论文标题：Relationship Between Density and Structure of Lignins Obtained from Different Feedstocks Pretreated with Protic Ionic Liquids

论文链接：https://www.mdpi.com/2227-9717/13/6/1848

期刊名：Processes

期刊主页: https://www.mdpi.com/journal/processes

研究概述

木质素是自然界储量最丰富的芳香族聚合物，被视为生物炼制中极具潜力的可再生碳源。尽管它在高性能树脂、碳纤维、复合材料等领域前景广阔，但目前超过98%的工业木质素仅被用作燃料燃烧，高值化利用严重受限。一个长期被忽视的关键因素是：木质素的基础物理性质数据——尤其是密度——严重缺乏，而这直接影响其在加工、复合、输送等工程环节中的性能调控与工艺设计。

近日，英国伦敦帝国理工学院 Jason Hallett 教授的研究团队在 Processes 期刊发表重要研究成果，首次系统测定了不同类型木质素的密度，并揭示了其化学结构与物理性能之间的内在关联。通过离子液体预处理技术，研究人员成功实现了对木质素密度的定向调控，为木质素在复合材料、生物燃料、碳纤维等高附加值领域的应用提供了科学依据与技术路径。

研究过程与结果

研究团队为系统揭示木质素密度与其结构及制备工艺间的内在关联，选取了具有代表性的桉木（硬木）、云杉（软木）和小麦秸秆（草本） 作为原料，并平行对比了传统工业提取法（Kraft法、苏打法） 与新兴的绿色离子液体法（ionoSolv法，采用[DMBA][HSO₄]）。建立了多维度的系统表征方案：采用氦气比重计与质量-体积法分别精确测定了木质素的骨架密度与体积密度；运用2D-HSQC-NMR 与 ³¹P-NMR 深度解析了其化学结构（如S/G单元比例、关键连接键类型及羟基官能团含量）；并结合激光粒度分析与预处理严重度参数（R₀、H因子），将工艺条件与最终物性进行了系统关联。

该研究取得了以下核心发现：首先，明确了木质素的密度基本范围：骨架密度分布于1.34–1.46 g/cm³，而体积密度跨度更大（0.09–0.53 g/cm³）。其次，揭示了原料与工艺的明确效应：硬木木质素的骨架密度普遍高于软木；而采用离子液体法提取的木质素，则呈现出独特的高骨架密度、低体积密度特征，暗示其内部具有更发达的孔隙结构。

不同木质素的骨架密度与体积密度的实验值。

更重要的是，研究清晰地建立了构效关系：木质素密度与其S/G单元比例及β-β′/β-5′等缩合连接键的含量呈正相关，而与β-O-4′连接键的断裂（即解聚过程）呈负相关。最终，这些关联被量化为明确的工艺调控路径：木质素密度与预处理严重度参数（R?）显著相关，这直接证明，通过精确调控提取的工艺条件，可以实现对木质素这一关键物性的定向设计。

骨架密度随预处理严重度参数（R₀）的变化趋势图，清晰展示了工艺条件的调控作用

研究总结与展望

本研究通过系统的实验设计与多尺度表征，首次完整建立了木质素的“化学结构—提取工艺—宏观密度”之间的定量构效关系，填补了该领域长期存在的关键物性数据空白。研究成果不仅证实了利用离子液体预处理工艺对木质素密度进行可控调节的可行性，更为其在高性能颗粒燃料、树脂复合材料、多孔吸附载体等下游应用中的材料设计提供了直接的理论与数据指导。展望未来，结合更多元化的生物质原料、干燥方式及成型工艺的深入研究，将有望构建更为完善的木质素“结构-性能-应用”数据库，最终推动木质素从“炼厂副产品”真正转变为性能可预测、可定制的“绿色工程材料”，显著提升生物炼制全链条的经济效益与可持续性。

Processes 期刊介绍

主编：Prof. Dr. Giancarlo Cravotto, University of Turin, Italy

Processes 专注于过程工程和系统工程领域，主题内容涵盖化学、生物、材料、环境、能源、食品、制药、制造、自动化控制等相关过程工程方向。目前已被Scopus、SCIE (Web of Science)、Ei Compendex, CAPlus/SciFinder、Inspec 等数据库收录。