木质素改性/硬质聚氨酯复合材料的制备及其性能研究

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硬质聚氨酯泡沫塑料作为一种热固性多孔聚合物,由于其优异物理性能及耐老化性能,主要被用于家用电器和建筑的轻质隔热材料。然而,聚氨酯合成中的两大主要原料——多元醇和异氰酸酯,均来自石化行业。由于当前可获得石油资源的枯竭以及能源成本的提高,迫使人们把目光转向可再生资源。木质素作为一种来源广泛的芳香族生物质可再生聚合物,具有丰富的羟基含量,可替代石化多元醇与异氰酸酯反应制备聚氨酯。将木质素应用于聚氨酯合成中,不仅可以减少对石油资源的依赖,而且可以改善聚氨酯的机械性能、热稳定性和抗紫外线功能等。本论文以玉米芯木质素为原料,首先对玉米芯木质素进行了水热解聚,确定了木质素水热解聚的最佳实验方案;继而以水热木质素(HL)为原料进行热诱导硫醇-烯点击反应制备硫醇化木质素(ME-HL),将木质素中酚羟基转变为与异氰酸酯反应活性更强的伯醇羟基;以硬度、密度为指标确定环戊烷发泡硬质聚氨酯的最佳反应条件;在最佳条件下,用木质素替代部分商用聚醚多元醇制备聚氨酯,探究掺入玉米芯木质素或硫醇化木质素对聚氨酯性能的影响。为了解决木质素直接共混制备聚氨酯存在分散差、活性低等问题,利用丙三醇和聚乙二醇为液化溶剂,浓硫酸催化木质素液化反应制备木质素基多元醇,用其替代部分商用聚醚多元醇制备聚氨酯材料,探究加入木质素基多元醇对聚氨酯性能的影响。具体研究内容如下:1、以玉米芯木质素为原料进行水热解聚,以解聚产物酚羟基含量为指标,采用优化变量法确定最佳水热条件。在200℃、Na OH浓度为10%和液固比为25:1(水/木质素,w/w)时水热2小时,木质素酚羟基含量提升了49.1%,总羟基含量提升了24%;通过FTIR、TGA、GPC分析发现水热解聚后木质素结构单元醚键出现断裂、芳香基团没有被破坏;热稳定性上升;分子量降低、分子量分布变窄。2、以水热木质素(HL)为原料,通过热诱导硫醇-烯反应制备硫醇化木质素(ME-HL)。改性后木质素酚羟基含量降低了74.6%,醇羟基含量升高了71.3%。说明经过硫醇-烯点击反应后,木质素的酚羟基含量转变为活性更强的脂肪族羟基。通过FTIR分析,发现改性后ME-HL出现了C-S的微弱振动峰,证实发生了硫醇-烯反应。TGA、GPC分析发现,改性后的木质素热稳定性及分子量均有提高,分子量分布变宽。3、通过优化变量法,以硬度和密度为指标,确定环戊烷发泡硬质聚氨酯的工艺条件。在发泡剂用量为2%(w/w)、料温为30℃、催化剂用量为0.1%(v/w)、异氰酸酯指数为1.10、匀泡剂用量为4%(w/w)以及转速为1300 r/min的情况下,所制备的硬质聚氨酯泡孔分布均匀,密度为0.565cm~3/g,硬度为62 HD。以玉米芯木质素和ME-HL替代部分(0-4%,wt%)商用聚醚多元醇直接掺入制备木质素-聚氨酯复合材料并探究其性能。结果发现改性后的木质素能够更好的分散在聚醚多元醇中,扫描电镜照片显示硫醇化木质素-硬质聚氨酯复合材料(ML-RPU)泡孔更均匀。4、以丙三醇和聚乙二醇为液化溶剂,浓硫酸为催化剂液化木质素制备木质素基多元醇,其羟值和黏度均低于商用聚醚多元醇,红外谱图出现醚键的伸缩振动,说明木质素多元醇为聚醚多元醇。相比于玉米芯木质素基多元醇(L-Poly),硫醇化木质素基多元醇(ML-Poly)羟值更高、流动性更强,便于后续反应;以木质素基多元醇部分(0-20%,wt%)取代商用聚醚多元醇制备硬质聚氨酯并探究其性能,在添加相同含量的木质素基多元醇时,硫醇化木质素基硬质聚氨酯(ML-P-RPU)硬度更高、压缩强度更大、孔径分布更加均匀致密、开孔率更低。
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