CN105693966A - 一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，属于生物质基高分子材料技术领域。该方法将热解油和蒸馏水混合，搅拌，对混合物进行离心、分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；将甲醛、尿素和分离得到的水溶相组分，加入碱性催化剂调节pH值，并反应得到羟甲基脲；在制得的羟甲基脲中加入酸性中和剂调节pH值，并反应得到大分子聚合物；在制得的大分子聚合物中加入碱性催化剂调节pH值，再加入分离得到的水不溶相组分，并反应得到热解油脲醛树脂；在制得的热解油脲醛树脂中加入紫外线吸收剂，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。该方法工艺简单，成本更低，环保性强。
Description
技术领域
本发明属于生物质基高分子材料技术领域，具体涉及一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法。
背景技术
土地荒漠化是当前世界最严重的生态环境问题之一，固沙对于提高沙漠地区植物存活率、改良沙土结构、改善生态环境具有重要意义。目前，国内外主要的固沙方式有工程固沙、生物固沙和化学固沙，其中，化学固沙是预防和治理荒漠化最有效的方式。在众多化学固沙材料中，脲醛树脂由于原料易得、价格低廉、制备工艺简单、同时还存在铵态氮(能与生物固沙相结合，同时为植物生长提供营养物质)，已成为最具发展前景的化学固沙材料之一。
目前，大多数脲醛树脂固沙研究是在脲醛树脂的合成过程中增加磺化工艺，并添加成本较高的石化资源如苯酚、三聚氰胺等。例如，中国专利申请CN1935869A和专利ZL01134040.1公开了磺化三聚氰胺改性脲醛树脂土壤改良剂的制备方法，该方法以价格低廉的尿素、甲醛和少量三聚氰胺为原料，经羟甲基化、低磺化度改性、缩聚、中和等步骤，制备出高粘度的聚合物乳液；将制备出的聚合物乳液与固化剂配置成的土壤改良剂，该土壤改良剂用水稀释后喷洒在土壤表面，具有抵御风蚀水蚀、抑制水分蒸发以及作为长效肥料的多重作用。
然而，上述方法虽提高了脲醛树脂的固沙性能，但其合成工艺相对复杂，成本较高，环保性并不理想。而来源于农林生物质快速热裂解产物的热解油含有多种活性化学组分，成本低廉且可再生，在替代传统石化资源制备树脂材料方面越来越受到重视。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，以热解油、甲醛和尿素为主要原料，利用热解油中丰富的羟基、羧酸基等亲水基团提高脲醛树脂的水溶性，并将热解油中的大分子链引入到脲醛树脂中，提高脲醛树脂的分子质量，达到提高其固沙性能的目的，该方法工艺简单，成本更低，环保性强。本发明提出的热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法具体包括以下步骤：
(1)将热解油和蒸馏水按照质量比1:(4～8)混合，搅拌3～7分钟，在4000～6000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将甲醛、尿素和步骤(1)中分离得到的水溶相组分加入反应容器中，加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.5之间，在70～90℃下反应40～60分钟，得到羟甲基脲；
(3)在步骤(2)得到的羟甲基脲中加入酸性中和剂调节pH值至4.8～5.5之间，在80～90℃下反应40～50分钟，得到大分子聚合物；
(4)在步骤(3)得到的大分子聚合物中加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.0之间，加入步骤(1)中分离得到的水不溶相组分，在70～80℃下反应20～40分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在步骤(4)得到的热解油脲醛树脂中加入紫外线吸收剂，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
上述制备方法中，所用原料中各组分的质量份如下：
上述制备方法中，所述的碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的任意一种；所述的酸性中和剂为为盐酸、甲酸、磷酸、乙酸中的任意一种。可以将其配制成10％的水溶液使用。所述的紫外线吸收剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-(2-羟基-3’，5’-二[1，1-二甲基苯基])-苯并三唑中的任意一种。
本发明方法中所述的热解油，是农林生物质原料如阔叶材、针叶材、农作物秸秆等经过快速热裂解得到的液体产物。
本发明提出的热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法的特点和有益效果在于：
1.本发明制备方法，与已有的改性固沙用脲醛树脂制备方法相比，省去了树脂制备过程中的磺化工艺，采用低成本、环保可再生的农林生物质热裂解产物热解油对脲醛树脂进行改性，避免了苯酚、三聚氰胺的使用，工艺简单，成本更低，环保性强；
2.本发明制备方法，根据固沙用脲醛树脂的工艺特点和性能要求，将热解油进行分级利用，热解油水溶相组分参与了制备步骤(2)中甲醛与尿素的加成反应得到羟甲基脲，热解油水不溶相组分分子量较大，参与了制备步骤(4)中羟甲基脲的缩聚反应以快速提高聚合物分子量得到热解油脲醛树脂，充分发挥了热解油中各类化学组分的作用，实现了热解油100％利用。
3.本发明制备方法，可实现农林生物质废弃物的再利用，拓宽热解油的应用领域，同时提供了一种新型环保的化学固沙材料。
具体实施方式
本发明提出的一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法具体包括以下步骤：
(1)将热解油和蒸馏水按照质量比1:(4～8)混合，搅拌3～7分钟，在4000～6000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将甲醛、尿素和步骤(1)中分离得到的水溶相组分加入反应容器中，加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.5之间，在70～90℃下反应40～60分钟，得到羟甲基脲；
(3)在步骤(2)得到的羟甲基脲中加入酸性中和剂调节pH值至4.8～5.5之间，在80～90℃下反应40～50分钟，得到大分子聚合物；
(4)在步骤(3)得到的大分子聚合物中加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.0之间，加入步骤(1)中分离得到的水不溶相组分，在70～80℃下反应20～40分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在步骤(4)得到的热解油脲醛树脂中加入紫外线吸收剂，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
上述制备方法中，所用原料中各组分的质量份如下：
本发明方法中所用的热解油，是农林生物质原料，如阔叶材、针叶材、农作物秸秆等，经过催化热裂解液化得到的富含多酚类化合物及含有少量醛类化合物的液体产物。本发明实施例中，所用的热解油由北京林业大学生产。
本发明方法中所用的碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的任意一种，可将其配制成10％的水溶液使用。
本发明方法中所用的酸性中和剂为盐酸、甲酸、磷酸、乙酸中的任意一种，可将其配制成10％的水溶液使用。
本发明方法中所用的紫外线吸收剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-(2’-羟基-3’，5’-二[1，1-二甲基苯基])-苯并三唑中的任意一种。
以下介绍本发明方法的实施例：
实施例1
(1)将21g杨木热解油与168g蒸馏水混合，搅拌3分钟，在6000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将100g甲醛、45g尿素和步骤(1)中的水溶相组分加入反应容器中，用1.6g10％的氢氧化钠溶液调节pH至7.5，在80℃下反应50分钟，得到羟甲基脲；
(3)在上述羟甲基脲中用2.2g10％的甲酸溶液调节pH至5.0，在80℃下反应45分钟，得到大分子聚合物；
(4)在上述大分子聚合物中用1.1g10％的氢氧化钠溶液调节pH至8.0，加入步骤(1)中的水不溶相组分，在80℃下反应40分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在上述热解油脲醛树脂中加入2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮0.9g，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
实施例2
(1)将27g落叶松热解油与162g蒸馏水混合，搅拌5分钟，在5000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将112.5g甲醛、45g尿素和步骤(1)中的水溶相组分加入反应容器中，用2.3g10％的氢氧化钾溶液调节pH至8.5，在70℃下反应60分钟，得到羟甲基脲；
(3)在上述羟甲基脲中用2.7g10％的盐酸溶液调节pH至4.8，在90℃下反应40分钟，得到大分子聚合物；
(4)在上述大分子聚合物中用1.8g10％的氢氧化钾溶液调节pH至9.0，加入步骤(1)中的水不溶相组分，在70℃下反应30分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在上述热解油脲醛树脂中加入2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮1.35g，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
实施例3
(1)将33g杨木热解油与132g蒸馏水混合，搅拌6分钟，在5000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将112.5g甲醛、45g尿素和步骤(1)中的水溶相组分加入反应容器中，用2.5g10％的氢氧化钠溶液调节pH至9.0，在80℃下反应60分钟，得到羟甲基脲；
(3)在上述羟甲基脲中用2.2g10％的乙酸溶液调节pH至5.0，在90℃下反应40分钟，得到大分子聚合物；
(4)在上述大分子聚合物中用1.3g10％的氢氧化钠溶液调节pH至8.5，加入步骤(1)中的水不溶相组分，在70℃下反应40分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在上述热解油脲醛树脂中加入2-(2’-羟基-3’，5’-二[1，1-二甲基苯基])-苯并三唑1.8g，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
实施例4
(1)将27g玉米秸秆热解油与162g蒸馏水混合，搅拌7分钟，在4000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将106g甲醛、45g尿素和步骤(1)中的水溶相组分加入反应容器中，用2.7g10％的氨水溶液调节pH至9.5，在90℃下反应40分钟，得到羟甲基脲；
(3)在上述羟甲基脲中用1.8g10％的磷酸溶液调节pH至5.5，在85℃下反应50分钟，得到大分子聚合物；
(4)在上述大分子聚合物中用0.7g10％的氨水溶液调节pH至7.5，加入步骤(1)中的水不溶相组分，在75℃下反应20分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在上述热解油脲醛树脂中加入2-(2’-羟基-3’，5’-二[1，1-二甲基苯基])-苯并三唑0.9g，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
使用时，热解油脲醛树脂固沙剂施用量为沙土质量的5％，将热解油脲醛树脂固沙剂与水按1:2进行稀释，均匀喷洒在沙土表面。
以上各实施例制备的产物，其性能见表一。从表一中可以看出，利用本发明方法制备的热解油脲醛树脂固沙剂，其性能已达到固沙用脲醛树脂的要求。
表一
| 实施例 | 1 | 2 | 3 | 4 |
| 粘度(mpa·s)(25℃) | 20 | 13 | 23 | 15 |
| 固含(％) | 45.81 | 44.19 | 43.67 | 43.96 |
| 风蚀率(％) | 0.02 | 0.11 | 0.60 | 0.15 |
| 固结层平均厚度(mm) | 6.25 | 5.05 | 4.05 | 4.61 |
| 保水率(％) | 55.2 | 54.3 | 56.7 | 55.7 |
Claims (6)
1.一种热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
(1)将热解油和蒸馏水按照质量比1:(4～8)混合，搅拌3～7分钟，在4000～6000转/分钟条件下进行离心，离心后混合液分成上层水溶相和下层水不溶相，将上层水溶相和下层水不溶相进行分离，获得水溶相组分和水不溶相组分；
(2)将甲醛、尿素和步骤(1)中分离得到的水溶相组分加入反应容器中，加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.5之间，在70～90℃下反应40～60分钟，得到羟甲基脲；
(3)在步骤(2)得到的羟甲基脲中加入酸性中和剂调节pH值至4.8～5.5之间，在80～90℃下反应40～50分钟，得到大分子聚合物；
(4)在步骤(3)得到的大分子聚合物中加入碱性催化剂调节pH值至7.5～9.0之间，加入步骤(1)中分离得到的水不溶相组分，在70～80℃下反应20～40分钟，得到热解油脲醛树脂；
(5)在步骤(4)得到的热解油脲醛树脂中加入紫外线吸收剂，搅拌均匀，得到热解油脲醛树脂固沙剂。
2.如权利要求1热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，所述的碱性催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水中的任意一种，配制成10％的水溶液使用。
3.如权利要求1热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，所述的酸性中和剂为盐酸、甲酸、磷酸、乙酸中的任意一种，配制成10％的水溶液使用。
4.如权利要求1热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，所述的紫外线吸收剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮、2-(2’-羟基-3’，5’-二[1，1-二甲基苯基])-苯并三唑中的任意一种。
5.如权利要求1热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，所述的热解油是农林生物质原料经过催化热裂解液化得到的液体产物。
6.如权利要求1热解油脲醛树脂固沙剂的制备方法，其特征在于，该方法中所用原料的各组分的质量份如下：
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