漆酶介體體系活化木質(zhì)素制備環(huán)保型纖維板及其性能表征1)

張永明　郭明輝　　　　　　　　　李傳明

(生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)　　　(吉林省天橋嶺林業(yè)局)

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漆酶介體體系活化木質(zhì)素制備環(huán)保型纖維板及其性能表征1)

張永明郭明輝李傳明

(生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，哈爾濱，150040)(吉林省天橋嶺林業(yè)局)

以木纖維為基體，漆酶-HBT介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨(LMS/AL)為黏合劑制備環(huán)保型纖維板(LMS/ALF)，利用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射儀(XRD)和環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)分別分析材料的化學組分、結(jié)晶度和微觀形貌，并通過正交試驗對漆酶用量、介體用量、活化時間和溫度4個工藝參數(shù)進行優(yōu)化。結(jié)果表明，最優(yōu)的工藝參數(shù)為漆酶添加量20 U/g，介體添加量0.3%，活化時間60 min，活化溫度50 ℃。在此最優(yōu)工藝條件下制備的環(huán)保型纖維板，與采用漆酶活化木質(zhì)素磺酸銨為黏合劑制備的中密度纖維板(Lac/ALF)相比，內(nèi)結(jié)合強度提高了16.67%，靜曲強度提高了20.35%，彈性模量提高了7.96%，吸水厚度膨脹率降低了12.95%，其力學性能均已達到GB/T 11718—2009中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板的性能要求。

漆酶介體體系；木質(zhì)素磺酸銨；環(huán)保型纖維板；工藝參數(shù)；性能表征

We developed a highly effective method for preparing environment-friendly medium density fiberboard (MDF) with high performance, using ammonium lignosulfonate modified by laccase-HBT mediator system (LMS/AL) and natural wood fiber as wood adhesives and raw materials. We analyzed the LMS/AL, MDF and the fractures in the bonded joints by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and environmental scanning electron microscopy (ESEM) and the optimal modifying parameters were researched by orthogonal test. The optimal modifying parameters were 20 U/g of laccase dosage, 0.3% of mediator dosage, 60 min of activation time and 50 ℃ of activation temperature, and the performance of MDF using LMS/AL as adhesives improved significantly than that of MDF using ammonium lignosulfonate modified by laccase (Lac/ALF) only as adhesives.

近年來，隨著礦物質(zhì)資源的減少，以石油等不可再生資源為原料的膠黏劑的價格開始不斷上漲，人們已經(jīng)開始關注游離甲醛對人體的危害，開發(fā)利用可再生的生物質(zhì)資源作為膠黏劑制備綠色環(huán)保型木質(zhì)基復合材料已成為研究熱點[1-2]。工業(yè)木質(zhì)素是造紙制漿廢液中主要的副產(chǎn)品，根據(jù)工藝的不同可將其分為木質(zhì)素磺酸鹽、水解木質(zhì)素、堿木質(zhì)素和新型制漿法木質(zhì)素4大類[3]。工業(yè)木質(zhì)素具有來源廣泛，價格低廉等優(yōu)點[4-5]，在減水劑[6]、分散劑[7]、木陶瓷[8-9]和膠黏劑[10]等方面有應用。早期研究人員對木質(zhì)素的改性研究主要集中在物理和化學方法上，進入20世紀后，隨著生物酶技術的快速發(fā)展，國內(nèi)外一些科研人員開始研究利用漆酶催化活化木質(zhì)素作為膠黏劑制備環(huán)保型木質(zhì)復合材料[11-12]，但在研究中發(fā)現(xiàn)漆酶的氧化還原電勢≤0.8 V，而非酚型木質(zhì)素的氧化還原電勢>1.3 V，導致漆酶很難直接氧化非酚型的木質(zhì)素[13]。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，添加一定量的介體可提高漆酶對非酚型木質(zhì)素的催化氧化能力，介體包括天然形成的介體和人工合成的介體兩大類，其中常用的天然介體包括丁香醛和香草醛等，常用的人工介體包括1-羥基苯并三唑(HBT)和2,2’-聯(lián)氮雙(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)等[14]。圖1所示為漆酶介體體系催化氧化木質(zhì)素的原理示意圖，在氧化態(tài)漆酶的作用下，介體將會氧化木質(zhì)素。目前關于漆酶介體體系催化活化木質(zhì)素方面的研究還不夠完善，特別是應用在木質(zhì)材料方面的研究更少，還需要進一步的探索研究。

筆者采用漆酶-HBT介體體系對木質(zhì)素磺酸銨進行活化，然后與木纖維混合均勻，并添加石蠟防水劑，采用平壓法制備環(huán)保型中密度纖維板，通過正交試驗確定其最佳工藝參數(shù)。同時利用傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射儀(XRD)和環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)分別對材料的化學組分、結(jié)晶度和微觀形貌進行分析表征，為漆酶介體體系活化工業(yè)木質(zhì)素制備環(huán)保型纖維板提供一定的參考和理論依據(jù)。

圖1　漆酶介體體系催化氧化木質(zhì)素的原理

1　材料與方法

1.1材料

漆酶，酶活性值1 953 U/g(前期試驗已測)，工業(yè)級，純度99%，購于湖北只啟生物有限公司；1-羥基苯并三唑(HBT)，純度98%，購于西格瑪奧德里奇中國有限公司(Sigma-Aldrich中國)；木質(zhì)素磺酸銨，工業(yè)級，固體質(zhì)量分數(shù)為95.12%，水不溶物<2%，購于武漢華東化工有限公司；木質(zhì)纖維為雜木纖維，組分為東北地區(qū)落葉松(Larixgmelinii)、楊木(Populusspp.)和紅松(Pinuskoraiensis)等，纖維形態(tài)為20～80目，含水率低于6%，購于大興安嶺恒友家具集團有限公司；冰醋酸(AR)和醋酸鈉固體(AR)，購于天津市科密歐化學試劑有限公司；液體石蠟(AR)，購于揚州市領航化工有限公司。

1.2方法

1.2.1漆酶-HBT介體體系活化木質(zhì)素磺酸銨的制備

稱取一定質(zhì)量未經(jīng)過處理的木質(zhì)素磺酸銨，將其溶于pH為5的醋酸—醋酸鈉緩沖溶液中，配置成質(zhì)量分數(shù)為25%的木質(zhì)素磺酸銨溶液；按順序添加一定質(zhì)量的HBT介體和漆酶，完全溶解后移至恒溫水浴鍋中。在一定溫度下進行攪拌，攪拌速率為200 r/min；同時不間斷地通入空氣，使漆酶能夠更加充分地催化氧化木質(zhì)素磺酸銨。反應結(jié)束后，在高溫條件下使漆酶失去活性，得到漆酶介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨(LMS/AL)，以漆酶活化后的木質(zhì)素磺酸銨(Lac/AL)作為參照樣。

1.2.2正交試驗設計

在查閱相關文獻和前期試驗的基礎上設計正交試驗，以漆酶添加量(相對于絕干木質(zhì)素)，介體添加量(相對于絕干木質(zhì)素)、活化時間和溫度為影響因素，每個因素分別選取3個水平，進行L9(34)正交試驗，因素和水平設計見表1。以內(nèi)結(jié)合強度、靜曲強度、彈性模量和吸水厚度膨脹率4項力學性能指標為標準，按照重復試驗分析方法對試驗結(jié)果進行極差分析和方差分析，分別確定在4項理化性能指標下各因素的主次順序和最優(yōu)工藝條件，并分析各因素影響的顯著性。

表1　正交試驗因素水平

1.2.3環(huán)保型中密度纖維板的制備

本試驗采用平壓法，首先將木纖維(WF)原料加入混合機中進行高速攪拌一定時間，對木纖維進行細化加工。然后將質(zhì)量分數(shù)為25%的木質(zhì)素磺酸銨(添加量為絕干木纖維的20%)溶液緩慢加入木纖維中，添加液體石蠟防水劑(添加量為絕干木纖維的1%)，進行混合攪拌，將混合均勻的物料鋪裝于模具中。模具幅面尺寸為200 mm×200 mm，經(jīng)預壓后，按照預先設定的熱壓工藝曲線進行熱壓成型，制備環(huán)保型中密度纖維板Lac/ALF和LMS/ALF。其目標厚度為5 mm(采用厚度規(guī)控制)，目標密度為0.8 g/cm3，熱壓前板坯含水率為22%。環(huán)保型纖維板的熱壓工藝曲線見圖2，最高壓力為8 MPa，低壓分別為5、3 MPa，總熱壓時間為9 min，溫度為170 ℃。

圖2　環(huán)保型纖維板熱壓曲線

制備的環(huán)保型纖維板需要經(jīng)過一定時間的平衡處理，使其性能趨于穩(wěn)定，然后嚴格按照國家標準GB/T 17657—2013的要求制備樣品，測定纖維板的4項理化性能。

1.2.4木質(zhì)素磺酸銨及環(huán)保型中密度纖維板檢測

采用美國尼高力公司的Magna-IR6700E.S.P型傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)對Lac/AL和LMS/AL的化學組分進行分析，儀器分辨率設置為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次。將試樣放在樣品臺的金剛石ATR附件上，調(diào)節(jié)壓力塔至合適的位置，測定得出試樣的紅外光譜圖。采用日本理學公司生產(chǎn)的D/MAX2200型X射線衍射儀(XRD)測定纖維板Lac/ALF和LMS/ALF的結(jié)晶度，波長0.154 nm，管電壓40 kV，掃描范圍5°～50°，測量方式為θ/2θ連動掃描，掃描速度為5°/min，掃描布距為0.02°，根據(jù)Segal法通過公式計算得出纖維板的相對結(jié)晶度。采用美國FEI公司的Quanta200型環(huán)境掃描電子顯微鏡(ESEM)對纖維板Lac/ALF和LMS/ALF微觀形貌進行分析，樣品尺寸約為6 mm×6 mm×1 mm方片，試樣噴鍍金層后觀察其微觀形貌。

2　結(jié)果與分析

2.1環(huán)保型中密度纖維板制備工藝的優(yōu)選

經(jīng)過測定得出環(huán)保型中密度纖維板的力學性能，然后按照重復性試驗對正交試驗結(jié)果進行極差分析(表2)和方差分析(表3)，確定在4項理化性能指標下各因素的主次順序，各因素影響的顯著性順序從大到小依次為D、A、C、B。這說明漆酶對溫度很敏感，在適宜的溫度下漆酶才能表現(xiàn)出較大的酶活性值，并在一定介體用量下才能更高效地催化氧化底物。

本試驗主要以纖維板的內(nèi)結(jié)合強度和吸水厚度膨脹率作為主要的理化性能指標，并考慮原材料的成本，經(jīng)過綜合分析確定制備環(huán)保型中密度纖維板的最佳工藝條件為A2B2C2D3，即漆酶添加量為20 U/g，介體添加量為0.3%，活化時間為60 min，溫度為50 ℃。

表2　正交試驗結(jié)果的極差分析

注：環(huán)保型纖維板內(nèi)結(jié)合強度的最小值和最大值分別為0.47、1.27 MPa，靜曲強度的最小值和最大值分別為28.9、43.5 MPa，彈性模量的最小值和最大值分別為2 599.7、3 876.4 MPa，吸水厚度膨脹率的最小值和最大值分別為22.5%和34.5%。

表3　正交試驗結(jié)果的方差分析

注：F0.05(2，9)=4.26，F(xiàn)0.01(2，9)=8.02；*表示因子的作用顯著，F(xiàn)>F0.05；** 表示因子的作用高度顯著，F(xiàn)>F0.01。

2.2驗證試驗

在最優(yōu)工藝條件下制備3組LMS/ALF，并以相同的木質(zhì)素磺酸銨添加量和熱壓工藝條件制備3組Lac/ALF，分別測定纖維板的力學性能并取其平均值。如表4所示，與Lac/ALF相比，LMS/ALF的內(nèi)結(jié)合強度提高16.67%，靜曲強度提高20.35%，彈性模量提高7.96%，吸水厚度膨脹率降低12.95%，其力學性能均已達到GB/T 11718—2009中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板性能要求。

試驗結(jié)果說明：漆酶-HBT介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨更加有利于木纖維之間的黏結(jié)，這是由于活化后的木質(zhì)素磺酸銨產(chǎn)生了更多的自由基。自由基與自由基之間發(fā)生耦合，從而使木纖維之間黏結(jié)的更加牢固，同時纖維板LMS/ALF的力學性能也有了明顯的提高。

表4　環(huán)保型纖維板力學性能測定結(jié)果

2.3木質(zhì)素磺酸銨的化學組分分析

圖3是木質(zhì)素磺酸銨(Lac/AL和LMS/AL)的紅外光譜圖，可以看出兩者之間有明顯的差別。3 400～3 200 cm-1為O—H伸縮振動峰范圍[15]，與Lac/AL相比，LMS/AL在3 223 cm-1處的羥基特征吸收峰強度明顯減弱。這是由于HBT介體在漆酶的作用下，生成高活性的硝基自由基，而后硝基自由基通過氫原子轉(zhuǎn)移的方式對木質(zhì)素磺酸銨中的羥基進行氧化生成自由基[16](見圖4)。自由基與自由基之間發(fā)生耦合，最終導致活化后木質(zhì)素磺酸銨中的羥基數(shù)量減少，這與纖維板吸水厚度膨脹率的測定結(jié)果相一致。

與Lac/AL相比，LMS/AL在1 570 cm-1處苯環(huán)骨架結(jié)構的伸縮振動特征吸收峰增強，這是由于HBT介體中存在苯環(huán)結(jié)構，使木質(zhì)素磺酸銨在1 570 cm-1處的峰值增強，同時說明在反應過程中苯環(huán)結(jié)構沒有受到漆酶介體體系的影響。LMS/AL在1 328 cm-1處紫丁香基的C—O伸縮振動增強，可能是在反應過程中，漆酶-HBT介體體系將木質(zhì)素磺酸銨中部分愈創(chuàng)木基轉(zhuǎn)化為部分紫丁香基[17]，也可能是反應過程中，木質(zhì)素磺酸銨中的部分酚羥基發(fā)生了醚化反應，最終以醚鍵連接聚合在一起[18]。

圖3　木質(zhì)素磺酸銨的紅外光譜圖

圖4　漆酶介體體系活化木質(zhì)素產(chǎn)生自由基示意圖

LMS/AL在923 cm-1和880 cm-1兩處的吸收峰均有變化，這是由于苯環(huán)上取代基發(fā)生變化所引起的，說明在反應過程中，漆酶-HBT介體體系也可以催化氧化木質(zhì)素磺酸銨中的苯環(huán)側(cè)鏈取代基[19]。

2.4環(huán)保型中密度纖維板的結(jié)晶度分析

木纖維的結(jié)晶度與木質(zhì)材料的力學性能有緊密的聯(lián)系，通常情況下，木質(zhì)材料的力學性能將會隨著結(jié)晶度的增加而提高。圖5中3種材料LMS/ALF、Lac/ALF和WF均在16°及22.6°兩處出現(xiàn)明顯的結(jié)晶衍射峰，它們分別對應于纖維素I型(101)晶面及(002)晶面的衍射吸收峰[20]。

圖5　試樣LMS/ALF、Lac/ALF和WF的XRD衍射圖

一種材料的相對結(jié)晶度可以定量地反應其結(jié)晶程度的大小[21]。通過Segal法計算出3種材料LMS/ALF、Lac/ALF和WF的相對結(jié)晶度分別為76.64%、68.76%和65.25%，LMS/ALF的相對結(jié)晶度略高于Lac/ALF，這與正交試驗中環(huán)保型纖維板的物理力學性能測定結(jié)果相一致。主要原因：經(jīng)過漆酶-HBT介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨產(chǎn)生了更多的活性氧自由基(包括苯氧自由基、羥基自由基等)，自由基之間發(fā)生了共價連接，從而提高了纖維板的相對結(jié)晶度和力學性能(見圖5)。LMS/ALF和Lac/ALF的相對結(jié)晶度均高于WF的主要原因：在長時間的高溫和高壓作用下，一方面可能由于纖維素分子鏈的部分無定型區(qū)發(fā)生水解，使纖維素的結(jié)晶度增大；另一方面可能由于纖維素中的極性羥基彼此靠近并結(jié)合，導致纖維素結(jié)晶區(qū)增加，結(jié)晶度增大。

2.5環(huán)保型中密度纖維板的微觀形貌分析

通過圖6可以看出，兩種纖維板的木纖維在經(jīng)過熱壓成型后均由管狀變成扁平狀，纖維之間相互交織，并未出現(xiàn)明顯的結(jié)團現(xiàn)象。經(jīng)過對比可知，Lac/ALF的木纖維之間存在一定的空隙，結(jié)合不是特別緊密，纖維被剝離的較多，可見纖維之間的結(jié)合強度不是特別高。而LMS/ALF的木纖維分散比較均勻，結(jié)合比較緊密，并且能夠明顯發(fā)現(xiàn)木纖維自身發(fā)生了撕裂，在高倍鏡下，木纖維自身撕裂情況更加清晰可見?？捎^察到木質(zhì)素磺酸銨較均勻地分散于木纖維上，形成粗糙的“膠層”[22]，說明經(jīng)過漆酶介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨具有更高膠接強度，能夠使木纖維之間結(jié)合的更加緊密，在宏觀上表現(xiàn)為LMS/ALF的力學強度有所提高。

3　結(jié)論

通過正交試驗對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，確定以漆酶-HBT介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨為黏結(jié)劑制備環(huán)保型中密度纖維板的最優(yōu)工藝參數(shù)：漆酶添加量為20 U/g，介體添加量為0.3%，活化時間為60 min，溫度為50 ℃。按照此工藝制備的環(huán)保型中密度纖維板(LMS/ALF)的內(nèi)結(jié)合強度為0.91 MPa，靜曲強度為42.87 MPa，彈性模量為3 865.13 MPa，吸水厚度膨脹率為22.45%，其力學性能均達到GB/T 11718—2009中干燥狀態(tài)下使用的普通型中密度纖維板的性能要求。

采用現(xiàn)代儀器分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過漆酶-HBT介體體系活化后的木質(zhì)素磺酸銨羥基數(shù)量減少，這與纖維板吸水厚度膨脹率的測定結(jié)果相一致。與Lac/ALF相比，LMS/ALF的相對結(jié)晶度有所增大，但木質(zhì)纖維素的晶型結(jié)構保持不變，在電鏡下可觀察到明顯的木纖維自身撕裂，從微觀角度詮釋了LMS/ALF的力學性能高于Lac/ALF的原因。

圖6　環(huán)保型中密度纖維板剝離面的表面形貌圖

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Performances of Environment-friendly Fiberboard Prepared by Laccase-mediator System Modified Ammonium Lignosulfonate//

Zhang Yongming, Guo Minghui

(Key Laboratory of Bio-Based Material Science and Technology of Ministry of Education, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China); Li Chuanming(Tianqiao Forestry Bureau of Jilin Province)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(2)：56-60.

Laccase-mediator system； Ammonium lignosulfonate； Environment-friendly fiberboard； Processing parameters； Characterization of performance

張永明，男，1989年9月生，生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，碩士研究生。E-mail：804900934@qq.com。

郭明輝，生物質(zhì)材料科學與技術教育部重點實驗室(東北林業(yè)大學)，教授。E-mail：gmh1964@126.com。

2015年6月25日。

TS653.6

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404506)。

責任編輯：戴芳天。