木质素因其独特的结构和性质成为近年来研究的焦点。木质素是地球上含量最丰富的天然芳香族聚合物，全球年产量约1.5~1.8亿吨。提高木质素的利用率，在推动能源可持续发展、助力双碳目标的实现以及提升经济效益等方面，均具备不容忽视的重要价值。
木质素的分类方式有很多种，常见的分类方式是按照其来源进行分类，可分为软木木质素、硬木木质素和草本木质素等。木质素是自然界中唯一具有芳香结构的、可再生的天然高分子化合物，属于非结晶性物质。这些官能团的存在使得木质素具有一定反应活性，可与多种聚合物结合，赋予其抗氧化、抗紫外、抗菌等性能，为其在高分子材料中的高值化利用提供了可能性。
图源：Valmet
1、木质素结构和性能
木质素是植物界中仅次于纤维素的一类最丰富和最重要的有机高聚物，主要来源于植物、木材、秸秆等物质。木质素主要由碳、氢、氧3种元素组成，其中含碳量达60%~66%，含氢5.0%~6.5%。其基本结构如下图所示。
木质素的3种结构
木质素的应用主要体现在两大方面：一方面，木质素可以直接与基体混合使用，无需进行任何化学修饰，保留其原始的化学结构和特性。另一方面，通过对木质素进行化学修饰，改变其部分结构或引入新的官能团，然后再与基体混合，从而拓宽其应用范围，并增强其与机体的相容性和功能性。若不经过化学修饰，木质素具有类受阻酚结构，能够稳定多种体系中的自由基，可以作为抗氧化剂，提高聚合物的耐候性；另外木质素的芳香环及含氧官能团结构，在高温条件下可以形成多孔炭材料，能够作为阻燃剂与聚合物结合。
由于木质素独特的三维网状结构并含有羰基、甲氧基及羟基等活性官能团，通过对其实施化学改性，可使其作为胶黏剂、抗菌剂、抗紫外剂等与高分子材料结合、应用。不同来源的木质素在结构和化学组成上可能存在差异，从而影响其性能。
2、木质素在聚合物中的应用
2.1木质素的抗氧化性能
木质素的抗氧化机理
木质素中的酚羟基具有氧化还原特性，在清除自由基、淬灭单线态氧或分解过氧化物方面起着至关重要的作用。某些合成材料，如塑料和橡胶，当暴露于光和热等各种条件下时，会产生活性自由基，发生降解、开裂、褪色等其他老化现象。由于酚羟基的存在，木质素主要作为一种抗氧化剂进入合成材料。木质素主要的抗氧化机理为氢原子转移（HAT）、质子耦合电子转移（PCET）和分布质子电子转移（SPLET），如下图所示。
木质素抗氧化能力机制
木质素作为抗氧化剂的应用
在研究中通过改性，引入一些具有更强抗氧化能力的官能团或结构以提高木质素的抗氧化活性。提高木质素抗氧化活性的方法一般有：化学改性、纳米化、分析纯化等。
以下是其主要应用方向及优势：
01.食品工业
02.橡胶与高分子材料
03.生物医药领域
04.环境修复
2.2木质素作胶黏剂
胶黏剂可以根据其原材料是否具备生物降解性，分为石油基胶黏剂和生物质基胶黏剂两大类。石油基胶黏剂因其卓越的粘接性能、出色的耐候性、耐化学性和耐热性，长期以来在建筑、汽车、电子和家具等众多领域得到广泛应用。但石油基胶黏剂原料依赖石油等不可再生能源，在生产和使用过程中会释放出大量挥发性有机化合物（VOC），对环境和人体健康都有一定的危害。
因此，生物基胶黏剂逐渐成为人们关注的重点。木质素因其独特的化学结构和官能团而展现出优异的胶黏性能，同时具有生物降解特性，使其在胶黏剂领域具有广阔的应用前景。而且木质素作为胶黏剂可以有效的利用资源，保护环境，降低生产成本，推动相关技术的创新和发展，为胶黏剂行业的发展提供新的思路和方法。
01. 木材加工领域
02. 水性聚氨酯胶黏剂
03. 其他胶黏剂改性
04. 生物复合材料
2.3木质素的阻燃性能
木质素阻燃机理
木质素的芳香环结构和高碳含量使其具有较高的热稳定性和残炭率。当材料燃烧时，木质素会受热分解，并开始炭化，形成一层炭质层。随后炭质层膨胀，形成多孔的膨胀弹层，阻止热量传递和氧气供应，从而阻断聚合物基体与火之间的接触。因此，木质素可以用于聚合物阻燃方面。木质素作为阻燃剂主要有2种形式：一是物理协同阻燃，二是化学改性阻燃。
木质素物理协同阻燃
物理协同阻燃，即通过物理作用，如混合、包裹、阻隔等，将2种或2种以上的阻燃剂复配在一起，以提高阻燃效果的方法。木质素在阻燃体系中可作为优良的成炭剂，制成性能优异的生物质基环保材料。其方法有木质素阻燃、木质素复配阻燃和木质素协同阻燃3种。
木质素化学改性阻燃
由于木质素热稳定性较差，阻燃效率低，不含磷、氮等阻燃元素，与聚合物的相容性差，因此，通常采用化学改性的方法，将阻燃元素或基团巧妙地引入到木质素的分子结构中，从而开发出性能卓越的木质素基阻燃剂。
木质素化学改性一般包括：氮或磷改性木质素、氮和磷改性木质素、含金属离子的氮和磷改性木质素以及有机硅改性木质素。
应用场景：
木质素基阻燃剂已应用于环氧树脂、聚氨酯、聚乳酸、聚丙烯等材料的阻燃改性，可有效提高这些材料的阻燃等级（如达到UL-94 V-0级），同时保持材料的力学性能和生物降解性。
2.4木质素的紫外阻隔性能
木质素的紫外吸收能力主要源于其结构中特定的发色基团。这些发色基团包括与芳香环共轭的碳碳双键、甲基醌和醌类结构、查尔酮结构，以及自由基和儿茶酚结构。而且苯丙烷单元、酚羟基和3D网络结构的存在赋予了木质素一定的抗紫外辐射属性。
木质素在紫外防护领域的研究，主要焦点在于提升塑料制品的抗光老化性能、优化防晒用品的效果以及增强农药的光稳定性，防止其因光照而分解。
木质素基功能材料在阻隔包装纸中的应用
2.5木质素的抗菌性能
研究表明，木质素及其衍生物对多种致病菌具有广泛的抗菌作用，包括金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等。这种抗菌的多效性凸显了木质素作为一种环保且具有成本效益的聚合物的潜力，具有广泛的抗菌应用，例如表面涂层、纺织品、生物医学工程和食品包装。
木质素的抗菌活性主要是由于其结构中存在酚类化合物，如木质素多酚，具有疏水性，能够使细菌细胞膜和线粒体上的磷脂结构分开，破坏细胞结构，增强细胞膜通透性，这会导致细胞内离子和其他物质的泄露，最终可能导致细菌细胞死亡。此外，除了直接破坏细胞结构外，木质素还可能通过影响细菌的代谢过程来抑制其生长和繁殖，其酚类化合物可以通过穿透细胞和改变pH值来干扰细菌内ATP的产生。木质素及其衍生物的抗菌机制如下图所示。
木质素纳米颗粒的作用机制
而在实际应用中，木质素往往与其他抗菌成分（如纳米银、壳聚糖等）复合使用，形成复合抗菌材料。这些复合材料能够发挥多种抗菌机制的协同作用，进一步增强抗菌效果。
3 结语
面对不可逆转的石油资源枯竭和化石燃料消耗带来的环境污染等紧迫挑战，寻找可替代的、可持续的能源和材料成为科学界和工业界的重要课题。木质素作为一种广泛存在于植物细胞壁中的天然高分子化合物，因其独特的化学结构和丰富的储量，逐渐进入人们的视野，且木质素的高值化利用已成为日益重要的关注点。
木质素独特特性使其能够应用于其他领域，如塑料工业、食品包装、化妆品、水凝胶、组织工程和生物医学应用，这是实现木质素的高值化利用的绝佳机会。
此外，木质素的功能化改性技术也面临诸多挑战。木质素结构复杂，官能团众多，如何在改性过程中有效控制反应条件、避免副反应的发生、提高改性木质素的性能和稳定性，是当前亟待解决的问题。同时，改性木质素的成本和环保性也是影响其商业化应用的重要因素。
目前，全球多家公司已尝试开发商业规模的木质素产品。挪威化学公司 Borregaard ASA 开发了一系列木质素产品，包括乳液稳定剂、粘合剂、分散剂、晶体生长调节剂和络合剂。瀚森在利用木质素部分替代酚类用于绝缘泡沫、模塑料和粘合剂方面也取得了实质性进展。其他大公司，如亨斯曼、中国石化和Rampf Holdings，也利用木质素作为部分多元醇替代剂的工艺并申请了专利。