CN110003676A - 一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即可原位合成纳米硼酸镁/木质素复合材料。该材料可以加入到热塑性高分子材料中，提高成型热塑性材料的热稳定性和阻燃性，同时具有优良的机械强度、耐候性等，具有良好的应用前景。

Description

一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料制备领域，具体涉及一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法。
背景技术
硼酸镁纳米材料具有良好的物理和化学性能，如轻质、高韧、耐磨、耐强碱、抗氧化、耐腐蚀、耐高温、绝缘性好等特点，对其进行表面改性处理后，可作为增强剂、抗磨剂等应用于镁铝合金、陶瓷基复合材料、塑料和油品等功能材料中。以硼酸镁纳米材料作为热塑性高分子材料的增强组分时，可以改善基体材料的机械强度、耐候性、阻燃、防腐等性能。
木质素是木质化植物三大主要组分之一，其含量占15–35％，仅次于纤维素，是自然界唯一能提供的可再生芳基化合物，具有可生物再生与降解、无毒耐候，具有来源广泛、活性基团丰富、抗氧化、抗生物侵蚀、热塑性、玻璃态转化等诸多特点。木质素可作为高分子聚合物的填料、阻燃剂、塑料稳定剂等。在热塑性树脂PVC中添加木质素对其热稳定性和机械性能有着重要影响。
目前还没有相关的文献对纳米硼酸镁/木质素材料的相关报道。通过制备纳米硼酸镁/木质素材料将其加入到热塑性高分子材料中可以有效的提高其热稳定性和阻燃性，同时具有优良的机械强度、耐候性等。这将为木质素资源的高效开发利用提供理论依据，为木质素和硼酸镁一维纳米材料在PVC材料方面的应用提供参考。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，将原木质素和不同机械活化时间的活化木质素加入硼酸镁的反应体系中，原位合成纳米硼酸镁/木质素复合材料。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
原位合成法反应制备金属基复合材料是在一定条件下，依靠合金成分设计,在合金体系内发生化学反应生成一种或几种高硬度、高弹性模量的陶瓷或金属间化合物增强体,而达到增强基体目的的工艺方法。
作为技术方案的优选，所述前驱体料液中无机镁盐、硼酸盐的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝0.7-1.2，无机镁溶液中镁离子浓度为1.0-2.0mol/L。
作为技术方案的优选，所述无机镁盐与木质素的质量比为1:0.2-1.5。
作为技术方案的优选，所述木质素为原木质素或活化木质素。
作为技术方案的优选，所述水热反应的条件为：反应时间5-10h，反应温度170-220℃，初始压强1-2MPa。
作为技术方案的优选，所述水热反应后制得的材料进行抽滤，并于100-140℃条件下干燥6-10h。
作为技术方案的优选，所述硼酸盐溶液在滴加前加热至45-70℃。
作为技术方案的优选，所述无机镁盐选用硫酸镁、氯化镁、硝酸镁中的任一种。
作为技术方案的优选，所述硼酸盐选用硼酸钠、硼酸钾、硼酸铵、硼酸中的任一种。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明将原木质素或不同机械活化时间的活化木质素按一定的比例加入硼酸镁的反应体系中，原位合成纳米硼酸镁/木质素复合材料，该材料可以加入到热塑性高分子材料中，提高成型热塑性材料的热稳定性和阻燃性，同时具有优良的机械强度、耐候性等，具有良好的应用前景。
2、本发明无机镁盐、硼酸盐、原木质素或活化木质素为原料，通过混合吸附、共沉淀、水热合成等方法使纳米硼酸镁与木质素之间形成分子间作用力制备得到高分散性的纳米复合材料，使得材料同时具备木质素和硼酸镁的优良性能。
3、本发明可以使用活化木质素，木质素经过一定时间的机械活化改性处理，可有效提高木质素的酚羟基含量和反应活性，提高其自身热稳定性及其与PVC的相容性。
4、原木质素或活化木质素加入到热塑性高分子材料中，大量的酚羟基可捕捉自由基形成稳定醌结构而阻止高聚物的自由基反应，增强热塑性高分子材料的热稳定性，并具有一定的塑化作用。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例来对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
实施例1
一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、原木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
该制备方法包括如下步骤，
(1)取硼酸钠溶于去离子水中，在50℃水浴加热搅拌溶解，硼酸根的浓度为0.5mol/L，备用；
(2)取硫酸镁溶于去离子水中，镁离子浓度为1.5mol/L，将原木质素按镁与木质素质量比为1:0.25的比例加入至硫酸镁溶液中，常温搅拌充分混合，备用；
(3)缓慢滴加氨水溶液至步骤(2)的混合料液中，使溶液呈白色浑浊状，然后加入步骤(1)的硼酸钠溶液，无机镁盐、硼酸盐的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝0.7，得到前驱体料液；
(4)将步骤(3)所得到的前驱体料液加入高压反应釜中，进行水热反应，反应时间5h，反应温度190℃，初始压强1MPa；
(5)反应结束取出完成液，抽滤得到固体产物，于120℃条件下干燥8h，得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
实施例2
一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、活化木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入活化木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
该制备方法包括如下步骤，
(1)取硼酸钾溶于去离子水中，在45℃水浴加热搅拌溶解，硼酸根的浓度为0.5mol/L，备用；
(2)取氯化镁溶于去离子水中，镁离子浓度为1.0mol/L，将活化木质素按镁与木质素质量比为1:0.2的比例加入至氯化镁溶液中，常温搅拌充分混合，备用；活化木质素进行机械活化固相反应的时间为0.5h；
(3)缓慢滴加氢氧化钾溶液至步骤(2)的混合料液中，使溶液呈白色浑浊状，然后加入步骤(1)的硼酸钾溶液，无机镁盐、硼酸盐的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝0.9，得到前驱体料液；
(4)将步骤(3)所得到的前驱体料液加入高压反应釜中，进行水热反应，反应时间6h，反应温度170℃，初始压强1.5MPa；
(5)反应结束取出完成液，抽滤得到固体产物，于100℃条件下干燥10h，得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
实施例3
一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、活化木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入活化木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
该制备方法包括如下步骤，
(1)取硼酸铵溶于去离子水中，在70℃水浴加热搅拌溶解，硼酸根的浓度为0.8mol/L，备用；
(2)取硝酸镁溶于去离子水中，镁离子浓度为2.0mol/L，将活化木质素按镁与木质素质量比为1:1.5的比例加入至硝酸镁溶液中，常温搅拌充分混合，备用；活化木质素进行机械活化固相反应的时间为1.0h；
(3)缓慢滴加氨水溶液至步骤(2)的混合料液中，使溶液呈白色浑浊状，然后加入步骤(1)的硼酸铵溶液，无机镁盐、硼酸盐的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝1.2，得到前驱体料液；
(4)将步骤(3)所得到的前驱体料液加入高压反应釜中，进行水热反应，反应时间5-10h，反应温度220℃，初始压强2MPa；
(5)反应结束取出完成液，抽滤得到固体产物，于140℃条件下干燥6h，得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
实施例4
一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、活化木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入活化木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
该制备方法包括如下步骤，
(1)取硼酸溶于去离子水中，在60℃水浴加热搅拌溶解，硼酸根的浓度为1.0mol/L，备用；
(2)取硫酸镁溶于去离子水中，镁离子浓度为1.8mol/L，将活化质素按镁与木质素质量比为11.0的比例加入至硫酸镁溶液中，常温搅拌充分混合，备用；活化木质素进行机械活化固相反应的时间为1.5h；
(3)缓慢滴加氢氧化钠溶液至步骤(2)的混合料液中，使溶液呈白色浑浊状，然后加入步骤(1)的硼酸溶液，无机镁盐、硼酸的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝1.0，得到前驱体料液；
(4)将步骤(3)所得到的前驱体料液加入高压反应釜中，进行水热反应，反应时间8h，反应温度200℃，初始压强1.6MPa；
(5)反应结束取出完成液，抽滤得到固体产物，于130℃条件下干燥9h，得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
材料性能测试：
本发明将原木质素和不同机械活化时间的活化木质素按一定的比例加入硼酸镁的反应体系中，原位合成纳米硼酸镁/木质素复合材料，该材料可以加入到热塑性高分子材料中，提高成型热塑性材料的热稳定性和阻燃性，同时具有优良的机械强度、耐候性等性能。
本发明纳米硼酸镁/木质素复合材料的材料性能测试：
(1)热稳定性：纯PVC成型材料，静态热稳定时间为147秒、最大失重率温度为289℃，加入10％的纳米硼酸镁/木质素复合材料后，PVC成型材料的静态热稳定时间为600-700s、最大失重率温度为320-330℃。
(2)阻燃性：纯PVC成型材料，氧指数为30，烟雾释放量大，加入10％的纳米硼酸镁/木质素复合材料后，PVC成型材料的氧指数为34-41，烟雾释放量显著减少。
(3)机械强度：纯PVC成型材料的机械强度较高，加入10％的纳米硼酸镁/木质素复合材料后，拉伸强度、弯曲强度、断裂伸长率等均没有下降，分别为53MPa、78MPa、22.5％，仍具有较高的机械强度。
(4)耐候性：经加速耐候仪试验，纯PVC成型材料迅速老化，外观、物理化学性能、热分解速度、热分解温度、热稳定时间、机械性能等均发生明显变化，加入10％的纳米硼酸镁/木质素复合材料后，显著降低老化速度，外观、物理化学性能、热分解速度、热分解温度、热稳定时间、机械性能等均未发生明显变化。

Claims (10)

1.一种纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：该制备方法以无机镁盐、硼酸盐、木质素为原料；首先在无机镁盐溶液中加入木质素搅拌混合均匀，缓慢滴加碱性溶液控制pH值，然后滴加硼酸盐溶液进行共沉淀反应制备得到前驱体料液，最后前驱体料液放入高压釜中进行水热反应，即采用原位合成法得到纳米硼酸镁/木质素复合材料。
2.根据权利要求1所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述前驱体料液中无机镁盐、硼酸盐的摩尔比为n(Mg)/n(B)＝0.7-1.2，无机镁溶液中镁离子浓度为1.0-2.0mol/L。
3.根据权利要求2所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述无机镁盐与木质素的质量比为1:0.2-1.5。
4.根据权利要求3所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述木质素为原木质素或活化木质素。
5.根据权利要求4所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述活化木质素经机械活化制备得到，机械活化时间为0.5-2.5h。
6.根据权利要求1所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述水热反应的条件为：反应时间5-10h，反应温度170-220℃，初始压强1-2 MPa。
7.根据权利要求1所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述水热反应后的完成液经抽滤得到固体产物，并于100-140℃条件下干燥6-10h。
8.根据权利要求1所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述硼酸盐溶液在滴加前加热至45-70℃。
9.根据权利要求1-8任一所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：所述无机镁盐选用硫酸镁、氯化镁、硝酸镁中的任一种。
10.根据权利要求1-8任一所述的纳米硼酸镁/木质素复合材料的制备方法，其特征在于：硼酸盐选用硼酸钠、硼酸钾、硼酸铵、硼酸中的任一种。
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