木质素—环氧树脂的合成及其性能研究

【摘要】木质素被公认为是未来最有前途的生物质资源之一，然而以木质素为原料的合成材料在人类的实际生活中还没有被广泛应用。目前，造纸黑液中有大量的木质素，其成分因为使用的原料和制浆工艺不同存在很大的差异，但是由黑液造成的污染是相同的。因此如何将黑液转化为有价值的产品是至关重要的。我们知道，黑液中含有20-30%的木质素，其结构极其复杂，在自然环境中很难被生物降解，因此，它被公认为是造纸黑液的主要污染源。如果我们可以把黑液中的木质素充分利用合成高附加值的产品，将是减少造纸黑液污染的最有效的方法。由于木质素和双酚A在分子结构上相似，都有酚羟基，使得木质素替代双酚A合成环氧树脂成为可能。但是，环氧树脂的导热性差[导热系数约为0.2W/(m·K)]且非常易燃（极限氧指数为19.5），这使得环氧树脂的使用在许多领域受到了限制。因此具有良好阻燃性能的环氧树脂是人们迫切的需求。我们在pH=1-8的条件下，从造纸黑液中制备木质素/二氧化硅复合材料，将其部分替代双酚A合成环氧树脂。木质素/二氧化硅-环氧树脂经乙二胺固化后，考察了其机械性能和热性能，成功制备了性能优良的木质素/二氧化硅-环氧树脂。由于木质素具有可再生性且价格低廉，受到了研究者的广泛关注。我们利用木质素部分替代双酚A合成环氧树脂，不仅大大减少了由木质素造成的环境污染，又降低了环氧树脂的生产成本。为了增加木质素的反应活性，在实验中通过Mannich反应对木质素进行了修饰。我们采用了一种新的加料方式，让二乙醇胺和甲醛先反应2h得到它们的混合液，之后将其逐滴加入到木质素溶液中。经此修饰方法改性后的木质素中的活性基团，即酚羟基和羟甲基的数量都有所增加。由此合成的环氧树脂具有良好的热稳定性。目前，合成耐热性环氧树脂是多数研究者努力的目标。既环保又耐热的环氧树脂是市场的需求。为了解决这个问题，我们合成了3ZnO3B2O33.5H2O型硼酸锌和疏水性硼酸锌阻燃剂。它们均为不规则的片层结构，且疏水性硼酸锌的接触角达到了121.49o。进而我们把合成的硼酸锌和疏水性硼酸锌分别添加到了环氧树脂中。硼酸锌使环氧树脂的初始分解温度提高了14oC，疏水性硼酸锌使环氧树脂的初始分解温度提高了26oC。本论文的研究意义在于：第一，我们采用了一种新的曼尼希反应加料方式对木质素进行修饰改性，并与之前的方法进行对比分析。第二，用曼尼希反应修饰改性后的木质素直接应用到环氧树脂的合成中，这就避免了木质素的再次提取和污水的排放。减少了污染，保护了环境。第三，双酚A是一种昂贵的会造成环境污染的有机化合物，而木质素是廉价环保的可再生资源。因此使用木质素来替代双酚A，不仅保护了环境，更降低了环氧树脂的生产成本。第四，从造纸黑液中制备木质素/二氧化硅复合物，不仅减少了污染还充分利用了资源。第五，木质素的三维网络结构和二氧化硅的热稳定性提高了环氧树脂的性能。第六，合成了新型结构的硼酸锌和疏水性硼酸锌，并将其应用到了环氧树脂中，大大提高了环氧树脂的热稳定性。
【作者】丁娜；
【导师】田玉美；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】造纸黑液；木质素；硼酸锌；环氧树脂；阻燃性；

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