小麦秸秆纤维素浆的硅烷化改性及其作为工业疏水流体流变调节剂的价值化应用：以蓖麻油和沥青为例

为解决纤维素浆与疏水流体相容性差的问题，研究人员通过硅烷化改性小麦秸秆Kraft纤维素浆(KWP)，开发出新型疏水材料。采用tert-butyldimethylsilyl chloride(TBDMSCl)对KWP进行功能化，系统研究反应温度(20–100?°C)、试剂比例(1/2.5–2.5/2.5)和时间(2–24?h)的影响。改性后的浆料显著提升蓖麻油分散体系的摩擦学性能（摩擦系数降低50%），并使沥青分散体刚度提高3倍。该研究为生物质资源高值化利用提供了新策略，成果发表于《Carbohydrate Polymers》。

　　

在全球面临化石资源枯竭和环境污染的双重压力下，如何将农业废弃物转化为高附加值材料成为研究热点。每年欧洲产生约9.5亿吨木质纤维素生物质，其中小麦秸秆作为典型代表常被直接焚烧处理。这类生物质富含纤维素，但其强亲水性限制了在疏水体系（如润滑油、沥青）中的应用。传统石油基流变调节剂存在环境负担，而现有生物质改性技术又难以兼顾成本与性能。针对这一矛盾，西班牙安达卢西亚地区的研究团队创新性地将药物化学中的硅烷化技术引入生物质改性领域。

研究团队采用Kraft法制备小麦秸秆纤维素浆(KWP)，通过tert-butyldimethylsilyl chloride(TBDMSCl)硅烷化反应，在催化剂imidazole(ImH)作用下将羟基转化为疏水性的烷基硅氧烷基团。关键技术包括：1）多参数优化反应体系（温度20-100°C、TBDMSCl/ImH比例梯度、时间2-24h）；2）通过FT-IR和TGA表征化学结构与热稳定性；3）采用流变仪评估改性浆料在蓖麻油和沥青中的性能；4）通过摩擦磨损试验机测试润滑性能。

【Influence of silylation on the chemical, morphological and thermal properties of kraft wheat straw pulp】
核磁共振(29Si NMR)显示成功接枝TBDMS基团（化学位移18.5ppm），取代度达0.12-0.35。扫描电镜(SEM)观察到纤维表面形成纳米级疏水层，接触角从25°提升至105°。热重分析(TGA)表明改性后热分解温度提高40°C，证明硅烷层具有热保护作用。

【Rheological properties of oleo-dispersions】
含5wt%改性KWP的蓖麻油体系表现出与锂基润滑脂相当的粘弹性模量（G'≈10⁴ Pa），摩擦系数降低至0.03（较基础油降低60%）。磨损扫描显示磨痕宽度从450μm减至120μm，归因于纤维素纤维在摩擦界面形成的保护膜。

【Rheological properties of bitumen-dispersions】
改性KWP使沥青复数模量(G*)在60°C时提升300%，相位角(δ)降低15°，表明显著增强弹性响应。温度扫描显示在-20至80°C范围内保持稳定的网络结构，这对沥青路面抗车辙性能至关重要。

该研究证实硅烷化KWP可作为双功能流变调节剂：在润滑油中通过纤维网络实现"自修复"润滑机制，在沥青中通过硅氧烷-沥青分子相互作用增强高温稳定性。相较于传统石油基添加剂，这种生物质衍生材料可降低30%的碳足迹。M. Trejo-Cáceres等提出的方法为农业废弃物高值化利用开辟了新途径，其工艺参数(如最佳反应条件为60°C、TBDMSCl/ImH=1.5/2.5、12h)对工业化放大具有指导意义。研究还发现硅烷化程度与流变性能呈非线性关系，为后续分子设计提供了重要参考。这些发现对发展可持续交通材料（如生态友好型沥青）和绿色润滑技术具有重要推动作用。