1.生物質材料的定義

生物質材料是指由動物、植物及微生物等生命體衍生得到的材料，主要由有機高分子物質組成，在化學成分上生物質主要由碳、氫、氧三種元素組成。由于是動物、植物及微生物等生命體衍生得到，未經化學修飾的生物質材料容易被自然界微生物降解為水、二氧化碳和其他小分子，其産物能再次進入自然循環，因此生物質材料具備可再生和可生物降解的重要特征。

常見的生物質材料有木材、稭稈、竹材、澱粉、樹皮、纖維素、木質素、半纖維素、蛋白質、甲殼素等。

常見的生物質材料

目前許多文獻和教科書存在多個與生物質材料相關或相近的概念，主要有生物體材料、生物材料、天然高分子材料、生态材料、生物基材料等，它們的含屬關系如下圖所示。

各種與生物質材料相關或者相近材料的含屬關系示意圖（圖中每個圓代表一類材料，圓大小不代表材料份額比例）

2.生物質材料的分類

（1）按來源分類

• 植物基生物質材料，是指由植物衍生得到的生物質材料（如纖維素、木質素、澱粉、植物蛋白、果膠、木聚糖等）或直接利用具有細胞結構的植物本體作為材料（如木材、 稭稈、藤類、樹皮等）。
• 動物基生物質材料，是指由動物衍生得到的生物質材料（如甲殼素、殼聚糖、動物蛋白、透明質酸、紫蟲膠、核酸、磷脂等）或直接利用具有細胞結構的動物的部分組織作為材料（皮、毛等）。
• 微生物基生物質材料，是指通過微生物的生命活動合成的一類可生物降解的聚合物，如出芽黴聚糖、凝膠多糖、黃原膠、聚羟基烷酸酯、聚氨基酸等。

（2）按組分分類

• 均質生物質材料，所謂的均質指每個生物質材料分子都具有相同或相似的化學結構組分，例如纖維素、木質素、半纖維素、澱粉、蛋白質、木聚糖、甲殼素、殼聚糖、核酸黃原膠、聚羟基烷酸酯等，它們的特征是結構已知或者用化學結構式可以表達。對于均質生物質材料有可分為均聚型生物質材料（如纖維素、聚木糖等）和共聚型生物質材料（如海藻酸鈉、半纖維素等）。
• 複合生物質材料，指材料中同時含有兩種以上的結構單元而組成不同的分子，是混合物或複合體，如木材、稭稈、樹皮、毛等。

（3）按所含化學結構單元分類

• 多糖類生物質材料，指分子的結構單元有吡喃糖基或/和呋喃糖組成的有機高分子物質，如纖維素、半纖維素、澱粉、木聚糖、魔芋葡甘聚糖、甲殼素、殼聚糖、黃原膠等。
• 蛋白質類生物質材料，指分子的結構單元含有肽鍵（由一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基反應形成的酰胺鍵）的有機高分子物質，如大豆蛋白、絲蛋白、膠原、角蛋白、酪蛋白、藤壺膠、明膠、透明質酸等。
• 核酸類生物質材料，是由核苷酸聚合而成的大分子，它是構成生命現象非常重要的一種高分子，主要指核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）。
• 脂質類生物質材料，指分子的結構單元含有有機酯鍵的有機高分子物質，它包含由動物體内衍生出的脂質（如磷脂、神經磷脂、糖脂、紫膠等）和通過微生物的生命活動合成出的聚酯（聚3-羟基丁酸、聚3-羟基戊酸等）。
• 多酚類生物質材料，指分子的結構單元含有豐富的酚基或者酚的衍生物，如木質素、大漆（中華漆）、單甯等。
• 聚氨基酸類生物質材料，指分子的結構單元含有一種氨基酸形成的酰胺鍵的有機高分子物質，如聚γ-谷氨酸、聚ε-賴氨酸。
• 綜合類生物質材料，指材料或分子中同時含有兩種以上不同類别的化學結構單元，如皮革中的硫酸膚質蛋白是由硫酸膚質與非膠原蛋白通過共價鍵結合而得，阿拉伯樹膠是由多糖和阿拉伯膠糖蛋白組成，木材和稭稈是由多糖類（纖維素、半纖維素）和多酚類（木質素）生物質材料複合而成。

3.生物質材料的一般特性特征

• 生物質材料都含有碳、氫、氧三種元素，部分生物質材料還可能含有氮、硫、鈉等元素。
• 生物質材料的種類多、分布廣、儲量豐富。
• 生物質材料與合成高分子材料相比，都具有較好的生物降解性，絕大部分生物質材料在自然環境中很快被微生物完全降解為水、二氧化碳和其他小分子。
• 生物質材料能夠再生。
• 生物質材料能夠進行與功能基相關的聚合物化學反應。
• 水分對生物質材料的性能影響明顯。
• 生物質材料通常是多組分伴生。
• 生物質材料的結構和性能變異大。
• 生物質材料提取、加工和利用相對困難。

4.生物質材料的應用

生物質材料已得到廣泛的應用。像合成高分子材料一樣，生物質材料可以制成塑料、纖維、塗料、粘結劑、功能材料和複合材料等，應用在生産生活的各個領域中。生物質材料的利用方法主要有如下四個方面：

• 直接利用。通過物理或機械加工，直接将生物質材料制成各種産品，如将棉花紡線，再制成布匹、紗布等；将木材制成各種實木家具、飾品等。
• 改性利用。基于生物質材料所含的功能基，通過聚合物化學反應，制備出化學結構和性能與反應前不同的材料，這是生物質材料應用的主要方法。主要的聚合物化學反應有衍生化、接枝、交聯等。

由玉米澱粉等生物材料制成的誘蟲闆基材，綠色環保，使用完畢後降解為生物肥，重新進入生态循環

• 複合或共混。将一種生物質材料與另一種生物質材料或者合成高分子材料通過複合或共混的方法，制備具有更好品質的新材料，如将澱粉添加到聚乙烯中，制成澱粉共混型聚乙烯農用薄膜，使之具有一定的生物降解性；将木質素在偶聯劑存在下與聚乙烯複合，制得的木質素-聚乙烯複合材料不僅成本降低，還能提高力學強度和熱穩定性。
• 轉化利用。在熱、催化劑存在下，将生物質材料轉化成分子量較小的化工原料，如将木材、木質素、單甯、澱粉、樹皮等在苯酚或聚乙二醇存在下液化，轉變為活性基團更多、分子量小的産物。這些産物可被用作制備塑料、泡沫、膠黏劑等高分子材料。此外，通過裂解或發酵，将生物質轉化為燃油、燃氣、乙醇等能源材料也是生物質材料的一種轉化利用方法。

生物質燃料

5.發展生物質材料的意義

生物質材料資源豐富，來源廣泛，并且可以可再生和生物降解，在将來不僅可以替代合成高分子材料，還可以保護環境，節約其他資源，支撐人類的可持續發展。因此發展生物質材料有兩個重要意義，一是保護人類賴以生存的自然環境，二是替代以石油、煤炭等化石資源為原料的合成高分子材料。

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