CN108884374B - 液体木质素组合物、基于木质素的树脂以及提高木质素的溶解度的方法 - Google Patents

液体木质素组合物、基于木质素的树脂以及提高木质素的溶解度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液体木质素混合物，其含有3‑50重量％的甲醇、12‑50重量％的木质素和5‑85重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中1‑50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。所述液体木质素混合物可用于制造基于木质素的酚醛树脂，其特别地可用于制造层压材料。

Description

液体木质素组合物、基于木质素的树脂以及提高木质素的溶 解度的方法
技术领域
本发明涉及液体木质素混合物，其含有3-50重量％的甲醇，12-50重量％的木质素和5-85重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中1-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。所述液体木质素混合物可用于制造基于木质素的酚醛树脂，其特别地可用于制造层压材料(层合物)。
背景技术
木质素，一种芳香族聚合物，是例如木材中的主要成分，是地球上仅次于纤维素的最丰富的碳源。近年来，随着从制浆工艺中提取高度纯化的、固体的和特殊(particularized)形式的木质素的开发和商业化，作为目前源自石化工业的主要芳香族化学前体的可能的可再生替代品，其已经吸引了显著的关注。
木质素，为一种多环芳香族网络状物质(network)，作为生产酚醛胶粘剂过程中的酚的合适替代品已经被广泛的研究。其在制造结构木制品(比如胶合板、定向刨花板和纤维板)的过程中使用。在这些胶粘剂的合成过程中，酚(部分地由木质素替代)与甲醛在碱性或酸性催化剂的存在下反应以形成高度交联的芳香族树脂，其称作线型酚醛树脂(novolacs，使用酸性催化剂时)或热固性酚醛树脂(resoles，使用碱性催化剂时)。目前，由于木质素反应性较低，仅有有限量的酚可由木质素替代。
木质素在其被引入至树脂配制物时作为粉末使用。木质素还可以在碱溶液中以“液体形式”使用以避免木质素粉尘(dust)。如果粉末木质素的水分含量相对低(0-5％)，则其可以是粉尘状的并且可产生呼吸道危害。如果固体物的水分含量相对高(8-50％)，则其可以是粘稠的(sticky)或块状的并且难以以可靠和定量的方式运输。
关于使用木质素碱溶液的主要问题在于如果木质素含量提高到某一水平，则木质素溶液的粘度变得过高。在用于层压材料的树脂中，树脂的固体含量通常比例如胶合板高，并且木质素溶液中的水的量使得难以生产具有更高固体含量的树脂。
US3216839描述了游离木质素在基本上为甲醇或仅有少量水的溶液中的溶解性。据描述，仅在高浓度的甲醇下和不存在碱的情况下观察到溶解效应。
对于一些类型的应用，比如层压材料的制备中，因此需要能够提高所使用的树脂中的木质素含量。
发明内容
已经令人惊奇的发现加入3-50重量％(重量百分比)的甲醇可提高木质素在碱溶液中的溶解度。木质素的提高的溶解度允许向混合物中加入更高浓度的木质素。
因此本发明涉及一种混合物，其含有3-50重量％的甲醇、12-50重量％的木质素和5-85重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中1-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
本发明还涉及使用所述溶液获得的树脂和所述树脂在制造层压材料中的用途。本发明还涉及使用所述树脂制造的层压材料。
本发明还涉及一种提高木质素的溶解度的方法，包括向含有5-85重量％的水性碱溶液和10-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇的步骤。
具体实施方式
在整个本说明书中，表述"木质素"意在涵盖任意类型的木质素，例如源自阔叶木、针叶木或一年生植物(annular plants)的木质素。优选地，木质素是例如硫酸盐法(Kraft)中产生的碱性木质素。随后可通过使用WO2006031175中公开的方法将木质素从黑液中分离出来。
在本发明的一个实施方式中，混合物含有5-85重量％的碱溶液。在本发明的一个实施方式中，混合物含有5-50重量％的碱溶液。在本发明的一个实施方式中，混合物含有30-50重量％的碱溶液，比如35-50重量％的碱溶液，比如40-50重量％的碱溶液。所述水性碱溶液的浓度为在水中1-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。在一个实施方式中，碱溶液的浓度为1-50重量％。在一个实施方式中，碱溶液的浓度为5-50重量％。在一个实施方式中，碱溶液的浓度为在水中20-50重量％的碱，比如在水中20-40重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
在本发明的一个实施方式中，混合物含有10-50重量％，比如11-50重量％，比如12-50重量％，比如15-50重量％，比如35-50重量％，比如35-45重量％的木质素。
在本发明的一个实施方式中，混合物含有3-50重量％的甲醇，比如3-40重量％，5-20重量％，5-15重量％，10-40重量％，10-30重量％或5-12重量％的甲醇。
因此，本发明的一个实施方式为一种混合物，其含有3-50重量％的甲醇、10-50重量％的木质素和5-50重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中5-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
本发明的一个实施方式为一种混合物，其含有3-50重量％的甲醇、12-50重量％的木质素和5-50重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中5-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
本发明的一个实施方式为一种混合物，其含有3-50重量％的甲醇、12-50重量％的木质素和5-85重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中1-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
碱优选为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁或其混合物。
在本发明的一个实施方式中，在30-95℃下加热混合物。在一个实施方式中，所述加热进行至少15分钟，比如15分钟-10小时。
本发明的一个实施方式是一种提高木质素溶解度的方法，包括向含有5-85重量％的水性碱溶液和10-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇的步骤。
本发明的一个实施方式是一种提高木质素溶解度的方法，包括向含有5-50重量％的水性碱溶液和10-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇的步骤。
本发明的一个实施方式是一种提高木质素溶解度的方法，包括向含有5-85重量％的水性碱溶液和12-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇的步骤。
本发明还涉及使用上述混合物制备的树脂组合物。树脂组合物优选为木质素-酚-甲醛树脂。所述树脂组合物可通过向上述混合物加入酚和甲醛并且加热所述混合物来制备。典型地，加入的酚的量约与木质素的量相同，但应理解，可加入更多或更少的木质素，这取决于所需的树脂组合物的类型。典型地在60-95℃的温度下，比如70-85℃进行加热2-8小时，比如4-8小时。
获得的树脂可用于例如制造层压材料。随后将树脂浸渍至应形成层压材料的片材中或施加在应形成层压材料的片材之间，并且将所述片材压制在一起并且在约130-150℃的温度下加热。
上述混合物有许多优点，包括：
·降低的粘度
·改进的加工性。
使用由上述混合物制造的树脂组合物有多种优点：
·可获得具有更高量的木质素的树脂,
·可获得具有更好反应性的树脂。
本发明还涉及树脂组合物在工程木制品，比如胶合板、刨花板、华夫刨花板(waferboard)、胶合层积材梁(gluelam beam)、结构复合木材、定向结构刨花板(OSB)、定向木片层积材(OSL)和其他应用比如层压材料、绝缘和模塑化合物中的用途。
实施例
实施例1
向甲醇、水和水性氢氧化钠溶液(浓度：在水中50重量％的NaOH)的混合物中加入硫酸盐(kraft)木质素。搅拌混合物约5分钟并且随后在烤箱中在55℃下加热1-21小时。使用Brookfield DV-II+LV粘度计在25℃下测量木质素溶液的粘度。粘度值示于表1中。
表1.
Figure BDA0001795712100000051
实施例2
用25％的酚替代水平合成酚醛树脂。在第一步中，通过在配有顶置式搅拌器、凝结器和温度控制单元的1升玻璃反应器中混合105g硫酸盐木质素(固体含量95％)、160g水、31.2甲醇和23.2g的50％氢氧化钠溶液来制备木质素溶液。将木质素溶液加热至80℃并且继续在80℃下加热一个小时。然后，将木质素溶液的温度降低至45℃。
在第二步中，向木质素溶液加入304g的酚和271.6g福尔马林(浓度52.5％)。将温度提高至85℃。通过使用Brookfield DV-II+LV粘度计测量粘度监控反应。在85℃的温度下连续地加热反应混合物直到粘度在25℃下为约106cP。
分析树脂并且分析结果列于表2中。
表2
Figure BDA0001795712100000052
Figure BDA0001795712100000061
通过在具有由铝制成的压模(stamper)的玻璃管中加入10g树脂测量凝胶时间。在油浴中在100℃下加热玻璃管。压模上下移动直到树脂变为凝胶。测量直到树脂变为凝胶的时间作为凝胶时间。
由表2可见树脂的固体含量、pH、粘度和凝胶时间都处于适合用于层压材料的酚醛树脂的水平。
鉴于本发明的上述详细描述，其他修改和变化对于本领域技术人员来说将变得显而易见。然而，应该显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现这些其他修改和变化。

Claims (13)

1.一种混合物，其含有3-50重量％的甲醇、35-50重量％的木质素和5-85重量％的水性碱溶液，其中所述水性碱溶液的浓度为在水中1-50重量％的碱，基于所述碱溶液在与混合物的其他组分混合之前的重量计。
2.根据权利要求1所述的混合物，其含有40-50重量％的水性碱溶液。
3.根据权利要求1所述的混合物，其含有40-50重量％的木质素。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的混合物，其中碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化镁或其混合物。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的混合物，其含有3-30重量％的甲醇。
6.根据权利要求5所述的混合物，其含有3-12重量％的甲醇。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的混合物，其中所述混合物已经在30-95℃的温度下加热。
8.通过向根据权利要求1-7中任一项所述的混合物加入酚和甲醛并且在70-90℃的温度下加热2-8小时可获得的树脂。
9.根据权利要求8所述的树脂在制造工程木制品中的用途。
10.根据权利要求9所述的用途，其中所述工程木制品为层压材料。
11.使用根据权利要求8所述的树脂制造的层压材料。
12.提高木质素的溶解度的方法，包括向含有5-85重量％的水性碱溶液和35-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中向含有5-50重量％的水性碱溶液和35-50重量％的木质素的混合物加入3-50重量％的甲醇。
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