CN108503862B

CN108503862B - 一种超微木质素的制备方法

Info

Publication number: CN108503862B
Application number: CN201810177780.5A
Authority: CN
Inventors: 应汉杰; 邓彤; 朱晨杰; 唐成伦; 李明; 陈勇; 吴菁岚; 柳东; 沈涛; 甘涛; 蒋忠艳
Original assignee: Nanjing Tech University
Current assignee: Nanjing Tech University
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2038-03-05
Also published as: CN108503862A

Abstract

本发明涉及一种超微木质素及其制备方法。超微木质素是指粒度大小为4000～10000目的木质素，其生产方法包括：木质素与助磨剂的给料、气流粉碎、超细分级、分级后粗粒的返回再粉碎和产品收集。本发明通过在木质素的气流粉碎工艺中加入助磨剂，利用其助磨效果，实现了木质素的超微粉碎，节约粉碎能耗，提高生产效率。同时由于助磨剂粉碎粒度小于木质素，起到了附着于木质素表面从而包埋木质素的良好阻燃作用。并且采用超微木质素填充的塑料、泡沫等材料，在降低成本、提高阻燃的同时，具备更优的力学性能、热稳定性和抗紫外老化性能，能够满足市场需求。

Description

一种超微木质素的制备方法

技术领域

本发明属于填充用超细粉体领域，具体涉及一种超微木质素的制备方法。

背景技术

木质素是世界上存量仅次于纤维素的一种天然高分子物质，全世界每年生产6×10⁵亿吨木质素，只有少部分被利用起来，大部分被直接燃烧取能，大大浪费了资源。木质素是以苯基丙烷为结构单元，通过碳-碳键和醚键高度交联的三维网状结构天然芳香族化合物。

在橡胶、塑料、硬泡等以高分子材料为机体的复合材料中，常常填充大量的粉体材料，目的是大幅度降低制品的成本，提高复合材料的硬度、强度等各方面性能。木质素凭借其无毒、耐候、优良的热和光稳定性及抗微生物等优点，利用其高度交联的超分子结构和分子间的强氢键作用，与不同合成高分子共混以得到单一高聚物所不具备的良好的综合性能和加工性，可达到降低生产成本、高效利用生物质资源的目的。

一般说来，小于3微米的颗粒在高分子复合材料中可以起到增强的作用，而大于5微米的颗粒仅仅是填充增量作用。但木质素由于堆积密度小、粉体易吸水和团聚、颗粒韧性高，进一步超细粉碎时很难达到理想的要求，生产效率低下。而采用低温深冷冻粉碎时，其成本太高，很难被工业界所接受。同时由于超细粉体较普通粉体更易燃烧，木质素细粉在高分子材料的填充中，虽能大幅度降低制品的成本，提高复合材料的硬度、强度等各方面性能，但也使制品更易燃烧，带来了一定的安全隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种超微木质素的制备方法，以解决现有技术存在的生产效率低下和成本过高等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种超微木质素的制备方法，它包括如下步骤：

将木质素和助磨剂混合均匀后，和研磨气体同时注入气流粉碎机中，粉碎后所得物料在分级机或分级室中进行分级后，即得超微木质素。

其中，所述的木质素为酶解木质素、造纸木质素、碱木质素、有机溶剂木质素、木质素磺酸盐，以及对前述的木质素进行酰化、酯化、醚化、酚化、烷基化和脱甲基化改性后的木质素中的任意一种或几种的组合。

其中，所述的助磨剂为莫氏硬度3～9的无机化合物。

其中，所述的助磨剂为常规助磨剂和功能性助磨剂中的任意一种或几种的组合；其中，常规助磨剂包括石棉、石膏、二氧化硅、二硫化钼、珍珠岩、浮石和硅藻土，功能性助磨剂包括阻燃剂、增白剂、中和剂等。其中，阻燃剂包括三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝和硼酸锌，增白剂包括碳酸钙和滑石粉，中和剂包括三氧化二铝。其中，助磨剂优选为三氧化二锑、氢氧化镁或氢氧化铝。

其中，所述的木质素和助磨剂均为目数大于等于60目的颗粒，优选目数为60～400目。

其中，木质素和助磨剂的质量比为10～30：0.1～20；

其中，木质素和常规助磨剂的优选质量比为20～30：3～5；木质素和功能性助磨剂的优选质量比由后续工艺决定。

其中，所述的研磨气体为压缩空气、过热蒸汽、氮气、二氧化碳气体或惰性气体，进气压力为0.6～1.2MPa，惰性气体包括氦气、氖气、氩气；其中，优选为压缩空气或过热蒸汽，进一步优选为过热蒸汽。

其中，气流粉碎机中，粉碎压力为0.6～1.2MPa。

其中，所述的分级是指将目数大于等于4000的颗粒收集，即为超微木质素；同时，将目数小于4000的颗粒，返回气流粉碎机中重新粉碎。

其中，分级时，转速为3000～18000r/min。

其中，所得超微木质素的目数为4000～10000目。

其中，可通过浮选法将所得超微木质素中的助磨剂除去。

其中，所述的气流粉碎机为流化床对喷式气流粉碎机、扁平式气流粉碎机、循环管式气流粉碎机、对喷式气流粉碎机、流化床式气流粉碎机中的任意一种，优选为循环管式气流粉碎机。

其中，生产设备还可包括空压机、冷却器、空气冷冻干燥机、旋风分离器、捕集器和风机中的一种或几种。

有益效果：

本发明旨在解决木质素粉碎中存在的难以进一步超细粉碎、高额能耗、生产效率低下问题，以及经木质素填充高分子材料制品中存在的更易燃烧问题，通过在木质素的气流粉碎工艺中加入助磨剂，利用其助磨效果，实现了木质素的超微粉碎，节约粉碎能耗。同时由于助磨剂粉碎粒度小于木质素，起到了附着于木质素表面从而包埋木质素的良好阻燃作用。并且采用超微木质素填充的塑料、泡沫等材料，在降低成本、提高性能的同时，具备更优的力学性能、热稳定性和抗紫外老化性能，能够满足市场需求。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1、相对于传统木质素超细粉碎，本发明可以利用助磨剂的助磨效果，使木质素的超细粉碎得以实现，节约粉碎能耗的同时大幅提升了生产效率。

2、相对于超细木质素，本发明提出的超微木质素由于助磨剂粉碎粒度小于木质素，起到了附着于木质素表面从而包埋木质素的良好阻燃作用。

3、相对于普通木质素与助磨剂填充的高分子材料制品，采用本发明超微木质素填充的高分子材料制品，由于超微颗粒在高分子复合材料中起到的增强作用，在降低成本、提高性能的同时，具备更优的力学性能、热稳定性和抗紫外老化性能，能够满足市场需求，为木质素大宗工业化应用开辟了一条新的道路。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

实施例1：

步骤(1)：将120目木质素和325目助磨剂氢氧化铝按重量比30：5混合搅拌均匀；

步骤(2)：将步骤(1)得到的混合物和0.8MPa压缩空气同时注入气流粉碎机，得粉碎后的物料；

步骤(3)：将步骤(2)得到的粉碎后物料进入分级机或分级室进行分级，分级转速为8000r/min，得到分级后的颗粒；

步骤(4)：步骤(3)得到的分级后的颗粒，将粒径＜4000目的颗粒返回气流粉碎机重新粉碎，将粒径≥4000目的颗粒从出料口出料，即为所述超微木质素。

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例2：

步骤(1)：将120目木质素和325目助磨剂氢氧化铝按重量比20：5混合搅拌均匀；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例3：

步骤(1)：将120目木质素和325目助磨剂氢氧化铝按重量比10：5混合搅拌均匀；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例4：

步骤(2)：将步骤(1)得到的混合物和0.6MPa压缩空气同时注入气流粉碎机，得粉碎后的物料；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例5：

步骤(2)：将步骤(1)得到的混合物和0.7MPa压缩空气同时注入气流粉碎机，得粉碎后的物料；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例6：

步骤(2)：将步骤(1)得到的混合物和1.0MPa压缩空气同时注入气流粉碎机，得粉碎后的物料；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例7：

步骤(3)：将步骤(2)得到的粉碎后物料进入分级机或分级室进行分级，分级转速为4000r/min，得到分级后的颗粒；

制得超微木质素的各种参数见表1。

实施例8：

步骤(3)：将步骤(2)得到的粉碎后物料进入分级机或分级室进行分级，分级转速为18000r/min，得到分级后的颗粒；

制得超微木质素的各种参数见表1。

对比例1：

步骤(1)：将120目木质素和0.8MPa压缩空气同时注入气流粉碎机，得粉碎后的物料；

步骤(2)：将步骤(1)得到的粉碎后物料进入分级机或分级室进行分级，分级转速为3000～18000r/min，得到分级后的颗粒；

步骤(3)：步骤(2)得到的分级后的颗粒，将粒径＜4000目的颗粒返回气流粉碎机重新粉碎，将粒径≥4000目的颗粒从出料口出料，即为超微木质素。

制得超微木质素的各种参数见表1。

表1

通过观察实施例1到8和对比例1，发现相对于传统木质素超细粉碎，本发明通过利用助磨剂的助磨效果，使木质素的超细粉碎得以实现，节约粉碎能耗的同时大幅提升了生产效率。

通过实施例对比1到3，发现随着助磨剂氢氧化铝质量份数的提高，超微木质素的产品粒度几乎没有变化，生产能力随之提高。这是由于木质素相对于助磨剂氢氧化铝，堆积密度小、粉体易吸水和团聚、颗粒韧性高，超细粉碎较为困难。

通过实施例对比1和4到6，发现随着粉碎压力的增大，超微木质素的产品粒度(d₅₀)和产品粒度(d₉₇)均大幅下降，生产能力大幅上升。这是由于物料的气流粉碎以脆性为主疲劳为辅，粉碎压力越大，气流速度越高，颗粒动能就越大，脆性粉碎效果越显著。但同时，随粉碎压力的增大，若超过一定压力限制后其动能消耗将急剧增加，因此需兼顾粉碎压力、产品粒度要求和生产能力的平衡性

通过实施例对比1和7到8，发现随着分级机转速的提升，产品粒度(d₅₀)几乎不变，产品细度(d₉₇)快速下降，生产能力快速降低。这是由于随分级机转速提升，分级精度提高但分级处理量降低，分级时需根据制品要求选择合适的分级机转速。

实施例9：

称取可发型酚醛树脂100质量份，实施例1中所得超微木质素20质量份，超高速分散机转速8000rpm搅拌10min至搅拌均匀。加入表面活性剂吐温-80 5质量份，正戊烷8质量份，固化剂(对甲苯磺酸：磷酸：水＝6：3：1)15质量份，500rpm混合搅拌均匀后导入模具，80℃固化2h，得超微木质素填充型酚醛泡沫保温材料。

制得超微木质素填充型酚醛泡沫保温材料的各种性能见表2。

对比例2：

称取可发型酚醛树脂100质量份，对比例1中所得超微木质素20质量份，超高速分散机转速8000rpm搅拌10min至搅拌均匀。加入表面活性剂吐温-80 5质量份，正戊烷8质量份，固化剂(对甲苯磺酸：磷酸：水＝6：3：1)15质量份，500rpm混合搅拌均匀后导入模具，80℃固化2h，得超微木质素填充型酚醛泡沫保温材料。

制得超微木质素填充型酚醛泡沫保温材料的各种性能见表2。

对比例3：

称取可发型酚醛树脂100质量份，120目木质素20质量份，超高速分散机转速8000rpm搅拌10min至搅拌均匀。加入表面活性剂吐温-80 5质量份，正戊烷8质量份，固化剂(对甲苯磺酸：磷酸：水＝6：3：1)15质量份，500rpm混合搅拌均匀后导入模具，80℃固化2h，得木质素填充型酚醛泡沫保温材料。

制得木质素填充型酚醛泡沫保温材料的各种性能见表2。

表2

通过观察对比例2和对比例3，发现相对于普通120目木质素填充的酚醛泡沫保温材料，利用高目数的超微木质素填充的酚醛泡沫保温材料，确实在压缩强度和拉伸强度性能上有大幅度提升，但同时也带来了材料更易燃烧，阻燃性能下降的弊端。

通过观察实施例9和对比例2，发现相对于传统超细粉碎木质素填充的酚醛泡沫保温材料，利用本发明超微木质素填充的酚醛泡沫保温材料，在稍微提高压缩强度和拉伸强度的同时，大幅的提高了氧指数，使高分子复合材料制品阻燃性能大幅提升。并且通过本发明使木质素的超细粉碎得以实现、节约粉碎能耗的同时大幅提升了生产效率。

采用本发明超微木质素填充的高分子材料制品，由于超微颗粒在高分子复合材料中起到的增强作用，在降低成本、提高阻燃的同时，具备更优的力学性能、热稳定性和抗紫外老化性能，能够满足市场需求。为木质素大宗工业化应用开辟了一条新的道路。

Claims

1.一种超微木质素的制备方法，其特征在于，它包括如下步骤：

将木质素和助磨剂混合均匀后，和研磨气体同时注入气流粉碎机中，粉碎后所得物料进行分级后，即得超微木质素；

其中，所述超微木质素的粒度d₅₀为1.3，1.5，1.6，1.7，2.0，2.4微米；

其中，分级时，气流粉碎机的转速为3000~18000 r/min；

其中，所述的助磨剂为莫氏硬度3~9的无机化合物；

其中，气流粉碎机中，粉碎压力为0.6~1.2 Mpa；

其中，助磨剂的粒度小于木质素的粒度；

其中，木质素和助磨剂的质量比为10:5，20：5，30：5；

其中，所述的助磨剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌、石棉、碳酸钙、石膏、三氧化二铝、滑石粉、二氧化硅、二硫化钼、珍珠岩、浮石和硅藻土中的任意一种或几种的组合。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的木质素为酶解木质素、造纸木质素、碱木质素、有机溶剂木质素、木质素磺酸盐，以及对前述的木质素进行酰化、酯化、醚化、酚化、烷基化和脱甲基化改性后的木质素中的任意一种或几种的组合。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的木质素和助磨剂均为目数大于等于60目的颗粒。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的研磨气体为压缩空气、过热蒸汽、氮气、二氧化碳气体或惰性气体。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的分级是指将目数大于等于4000的颗粒收集，即为超微木质素；同时，将目数小于4000的颗粒，返回气流粉碎机中重新粉碎。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，可通过浮选法将所得超微木质素中的助磨剂除去。