木质材料液化方法及木质基聚氨酯合成研究

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环境污染与资源短缺是人类面临的全球性问题,废弃木质材料的资源化利用是缓解这两大问题的有效途径。我国地域广阔,木质资源丰富,但缺乏有效的资源化应用技术。目前,木质类材料回收利用技术粗放、低效,废弃现象十分严重,因此木质材料的增值转化及其在绿色工程材料研发中的应用已经成为了热点。本研究基于对秸秆等木质材料的高效利用提出解聚液化方法,进而合成木质基聚氨酯,旨在为木质废弃物资源化利用提供新的视角。首先,以秸秆为对象,在不同介质中对其进行解聚,借助物理外观、质量损失率和液化率等指标综合评估不同解聚方式对秸秆的影响,确认酸解聚为最佳解聚方式。采取单因素试验进一步探索解聚时间,解聚温度和硫酸浓度对酸解聚效果的影响;基于此,设计Box–Behnken响应面试验对酸解聚工艺进行优化。结果表明:经过酸解聚,秸秆中的大分子物质遭到破坏,分子链在酸的作用下断裂;其中,解聚温度对液化率的影响最为显著,综合考虑液化效果,建议解聚温度97°C、解聚时间64 min、硫酸浓度0.8%。经验证,这一工艺条件同样适用于杨木,竹粉和东北松。其次,通过木质材料主要组分测定、X射线衍射和傅里叶变换红外光谱等测试手段对解聚及液化产物的组成特征、物理结构和化学特性进行深入探究,以揭示木质材料在解聚液化过程中的转变机制。木质材料在酸性介质中发生解聚,整体表现为纤维素被降解、半纤维与木质素部分脱除;木质材料的致密结构被破坏,液化剂更容易浸入材料内部,液化反应得以充分进行。因此,与直接液化产物相比,解聚液化产物中通常含有更多的低沸点活性组分(<135°C);随着温度的升高,所有液化产物的黏度均表现出显著的下降趋势,意味着其良好的可加工性;然而,对于不同木质材料的液化产物,解聚作用对其黏度的影响并未呈现出一致规律性。红外分析结果表明,在解聚后的木质材料中未发现新的特征峰,同时在解聚液化产物中含有丰富的活性基团。最后,基于解聚液化产物的物化特性分析,探索其替代多元醇用于木质基聚氨酯合成的可行性。设计考虑异氰酸酯指数,催化剂用量,合成时间,合成温度的全因子试验,以树脂得率为指标,评估各影响因素的作用效果;基于此,借助Box–Behnken响应面设计优化木质基聚氨酯合成工艺。结果表明,异氰酸酯指数和催化剂用量对树脂得率有显著影响且二者之间存在交互作用,而在研究范围内未发现合成时间对树脂得率的显著影响,建议在异氰酸酯指数为0.967、催化剂用量为0.13%、合成温度为49.5°C的条件下反应120 min以制备木质基聚氨酯。产物分布特征表明,所合成的木质基聚氨酯具有比解聚液化产物更加优异的稳定性。在产物中观察到属于异氰酸酯基特征峰出现,证实了木质基聚氨酯的成功合成。本研究为木质材料的高效液化及其在聚氨酯绿色合成中的应用提供了有价值的参考。
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