性的薄膜。

3.通过xrd，sem、tem、dsc等方法对剥离后的薄膜进行结构和性能表征，并通过拉力测试测定其力学强度等性能。

4. 参考文献

[1]e.d.gomes,a.e.rodrigues. lignin biorefinery: separation of vanillin,vanillic acid and acetovanillone by adsorption[j].separation and purification technology,2019,216.

[2]merve menkuer,hatice ozkazanc.electrodeposition of polypyrrole on copper surfaces in oxa-dbsa mix electrolyte and their corrosion behaviour[j].progress in organic coatings,2019,130.

[3]王桂林.电沉积技术在合成纳米材料中的应用研究[j].煤矿机械,2003(11):27-28.

5. 计划与进度安排

1.2019-02-22～2019-03-07：查阅文献，了解课题背景，完成开题报告。

2.2019-03-08 ～2019-03-10：开展初步实验，熟悉木质素磺化的过程。

3.2019-03-11 ～2019-03-13：制备木质素磺酸盐，电沉积成膜。