木质素是地球上资源丰富的天然聚合物，是一种重要的可再生资源，随着世界资源危机日益严重和对生态环境要求的日益提高，木质素及其衍生物的研究与应用受到国内外广泛重视。碱木质素(WAL)作为造纸工业碱法制浆黑液的主要成分，若直接排放，严重污染环境。碱木质素不溶于中性的水溶液中，其化学结构复杂，至今没有被规模化开发利用。以碱木质素为原料研制高性能的混凝土减水剂，不仅可以充分利用制浆废液中的工业木质素，而且可以减少环境污染，有利于可持续发展，具有重要的现实意义。 本论文借助密度泛函理论DFT-BLYP方法，运用量子化学程序Materials Studio软件中Dmol模块，研究了碱木质素在磺甲基化反应中的过渡态优化结构及各反应物和产物的热力学性质等。结果表明在木质素愈创木基分子的苯环上第5位负电荷数最大，容易发生亲电取代反应，接入磺甲基。成功的找到了碱木质素磺甲基化反应的过渡态，并据此计算了磺甲基化反应的活化能。计算得到了298.15-600K温度范围的各反应物的热力学参数，恒压热容Cp、标准熵S、标准焓H、标准自由能G。运用过渡态理论和375K的热力学参数分别计算了碱木质素磺甲基反应一步法和两步法的反应平衡常数(K)。一步法反应的活化能△E<,1>为34.05 Kcal/mol(142.46KJ/mol)，两步法中磺甲基化反应的活化能△E<,2>为23.08Kcal/mol(96.56KJ/mol)，，比一步法反应的活化能低10.97 Kcal/mol。两步法反应总的标准平衡常数为6.25×10<'-5>，大于一步法的标准平衡常数8.46×10<'-6>。说明两步法反应需要克服的能垒低，比一步法易于反应，并且反应进行的更彻底。 通过对碱木质素进行磺甲基化改性，得到磺甲基碱木质素(OSWAL)，使其在中性条件下溶于水并具备一定的表面活性。然后对磺甲基碱木质素进行氧化反应，提高其分子量，增加其对固体颗粒的分散性。从而得到具有良好水溶性和分散性的磺甲基化碱木质素。研究结果表明碱木质素进行磺甲基化反应的优化工艺参数为：每100g碱木质素，亚硫酸钠用量为20-30g，甲醛用量为15-20g，过氧化氢用量为10-15g，硫酸亚铁用量为1-1.5g，反应温度为95℃，反应时间为3小时，得到磺化度为1.61-1.65mmol/g的磺甲基化碱木质素。磺甲基碱木质素进行氧化缩合反应的最佳的工艺参数为：反应时间2.5小时，反应温度为80℃，溶液pH值为10.5，过氧化氢用量为12g/(100g OSWAL)，溶液浓度20％。得到产物的重均分子质量比反应前增加一倍达到6000-7000。由元素分析和官能团分析研究结果得到碱木质素和磺甲基化碱木质素的C<,9>单元分子式分别为：C<,9>H<,11.3>O<,2.25>(OCH3)<,0.61>(OHAr)<,0.28>；C<,9>H<,11.1>O<,4.12>(OCH3)<,0.33>(OHAr)<,0.24>(SO<,3>H)<,0.34>。 通过红外光谱、核磁共振、凝胶渗色谱等分析手段，研究了反应前后木质素分子结构的变化。麦草碱木素缺乏强亲水官能团，主要是由缩合木质素组成的，甲氧基含量较高，导致成为巨大网状结构的碱木素反应性能较差。核磁共振表明，经磺甲基化反应后芳环中引入了磺甲基，并且接在WAL芳环的C-5位上。通过透射电镜研究了木质素在水溶液中的聚集状态，结果表明磺甲基化碱木质素在溶液中以球形的超分子形式存在。由多个直径为100nm颗粒组成直径为600-800nm的胶团。胶团内部是较为疏散的结构，每个颗粒被水化膜包围，外形以不规则的球形为主。碱溶液中碱木质素的单个颗粒直径为600-800nm。 实验中研究了磺甲基化碱木质素水溶液的悬浮分散性、表面活性、起泡性、水泥颗粒表面Zeta电位等，结果表明碱木质素经改性后物化性能大幅提高。研究结表明，掺量为0.25％时，掺磺甲基碱木质素的混凝土减水率可达13.5％，比掺木质素磺酸钙的10.2％要高，混凝土3天和7天抗压强度比分别达123％和116％，均高于木质素磺酸钙。利用麦草碱木素制备混凝土减水剂，在技术上可行，成本较低，为碱法制浆黑液的综合利用开辟了一条新路，具有重大的经济和环保意义。