CN105061718A - 一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，将农林废弃物与液化剂按质量比为0.1：1～0.5：1进行搅拌混合，再加入0.5%～2%反应物总质量的离子液体催化剂，在110～180℃下进行加热搅拌0.5～5h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得液化聚氨酯用多元醇。从而达到原料来源广泛，成本优势明显；所用的农林废弃物为可再生的生物质；生物降解性好，可迅速降解，避免白色污染；采用聚醚型离子液体催化剂，反应结束后可通过分层回收，制备过程简便，三废排放低；分子结构和羟值均可调；环境影响水平低，远远低于石油基多元醇产品的影响；用途广泛，可替代传统石油基多元醇的效果。

Description

一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法
技术领域
本发明涉及有机化学合成技术领域，特别是一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法及其作为传统石油基聚醚多元醇或者聚酯多元醇的绿色替代者的应用。
背景技术
聚氨酯材料性能优异，用途广泛，种类繁多，是近年来发展最快的高分子材料之一，世界第6大合成材料。聚氨酯是由异氰酸酯与多元醇反应而制成的具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物，是一种含软链段和硬链段的嵌段共聚物，硬段主要由多异氰酸酯和小分子扩链剂组成，软段由低聚物多元醇(通常是聚醚或聚酯多元醇)组成。多元醇的官能度、相对分子质量以及分子结构对聚氨酯制品的性能有着决定性的影响。在聚氨酯行业中，最常见的是聚醚多元醇和聚酯多元醇，其中聚醚多元醇的用量在聚氨酯泡沫塑料中比重最大，占90%以上。聚醚多元醇通常是由低分子醇类或者胺类等含活泼氢的起始剂在催化剂作用下和环氧丙烷（PO）、环氧乙烷（EO）等环氧化合物开环聚合而成，合成过程中所需的原料大都来源于石油。石油作为不可再生资源，稀缺性造成其价格的持续上涨，并导致聚醚多元醇生产成本的增加，使多元醇行业的发展受到较大影响和限制。根据生物学家估算，地球上每年生长的生物能总量约1400-1800亿吨（干重），相当于目前世界总能耗的10倍。我国的生物质能也极为丰富，现在每年农村中的秸秆量约6.5亿吨，到2010年将达7.26亿吨，相当于5亿吨标煤。柴薪和林业废弃物数量也很大，林业废弃物（不包括炭薪林），每年约达3700m3，相当于2000万吨标煤。如果考虑日益增多的城市垃圾和生活污水，禽蓄粪便等其他生物质资源，我国每年的生物质资源达6亿吨标煤以上，扣除了一部分做饲料和其他原料，可开发为能源的生物质资源达3亿多吨标煤。而且，生物质能的载体是有机物，所以这种能源是以实物的形式存在的，是唯一一种可储存和可运输的可再生能源。同时它分布最广,不受天气和自然条件的限制，只要有生命的地方即有生物质存在。目前，美、德、法等一些国家已开始重视并大力开发和推广可再生的生物质能，巴西则率先提出实施能源农业战略。2005年9月，巴西农业部长罗德里格斯撰文指出，石油时代行将结束，生物能源将成为被广泛运用的新能源。发展生物质能源与利用生物质具有战略意义，在面临矿产资源枯竭的背景下，全世界都在谋求以循环经济、生态经济为指导，坚持可持续发展战略，从保护人类自然资源、生态环境出发，充分有效地利用可再生的、巨大的生物质资源。生物质能源和生物质利用的战略意义在于生物质具有多功能、多效益的特点以及在满足国家重大战略需求方面的重要作用。为达到以上目标，本发明考虑一种环境友好的，农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，能够较好的调控其分子结构和羟值，以满足替代传统石油基多元醇，用于各类聚氨酯制品。
发明内容
本发明的目的在于提供一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，该方法具有原料易得，可再生，生物降解性好，制备简单，羟值可调，应用范围广，环境的影响水平低等优点。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，将农林废弃物与液化剂按质量比为0.1：1～0.5：1进行搅拌混合，再加入0.5%～2%反应物总质量的离子液体催化剂，在110～180℃下进行加热搅拌0.5～5h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得液化聚氨酯用多元醇。
所述的农林废弃物包括秸秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮、刨花、玉米芯、废木屑、农业和林业生产过程中产生的废弃物。
所述液化剂包括生物柴油合成过程中副产物的粗甘油、高官能度低分子量的聚醚、高官能度高分子量的聚醚、中等官能度低分子量的聚醚、低官能度高分子量的聚醚，这些化合物的质量百分比为20：（10-30）：（20-40）：（15-40）：（10-35）。
所述聚醚型离子液体催化剂是由乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤后再用乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的硫酸、磷酸、盐酸、对甲苯磺酸进行80℃加热旋蒸6h制得。
所述离子液体催化剂可重复使用。
一种农林废弃物液化制备的聚氨酯多元醇，聚氨酯用多元醇可用于各种聚氨酯涂料、聚氨酯泡沫塑料、胶黏剂、快速成型材料、纤维增强复合材料等领域，作为传统聚醚多元醇或者聚酯多元醇的绿色替代者。
本发明的有益效果是：（1）原料来源广泛，成本优势明显。（2）所用的农林废弃物为可再生的生物质，包括秸秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮、刨花、玉米芯、废木屑等。（3）生物降解性好，可迅速降解，避免白色污染。（3）采用聚醚型离子液体催化剂，反应结束后可通过分层回收，制备过程简便，三废排放低。（4）分子结构和羟值均可调，通过调节液化剂的组成、调整投料固液比控制液化产物的分子结构和羟值以满足不同应用要求。（5）环境影响水平低，远远低于石油基多元醇产品的影响。（6）用途广泛，可替代传统石油基多元醇，用于聚氨酯泡沫、胶黏剂、聚氨酯涂料等领域。
具体实施方式
实施例1
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的硫酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为硫酸氢根的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将废木屑与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：20：20：20：20混合的液化剂进行搅拌混合，控制废木屑与液化剂的质量比（固液比）0.25：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1%，150℃下进行加热搅拌2h后，废木屑可完全液化降解，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇产品，羟值为456mgKOH/g。
实施例2
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的硫酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为硫酸氢根的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将废木屑与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：15：15：40：10混合的液化剂进行搅拌混合，控制废木屑与液化剂的质量比（固液比）0.15：1加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的0.7%，在160℃下进行加热搅拌1h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇产品，羟值为234mgKOH/g。
实施例3
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的磷酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为磷酸二氢根的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将秸秆与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：25：30：10：15混合的液化剂进行搅拌混合，控制农林废弃物与液化剂的质量比（固液比）0.2：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1.5%，在160℃下进行加热搅拌25h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇，羟值为453mgKOH/g。
实施例4
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的磷酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为磷酸二氢根的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将稻壳与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：10：30：30：10混合的液化剂进行搅拌混合，控制农林废弃物与液化剂的质量比（固液比）0.2：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1%，在150℃下进行加热搅拌2h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇，羟值为324mgKOH/g。
实施例5
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的盐酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为氯离子的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将花生壳与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：10：20：20：30混合的液化剂进行搅拌混合，控制农林废弃物与液化剂的质量比（固液比）0.3：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1.5%，在150℃下进行加热搅拌4h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇，羟值为146mgKOH/g。
实施例6
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的盐酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为氯离子的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将玉米芯与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：10：20：20：30混合的液化剂进行搅拌混合，控制农林废弃物与液化剂的质量比（固液比）0.2：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1%，在150℃下进行加热搅拌3h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇，羟值为198mgKOH/g。
实施例7
第1步聚醚型离子液体的制备过程
将乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤，乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的盐酸进行80℃加热旋蒸6h，得到相应酸根为氯离子的聚醚型离子液体催化剂；
第2步农林废弃物液化过程
将废木屑与由粗甘油、分子量300蔗糖聚醚、分子量800蔗糖聚醚、分子量400山梨醇聚醚、分子量600乙二醇聚醚按质量百分比为20：25：25：20：10混合的液化剂进行搅拌混合，控制农林废弃物与液化剂的质量比（固液比）0.2：1，加入离子液体催化剂，催化剂用量为反应物总质量的1.5%，在150℃下进行加热搅拌2h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得聚氨酯用多元醇，羟值为446mgKOH/g。
实施例8-12
除以下不同外，其余与实施例7相同,反应结束后,催化剂通过分液回收,继续反应,结果见表1：
实施例13
水性聚氨酯涂料中应用
在装有搅拌器，温度计，回流冷凝管和氮气导管的250ml四口烧瓶中按一定比例加入100g实施例2中液化产物，20g二羟甲基丙酸和60克异佛尔酮二异氰酸酯，升温至90℃，反应4h，降温至60℃，然后加入20g三乙胺，进行成盐反应1h，加入30g丙烯酸甲酯和0.5g偶氮二异丁腈，搅拌20min后分散于500g水中，再加入胺扩链剂并在60℃反应2h，缓慢升温至70℃，反应1h，即得水性聚氨酯涂料。
实施例14
聚氨酯泡沫中应用
将100g实施例7中液化产物，1g二丁基二月桂酸锡催化剂，2g硅油稳定剂，2g水发泡剂置于溶剂中进行预先混合，以1000～1200rpm转30秒；再将50g的多亚甲基多苯基异氰酸酯加入以上容器中，用手持式高速搅拌器2500～3000rpm搅拌混合约5秒，混合物在室温下反应膨胀形成泡沫。
实施例15
聚氨酯胶黏剂中应用
把实施例6中制备的液化产品90g，加入到四口烧瓶中，升温到115℃，抽真空2h,通氮气平压，待鼓泡稳定后，停止抽真空，降温至60℃左右，加入甲苯二异氰酸酯60g，有自升温现象，升温到85℃，保温在85℃2h，直至达到一段反应终点(甲苯二正丁胺法滴定)，加入二羟甲基丙酸12g和N-甲基吡咯烷酮15g，继续保温在85℃6h；降温至60℃以下，加入丙酮70g；保温在65℃4h，直至达到二段反应终点；冷却到室温，将预聚体加入到蒸馏水和三乙胺的溶液中，用高速分散机剪切乳化1-2h；出料，得水分散性聚氨酯胶黏剂。

Claims (6)

1.一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：将农林废弃物与液化剂按质量比为0.1：1～0.5：1进行搅拌混合，再加入0.5%～2%反应物总质量的离子液体催化剂，在110～180℃下进行加热搅拌0.5～5h后，冷却静置分层，除去下层离子液体催化剂，即得液化聚氨酯用多元醇。
2.根据权利要求1所述一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：所述的农林废弃物包括秸秆、稻壳、食用菌基质、边角料、薪柴、树皮、花生壳、枝桠柴、卷皮、刨花、玉米芯、废木屑、农业和林业生产过程中产生的废弃物。
3.根据权利要求1所述一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：所述液化剂包括生物柴油合成过程中副产物的粗甘油、高官能度低分子量的聚醚、高官能度高分子量的聚醚、中等官能度低分子量的聚醚、低官能度高分子量的聚醚，这些化合物的质量百分比为20：（10-30）：（20-40）：（15-40）：（10-35）。
4.根据权利要求1所述一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：所述聚醚型离子液体催化剂是由乙二胺聚醚403与丙烷磺内酯按质量比1:3进行室温反应72h后，进行过滤后再用乙酸乙酯洗涤，分别加入2倍摩尔数的硫酸、磷酸、盐酸、对甲苯磺酸进行80℃加热旋蒸6h制得。
5.根据权利要求1所述一种农林废弃物液化制备聚氨酯用多元醇方法，其特征在于：所述离子液体催化剂可重复使用。
6.一种农林废弃物液化制备的聚氨酯用多元醇的应用，其特征在于：聚氨酯用多元醇可用于各种聚氨酯涂料、聚氨酯泡沫塑料、胶黏剂、快速成型材料、纤维增强复合材料等领域，作为传统聚醚多元醇或者聚酯多元醇的绿色替代者。
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