植物纤维是可再生、储量大的生物质资源,但作为作为天然复合高分子材料,植物纤维复杂致密的微纳结构严重限制了其高效、环保的资源化利用。超临界二氧化碳(Supercritical carbon dioxide,scCO2)处理技术是一种有效的物理-化学相结合的预处理技术,具有高效和环保等特点,其作为一种生物质资源预处理手段,已引起研究学者越来越多的关注。目前超临界二氧化碳处理技术主要应用在萃取和生物乙醇制备领域,然而不同应用领域对植物纤维预处理程度要求不一致,超临界二氧化碳对不同的植物纤维原料处理效果也存在明显差异。因此,研究超临界二氧化碳处理对植物纤维化学成分与结构的作用原理和影响规律对推进超临界二氧化碳预处理技术在制备纤维素纳米材料或植物纤维组分分离等领域的应用具有十分重要的意义。首先,本文对比了蒸汽、scCO2以及scC02协同蒸汽(SCS)对植物纤维气相爆破处理的效果及作用机制。以具有典型木本纤维结构的桉木为原料,考察了三种气相介质爆破预处理的桉木纤维的组织结构和化学成分的变化。结果表明,单纯scCO2爆破处理对桉木纤维破坏程度不如蒸汽爆破。而在SCS爆破处理中,scCO2与蒸汽形成碳酸促进半纤维素、木质素的降解;在scC02流体与蒸汽的作用下半纤维素和木质素的降解产物发生迁移与溶出;瞬间泄压时,由于细胞内外瞬间压差极高,大部分夹带降解物的流体从细胞壁上薄弱的纹孔膜处泄出,巨大的爆破力破坏细胞壁上的纹孔膜结构。因此,在scCO2与蒸汽的协同作用下,桉木纤维的破坏程度大大增强,三种气相爆破中,SCS爆破处理桉木纤维的比表面积和结晶度最大,半纤维素与木质素的降解、脱除效果好,材料的热稳定性明显增加。进一步采用正交试验方法对SCS处理桉木纤维的工艺条件进行优化,研究温度、压力、时间和液固比四个因素对桉木纤维微观形貌、比表面积、结晶度和热稳定性的影响规律。随着温度升高,蒸汽与scCO2形成的碳酸促进半纤维素与木质素的降解以及木质素的软化,细胞壁强度下降,因此快速泄压时对纤维结构破坏加剧,桉木纤维表面孔洞增大,同时无定形物质被部分脱除使得结晶度增加。随着时间增加,有利于半纤维素与木质素进一步降解与脱除,桉木纤维的结晶度增加,比表面积增大。压力增大,瞬间泄压时对纹孔膜的爆破力增大,桉木纤维表面的孔洞明显增大。在200℃,12MPa,液固比为10:1的条件下保压30min,处理后的桉木纤维表面孔径最大,结晶度、比表面积和热稳定性最高;比表面积从原料的0.74 m2/g增加到1.25 m2/g,结晶度从原料的58.4%提高至69.4%。scCO2和蒸汽形成碳酸可加速桉木纤维中半纤维素与木质素等无定形物质降解,使细胞壁的组织结构变得疏松,加入夹带剂乙醇水溶液(67%)形成共溶剂体系,可借助scCO2的萃取能力进一步提取分离桉木纤维化学组分。采用正交试验法,研究了温度、压力、萃取时间及液固比四个因素对木质素得率、残渣化学结构与性能的影响。影响scCO2乙醇木质素(SCEL)得率的最主要因素是液固比,液固比的增加有利于木质素的充分溶出分离,使得木质素的得率明显提高。随着温度升高,有利于降解半纤维素,打断其与木质素的连接键,促进木质素溶出,提高木质素得率,桉木纤维残渣的结晶度、比表面积和表面孔洞增大。随着反应时间增加,半纤维素可进一步降解脱除,桉木残渣的比表面积和结晶度增加,木质素得率提高。在180℃,12MPa,液固比为15:1的条件下萃取2Omin,SCEL得率达到33.1%,远高于磷酸乙醇法(PL,条件为5O℃,6Oml的86%磷酸溶液与150 ml的80%乙醇溶液,萃取60 min,得率25.5%)和乙醇法(EL,条件为180℃,液固比15:1,萃取60 min,得率24.0%)的木质素得率。对比研究EL、SCEL和PL三种木质素的结构,磷酸乙醇法中的中强酸环境使木质素β-O-4芳基醚键断裂,木质素发生缩合,分子量增大,热稳定性增加,不利于木质素的后期功能化利用;乙醇法中,木质素得率低,分子量较小,含有较多的半纤维素成分,热稳定较差;SCEL的得率较高,并且酸性环境有利于半纤维素的降解,提高了木质素的纯度和热稳定性,对木质素的芳基醚键破坏程度较小。综合来说,SCS爆破处理形成碳酸,降解半纤维素和部分木质素,有效破坏了桉木纤维的结构,引起化学组分迁移,有利于提高后期利用时纤维素的可及度。加入夹带剂乙醇处理,为后续研究提供了高得率、高纯度的木质素分离方法,反应后CO2泄压逸出,无残留,不需额外的分离步骤。