一种工业木质素增强填充的共混弹性体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域,特别涉及一种工业木质素增强填充的共混弹性体材料及其制备方法。
背景技术
工业木质素是制浆造纸工业的有机副产物,主要由C、H、O三种元素组成,是苯丙基单元通过-O-和-C-C-连接的具有三维空间网络结构的芳香族高分子化合物。实现工业木质素的高效利用,是综合治理制浆造纸工业污染的关键。工业木质素高效利用的一个重要领域是在弹性体中的应用。
木质素在弹性体中的应用研究始于1925年。但由于造纸制浆工业采用高温、高压、强酸、强碱将木质素与纤维素分离,木质素三维空间网络结构碎裂,分子量变为从几百到几百万不等,具有显著的多分散性,木质素分子量过高对制品的加工产生不利影响,分子量过低对硫化胶的力学性能产生不利影响;木质素的纯化工艺复杂、成本高昂;木质素本身内聚力大,难于在弹性体中分散;木质素在橡胶硫化过程中与硫化剂反应,生成过量的路易斯酸而延迟硫化,同时又会屏蔽一部分橡胶分子链,使硫化胶交联密度降低,从而影响硫化胶的力学性能,这些原因使木质素在弹性体中难以实际应用。专利号为89109494.6的发明专利“利用木质素作为橡胶补强剂的方法”公开了一种用木质素甲醛树脂作为丁腈橡胶增强剂的方法,在浓缩的造纸废液中加入甲醛制成木质素甲醛树脂,再按比例加入硫黄、氧化锌、硬脂酸、硫化剂、硫化促进剂、硫化活性剂与橡胶在一定温度下进行硫化,可获得在橡胶中填充大量木质素且不需加软化剂、节省大量橡胶且性质优良的硫化胶。但这种方法的缺点在于全部制造过程分三段分别进行,即木质素甲醛树脂的制备、与丁腈橡胶混合、木质素与丁腈橡胶的相界面处理,增加了工艺复杂性,而且这种方法的成本较高,需要加入各种助剂;此外,这种方法只适用于丁腈橡胶,在弹性体中的应用范围也比较窄。
木质素作为一种有机高分子,其能与弹性体共混的条件,与弹性体传统的无机增强填充剂,如炭黑、碳酸钙、滑石粉等不同。弹性体对无机填料或者助剂的主要要求体现在对无机物的颗粒大小、颗粒形状、颗粒表面性质的要求上。而木质素与弹性体共混时,除了要求具有溶解度参数相近的条件外,往往需要与所共混的弹性体有部分相同的结构或者有化学键的相互作用,或者在共混的同时形成互穿网络结构。
使用木质素作为各种弹性体的增强填充剂的改性方法,除专利号为89109494.6的发明专利公开的制备木质素甲醛树脂外,未见其它不同的技术方案的相关文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点,提供一种工艺简单、成本低、性能稳定的工业木质素增强填充的共混弹性体材料。
本发明的另一目的在于提供一种上述共混弹性体材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种工业木质素增强填充的共混弹性体材料,由工业木质素和弹性体组成,其中弹性体为100重量份,工业木质素为5~200重量份;所述弹性体为橡胶、塑料或者橡胶塑料并用材料;所述工业木质素为羟甲基化改性木质素、非羟甲基化改性木质素或未改性木质素。
所述工业木质素可以来源于碱法造纸制浆工业产生的黑液;造纸纸浆可以是草浆、木浆、竹浆、甘蔗浆中的一种或一种以上混合浆液;黑液可以是稀黑液(比重≤7~12Be°)、半浓黑液(比重≤20~22Be°)或浓黑液(比重>22Be°)。
所述羟甲基化改性木质素的制备方法:按克分子比1∶0.01~2的比例将黑液与甲醛在50℃~100℃温度下反应0.5~4小时,然后加酸沉淀或直接脱水、干燥,得到羟甲基化改性木质素。
所述非羟甲基化改性木质素包括但不限于乙酰化改性木质素、乙酰化羟甲基化改性木质素、木素胺、乙酰化胺甲基化改性木质素、苯酚接枝木质素、羟甲基化苯酚接枝木质素、乙酰化苯酚接枝木质素或乙酰化羟甲基化苯酚接枝木质素。
通过对木质素进行各种不同的改性:1、赋予在造纸制浆过程因高温、高压、强酸、强碱而被破坏的碎裂的木质素三维空间网络结构以一定的缩聚反应活性,使木质素得以重新缩聚,缩聚后的木质素分子量一般在几万以上,消除因碎裂的木质素分子量过低而对共混弹性体的力学性能产生的不利影响;此外,还可以消除因小分子木质素易溶解于碱性溶液而在使用过程中被抽出、使弹性体失去使用价值的不利影响。2、适当改变木质素与所要共混的弹性体之间的相容性,使其与所要共混的弹性体溶解度参数相近;或者使木质素与其共混的弹性体有部分相同的结构;或者使木质素与其共混的弹性体有化学键的相互作用;或者在共混的同时形成互穿网络结构;从而在木质素与所共混的弹性体之间形成稳定的、有实用价值的相界面。
所述乙酰化改性与乙酰化羟甲基化改性木质素的制备方法:将木质素(或者羟甲基化木质素)与乙酸酐和吡啶的混合物(乙酸酐和吡啶的体积比=1∶0.5~2)按木质素与乙酸酐克分子比1∶0.01~2的比例混合,搅拌至木质素完全溶解,在氮气保护下保温避光保存48~100小时;在反应中将冰冻甲醇和二氯乙烷的混合物(体积比=1∶2~16)按木质素与甲醇克分子比1∶0.01~2的比例加入,搅拌15~60分钟。反应完毕,用2M盐酸冲洗数次,直到出现游离的吡啶,最后用水洗涤1~5遍,减压过滤抽干,将滤渣干燥,即制得乙酰化改性木质素(或者乙酰化羟甲基化改性木质素)。
所述木素胺的制备方法:将木质素用10%的NaOH溶液与水配成ph>8的木素溶液,水浴加热搅拌至50℃或以上后恒温;然后按克分子比1∶0.01~2的比例加入25%甲胺溶液,回流搅拌反应1~5小时;反应完毕后,向溶液中加入硫酸至ph=2.5或以上,析出物经洗涤、干燥,即制得木素胺。
所述乙酰化胺甲基化改性木质素的制备方法:将木素胺与乙酸酐和吡啶的混合物(乙酸酐和吡啶的体积比=1∶0.5~2)按木素胺与乙酸酐克分子比1∶0.01~2的比例混合,搅拌至木素胺完全溶解,在氮气保护下保温避光保存48~100小时;在反应中将冰冻甲醇和二氯乙烷的混合物(体积比=1∶2~16)按木素胺与甲醇克分子比1∶0.01~2的比例加入,搅拌15~60分钟;反应完毕后,用2M盐酸冲洗数次,直到出现游离的吡啶,最后用水洗涤1~5遍,减压过滤抽干,将滤渣干燥,即制得乙酰化胺甲基化改性木质素。
所述苯酚接枝木质素的制备方法:在木质素中按克分子比1∶0.01~2的比例加入苯酚,然后加入适量浓度为50%以上的硫酸,50~100℃水浴加热搅拌2~12小时,再用水稀释冷却后,所得悬浮液煮沸1~5小时,过滤出固体,用热水洗涤至ph=4.5~8后干燥,即制得苯酚接枝木质素。
所述羟甲基化苯酚接枝木质素的制备方法:在苯酚接枝木质素中加入适量1.25M的NaOH溶液,搅拌至完全溶解,按克分子比1∶0.01~2的比例分批或一次加入浓度为37%的甲醛,50~100℃水浴加热搅拌2~12小时;反应完毕后,向溶液中加入硫酸至ph=2.5或以上,析出物经洗涤、干燥,即制得羟甲基化苯酚接枝木质素。
所述乙酰化苯酚接枝木质素或乙酰化羟甲基化苯酚接枝木质素的制备方法:将苯酚接枝木质素(或者羟甲基化苯酚接枝木质素)与乙酸酐和吡啶的混合物(乙酸酐和吡啶的体积比=1∶0.5~2)按木质素与乙酸酐克分子比1∶0.01~2的比例混合,搅拌至苯酚接枝木质素(或者羟甲基化苯酚接枝木质素)完全溶解,在氮气保护下保温避光保存48~100小时;在反应中将冰冻甲醇和二氯乙烷的混合物(体积比=1∶2~16)按木质素与甲醇克分子比1∶0.01~2的比例加入,搅拌15~60分钟;反应完毕后,用2M盐酸冲洗数次,直到出现游离的吡啶,最后用水洗涤1~5遍,减压过滤抽干,将滤渣干燥,即制得乙酰化苯酚接枝木质素(乙酰化羟甲基化苯酚接枝木质素)。
所述未改性木质素的制备方法:直接对黑液进行酸析、脱水、干燥,得到未改性木质素;或者直接对黑液脱水、干燥,分离出黑液中的木质素,得到未改性木质素。
对于不同的弹性体制品,结合其制造与使用的不同要求,应当按照性能与成本相适宜的原则,分别选择羟甲基化改性木质素、非羟甲基化改性木质素或者未改性木质素与弹性体材料共混。
在工业木质素混入弹性体之前,所述工业木质素的PH为4.5~8.5。木质素应用在橡胶中,其PH值会对硫化反应速率产生明显影响。一般地,如果PH>7,会影响硫化焦烧安全性,应当适当加入CTP等防焦剂予以调节;如果PH<6,会迟延硫化,严重时,应当适当加入三乙醇胺等碱性促进剂予以调节。
所述共混弹性体材料的制备:采用弹性体加工混炼设备对工业木质素和弹性体进行捏炼共混;所述弹性体加工混炼设备可为开炼机、密炼机、螺杆挤出机或造粒机等。共混方法因木质素是否改性、是否需要改性而不同。
当木质素为改性木质素时,共混弹性体材料的制备方法是:采用高压高速高温混炼方法,使木质素与弹性体的混合、木质素与弹性体的相界面处理结合在一起,一次完成。一般的,当采用密炼机进行加工时,密炼机上顶栓压力为0.6~3Mpa,转子转速为31~60rpm,密炼室温度为80~180℃,使改性工业木质素从酚醛类结构为主的空间结构转变为具有较多共轭羰基和醌类结构的空间结构,从而使共混弹性体具备使用价值。
当木质素为未改性木质素时,共混弹性体材料的制备方法是:在混炼过程中加入助剂,并通过高压高速高温混炼方法,使木质素的改性、缩合、与弹性体的混合、木质素与弹性体的相界面处理结合在一起,一次完成。所述助剂可以是甲基给予体、胺基给予体或乙酰基给予体;优选六次甲基四胺或马来酸酐;助剂的用量是助剂与木质素克分子比为0.01~2∶1。
所述对不需改性木质素的共混方法:通过高压高速高温混炼方法,使木质素与弹性体的混合、木质素与弹性体的相界面处理结合在一起,一次完成,而不需加入任何助剂。
所述共混弹性体材料可采用硫黄硫化体系或过氧化物等非硫黄硫化体系硫化,用于制造多种弹性体制品。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果:
(1)将木质素改性、与弹性体混合、木质素与弹性体的相界面处理简化为一段或者两段处理,降低了制造成本。
(2)将木质素增强填充弹性体的应用范围从丁腈橡胶扩展到其它橡胶、橡胶与塑料并用材料、塑料。
(3)采用工业木质素增强填充的共混弹性体材料,可以提高橡胶硫化焦烧安全性,对弹性体起到增强、填充、增硬、增强与金属或者纤维或者其它织物的粘合、增塑、改善制品表面光洁度、提高耐磨性、提高耐非极性溶剂、提高耐老化性能等作用。
(4)本发明的共混弹性体材料密度低。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
未改性木质素增强填充丁苯橡胶的共混弹性体材料
以草浆浓黑液(比重>22Be°)通入碱回收炉排空时净化过的烟气(二氧化碳)、补充加酸后,析出未改性木质素,洗涤至PH=5.5-6.5、干燥。
按照未改性木质素∶丁苯橡胶=167∶100(重量份)的比例,在270L密炼机中与丁苯橡胶捏合,采用高压高速高温混炼方法:密炼机上顶栓压力大于等于0.8Mpa,密炼机转子转速大于40rpm,排胶温度大于140℃,当未改性木质素从酚醛类结构为主的空间结构转变为具有较多共轭羰基和醌类结构的空间结构时,排胶出片,即得到未改性木质素增强填充丁苯橡胶的共混弹性体材料。
性能测试:共混弹性体材料物理机械性能测试,均采用相同的硫黄硫化体系。
测试样:木质素体系,即采用本实施例制备得到的未改性木质素增强填充丁苯橡胶的共混弹性体材料。
对照样:炭黑体系,即采用炭黑增强填充的弹性体材料。
表1测试样与对照样的基本配合表(重量份)
注:材料A为本实施例制备的未改性木质素增强填充的丁苯橡胶共混弹性体材料
表2混炼胶物理机械性能
物理机械性能 |
测试样 |
对照样 |
扯断强度,Mpa |
9.8 |
10.4 |
扯断伸长率,% |
360 |
380 |
拉伸永久变形,% |
31 |
27 |
相对密度 |
1.35 |
1.43 |
硬度,邵氏A |
85 |
79 |
由表2可见,木质素体系混炼胶的物理机械基本达到炭黑体系的水平,因其相对密度低于炭黑体系,故可以节省材料成本。同时,木质素体系制品的耐磨性能大为提高,磨耗减量仅为0.05-0.09/1.61km,与高耐磨炉法炭黑相比磨耗减量减少10-15%,具有明显的优势。
实施例2
未改性木质素增强填充丁腈橡胶的共混弹性体材料
以竹浆与松木浆混合的半浓黑液(比重≤20~22Be°)加酸后,析出未改性木质素,洗涤至PH=5.5-6.5、干燥。
按照木质素∶丁腈橡胶∶六次甲基四胺=100∶100∶2(重量份)的比例,在50L密炼机中与丁腈橡胶捏合,采用高压高速高温混炼方法:密炼机上顶栓压力大于0.8Mpa,密炼机转子转速大于31rpm,排胶温度大于140℃,当木质素从酚醛类结构为主的空间结构转变为具有较多共轭羰基和醌类结构的空间结构时,排胶出片,即得到未改性木质素增强填充丁腈橡胶的共混弹性体材料。
性能测试:共混弹性体材料物理机械性能测试,均采用相同的硫黄硫化体系。
测试样:木质素体系,即本实施例制备得到的未改性木质素增强填充丁腈橡胶的共混弹性体材料。
对照样:炭黑体系,即采用炭黑增强填充的弹性体材料。
表3测试样与对照样的基本配合表(重量份)
原料名称 |
测试样 |
对照样 |
丁腈橡胶 |
/ |
100 |
炭黑N660 |
/ |
100 |
材料B |
202 |
|
注:材料B为本实施例制备得到的未改性木质素增强填充丁腈橡胶的共混弹性体材料。
表4混炼胶物理机械性能
检验项目 |
单位 |
对照样 |
测试样 |
密度 |
- |
1.35 |
1.23 |
扯断强度 |
Mpa |
13.3 |
20.3 |
扯断伸长率 |
% |
210 |
350 |
定伸强度(M100) |
Mpa |
6.5 |
7.6 |
硬度 |
邵氏 |
84 |
88 |
3#标准油100℃×72h体积变化率 |
% |
>21.0 |
13.6 |
H抽出 |
牛/根 |
100 |
可达160 |
拉伸永久变形 |
% |
8 |
4 |
压缩永久变形* |
% |
70-80 |
60.3 |
*压缩永久变形是在100℃下试验72小时。
由表4可见,木质素体系混炼胶与丁腈橡胶通用炭黑体系相比,可以增强、增硬、增强与钢丝的粘合、显著提高制品耐非极性溶剂性能。
此外,与专利号为89109494.6的发明专利“利用木质素作为橡胶补强剂的方法”公开的用木质素甲醛树脂作为丁腈橡胶增强剂的三段处理方法相比,该现有技术的扯断强度为23.3Mpa、100%定伸强度为10.8Mpa、永久变形为16%、扯断伸长率为280%、邵氏A硬度为90;本实施例的强度虽略有降低,但弹性相对略有提高,而且本发明因为简化了生产工艺,成本有较大降低。
实施例3
木素胺增强填充溴化丁基橡胶的共混弹性体材料
以松木浆稀黑液(比重≤7~12Be°),加酸沉淀、洗涤至PH=5.5-6.5,得到未改性木质素;然后将上述未改性木质素用10%的NaOH溶液与水配成ph=12的木素溶液,水浴加热搅拌至60℃后恒温。按克分子比1∶0.1的比例加入25%的甲胺溶液,回流搅拌反应4小时;反应完毕后,向溶液中加入硫酸至ph=3.5,析出物经洗涤至PH=5.5-6.5、干燥,即制得木素胺。
按照木素胺∶溴化丁基橡胶=100∶100(重量份)的比例,在50L密炼机中与溴化丁基橡胶捏合,采用高压高速高温混炼方法:密炼机上顶栓压力大于0.8Mpa,密炼机转子转速大于31rpm,排胶温度大于140℃,当木质素从酚醛类结构为主的空间结构转变为具有较多共轭羰基和醌类结构的空间结构时,排胶出片,即得到木素胺增强填充溴化丁基橡胶的共混弹性体材料。
性能测试:仅以氧化锌为硫化活性剂,测试本实施例木素胺增强填充溴化丁基橡胶的共混弹性体材料的物理机械性能。
表5混炼胶物理机械性能
定伸强度(M100)% |
扯断强度Mpa |
扯断伸长率% |
永久变形% |
撕裂强度KN/m |
硬度邵氏A |
11.6 |
12.8 |
101 |
1 |
15.2 |
68 |
由表5可见,即使仅以氧化锌为硫化活性剂且不加入其它配合剂的情况下,木素胺对溴化丁基橡胶具有明显的增强效果,且可以作为硫化剂使用,所得共混弹性体物理机械性能良好。
实施例4
羟甲基化改性木质素增强填充聚氯乙烯和丁腈橡胶(橡塑并用材料)的共混弹性体材料
以松木浆半浓黑液(比重≤20~22Be°)进行羟甲基化改性:按克分子比1∶0.1的比例将黑液与甲醛在80℃温度下反应3小时,然后加酸沉淀、洗涤至PH=5.5-6.5,脱水、干燥,得到羟甲基化改性木质素。
按照羟甲基化改性木质素∶丁腈橡胶=100∶100(重量份)的比例,在50L密炼机中与丁腈橡胶捏合,采用高压高速高温混炼方法,密炼机上顶栓压力大于0.8Mpa,密炼机转子转速大于31rpm,排胶温度大于140℃,当木质素从酚醛类结构为主的空间结构转变为具有较多共轭羰基和醌类结构的空间结构时,排胶出片,即得到羟甲基化改性木质素增强丁腈橡胶共混材料;再将上述共混材料在塑料开炼机上与聚氯乙烯按共混材料∶聚氯乙烯=200∶50(重量份)的比例共混,并动态硫化,最后制得羟甲基化改性木质素增强填充聚氯乙烯和丁腈橡胶(橡塑并用材料)的共混弹性体材料,该材料可用于制造各种热塑性弹性体制品。
性能测试:共混弹性体材料物理机械性能测试,均采用相同的硫黄硫化体系。
测试样:木质素体系,即本实施例得到的羟甲基化改性木质素增强填充的丁腈橡胶与聚氯乙烯的共混弹性体材料。
对照样1:炭黑体系,即采用炭黑增强填充的丁腈橡胶与聚氯乙烯共混弹性体材料。
对照样2:未增强的丁腈橡胶与聚氯乙烯共混弹性体材料。
表6测试样与对照样的基本配合表(重量份)
原料名称 |
测试样 |
对照样1 |
对照样2 |
丁腈橡胶 |
/ |
100 |
100 |
聚氯乙烯 |
50 |
50 |
50 |
炭黑 |
/ |
100 |
/ |
注:材料C为本实施例制备的羟甲基化改性木质素增强填充聚氯乙烯和丁腈橡胶的共混弹性体材料。
表7混炼胶物理机械性能
物理机械性能 |
测试样 |
对照样2 |
对照样1 |
扯断强度,Mpa |
20.8 |
7.9 |
17.3 |
扯断伸长率,% |
180 |
200 |
150 |
拉伸永久变形,% |
15 |
/ |
/ |
撕裂强度,KN/m |
43.5 |
26.0 |
30.4 |
硬度,邵氏A |
88 |
72 |
88 |
100%定伸强度,Mpa |
14.5 |
4.2 |
/ |
表8混炼胶翻炼后的物理机械性能
翻炼性能是热塑性弹性体的重要优点,由表7和表8可见,与现有的聚氯乙烯/丁腈橡胶的炭黑体系相比,本实施例制备的木质素体系在物理机械性能和翻炼性能方面具有显著的优势。
实施例5
羟甲基化改性木质素增强填充酚醛塑料的共混弹性体材料
以松木浆半浓黑液(比重≤20~22Be°)进行羟甲基化改性:按克分子比1∶0.1的比例将黑液与甲醛在80℃温度下反应3小时,然后加酸沉淀、洗涤至PH=5.5-6.5,脱水、干燥,得到羟甲基化改性木质素。
将羟甲基化改性木质素与线型酚醛树脂混合物装入球磨罐中,球磨32小时后取出,并在40℃的干燥箱中干燥32小时,得到羟甲基化改性木质素增强填充酚醛塑料的共混弹性体材料。将上述共混弹性体材料和润滑剂、固化剂及其它配合剂一起混合,混炼后,制成模塑粉后即可用于弹性体制品的加工成型,特别适用于酚醛电木粉。
性能测试:共混弹性体材料物理机械性能测试,均采用相同的六次甲基四胺硫化体系。
测试样1:本实施例得到的羟甲基化改性木质素增强填充酚醛塑料的共混弹性体材料,其中酚醛塑料∶木质素=86∶14(重量份)。
测试样2:本实施例得到的羟甲基化改性木质素增强填充酚醛塑料的共混弹性体材料与氯化橡胶共混所得材料,其中酚醛塑料∶木质素∶氯化橡胶=68∶32∶5(重量份)
表9模塑粉的物理机械性能
模塑粉 |
测试样1 |
测试样2 |
扯断强度,Mpa |
35.3 |
35.0 |
冲击强度,kg.cm/cm2 |
4.8 |
5.2 |
弯曲强度,Mpa |
69.9 |
69.0 |
吸水率(24小时),% |
0.24 |
0.70 |
表面电阻系数,ρs(1011Ω) |
2.4 |
6.9 |
体积电阻系数,ρv(1013Ω.cm) |
2.3 |
16.9 |
国家标准对酚醛电木粉的要求是冲击强度大于5.0kg.cm/cm2,弯曲强度大于60Mpa,扯断强度为35-60Mpa,吸水率(24小时)为0.3-1.2%,表面电阻系数大于109Ω,体积电阻系数大于1010Ω.cm。由表9可见,本实施例制备的羟甲基化改性木质素增强填充酚醛塑料的共混弹性体材料均达到了国家标准,且可以大量取代酚醛塑料,从而节约了资源,降低了成本。