木质素在纸张热压中的关键作用：分子模拟与实验研究揭示其软化机制与纤维键合增强效果

推荐：为解决木质纤维素材料湿强度不足的问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟和热压实验，系统研究了挪威云杉木质素在25-300°C和0-25 wt%水分条件下的变形行为。研究发现175°C以上木质素软化显著提升湿强度，揭示了木质素链扩散(D≈10-15-10-12 m2/s)和玻璃化转变温度(Tg)对纤维键合的调控机制，为优化木质素基材料在包装和结构领域的应用提供了理论基础。

　　

在可持续材料快速发展的今天，如何充分发挥天然木质纤维素纤维的潜力成为关键课题。传统纸板等纤维制品主要依赖纤维素纤维的固有特性，但其在湿润环境下强度骤降的缺陷严重限制了应用范围。这一瓶颈促使科学家们将目光投向木质素——这种自然界储量第二丰富的天然聚合物，其在热压过程中表现出的独特软化特性可能成为破解湿强度难题的关键。

瑞典皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)的研究团队在《Biomacromolecules》发表的重要研究，通过创新的分子模拟与实验验证相结合的方法，首次系统揭示了木质素在纸张热压过程中的分子机制。研究人员构建了基于挪威云杉磨木木质素(MWL)的精确分子模型，采用改进的LigninBuilder软件和CHARMM力场，模拟了128条26单体链在不同温湿度条件下的行为。实验部分则使用化学热机械浆(CTMP)制备纸页，在3.5 MPa压力下进行100-300°C热压，通过SEM、拉伸测试等手段系统表征性能变化。

研究首先通过分步冷却模拟获取了木质素的密度-温度曲线，采用双线性拟合、双曲T_g法和T_g-onset法三种方法确定玻璃化转变温度。扩散特性通过200 ns等温模拟计算均方位移获得，而力学性能则通过半各向同性压力耦合的变形模拟评估。实验方面，重点监测了不同初始含水量(7-25 wt%)和热压温度(100-300°C)对干/湿拉伸指数的影响，并通过氩离子研磨结合高分辨SEM观察纤维界面形貌变化。

4.1 实验结果

热压温度超过175°C时湿强度显著提升，260°C下湿压样品湿拉伸指数达25.7 N·m/g，比干压样品高21%。SEM显示260°C湿压样品纤维界面完全消失，形成均质结构。阿伦尼乌斯分析显示湿压活化能(42 kJ/mol)低于干压(55 kJ/mol)，证实水分促进木质素迁移。

4.2 分子模拟结果

密度分析显示木质素在5 wt%水分时出现反常致密化现象。T_g估算值从干态的145°C降至25 wt%水分时的约100°C。扩散模拟揭示木质素链段扩散系数(D_lignin)在500K达10^-12 m²/s，而水分子扩散系数(D_water)快3个数量级。力学模拟显示10 wt%水分下Young's模量从300K的2.2 GPa降至500K的0.1 GPa，呈现流体特性。

讨论与结论

该研究首次建立了木质素分子行为与宏观纸页性能的定量关联：当温度超过T_g时，木质素链段获得足够流动性(扩散系数>10^-15 m²/s)实现纤维间互扩散，冷却后形成"木质素胶接"结构。水分通过降低活化能(从55至42 kJ/mol)和T_g的双重作用促进该过程。这一发现不仅解释了传统热压工艺中175-220°C关键温度窗口的作用机制，更为设计新型生物基复合材料提供了分子层面的指导。研究发展的软木木质素模型还可拓展应用于生物粘合剂等领域，体现了多尺度研究在生物材料开发中的独特价值。