CN114656605B - 一种纳米SiO2/LPF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SiO2/LPF复合材料的制备方法,属于生物质能源化工领域,该方法包括:(1)碱溶木质素和二氧化硅;(2)在硅酸钠存在下,通过碱、助剂协同催化降解、酚化将木质素转化为木质素酚和单酚;(3)在表面活性剂和乙醇存在下,自组装沉淀制备二氧化硅/木质素酚杂化材料;(4)再原位分批加入甲醛,与颗粒表面酚羟基和游离小分子酚聚合反应,合成生物质酚基酚醛树脂,并包覆、固化在颗粒表面,制备出纳米二氧化硅/木质素酚基酚醛树脂(SiO2/LPF)复合材料。经测试纳米SiO2/LPF复合材料应用在橡胶制品中,显示出优异的补强性能。
Description
技术领域
本发明属于生物质能源化工领域,具体地,涉及一种纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法。
背景技术
随着人们对温室气体排放和化石燃料短缺问题的日益关注,利用可再生资源替代化石资源生产高分子材料成为人们的迫切需求。生物质资源丰富可再生,是可再生能源资源中唯一的碳源。利用生物质中的半纤维素制备木糖、糠醛,利用纤维素生产葡萄糖、乙醇,唯有木质素还没有形成可大规模产业化的产品,目前仍有大量的木质素作为低热值燃料在燃烧。因此,高价值的木质素利用对综合生物炼制的经济可行性至关重要。由于木质素的独特结构,它是生产芳香族化合物唯一可行的可再生资源。它可缓解目前仅靠石油炼制为来源的酚类化合物的生产压力。但是,由于其结构的稳定性,降解并工业化利用木质素还存在很大的难点,大部分的木质素都没有被合理使用,造成了资源的巨大浪费。
目前,对制备木质素/二氧化硅复合材料的研究已经引起了广泛关注,并开展大量工作。公开号为CN113526513A的专利文献中公开的块状木质素-二氧化硅复合气凝胶,通过将木质素、交联剂及催化剂溶解于多元醇中,然后加入二氧化硅前驱体、硅烷偶联剂及去离子水,进行水解缩聚反应,反应充分后,干燥、退火得到块状木质素-二氧化硅复合气凝胶。公开号为CN113480862A的专利文献中公开了一种木质素-二氧化硅复合材料及其制备方法与应用,将胺化木质素与偏硅酸钠溶液进行第一反应,加入氯化铵溶液进行第二反应,调节pH为1~5进行第三反应,即得木质素-二氧化硅复合材料。公开号为CN113367323A的专利文献中公开了一种食品级多功能木质素/二氧化硅纳米颗粒乳化剂的绿色制备方法,首先将SiO2纳米颗粒分散在水中,加入壳聚糖溶液改性,再加入预制水溶性木质素并搅拌,然后离心、超纯水清洗、冷冻干燥得最终样品。公开号为CN110446757A的专利文献中公开了一种从木质纤维素植物材料中同时提取木质素和二氧化硅的方法,包括:a)在酸性溶液条件下预处理;b)碱溶木质素和二氧化硅;c)调pH在5~6,共沉淀木质素和二氧化硅。公开号为CN107771791A的专利文献中公开了一种木质素磺酸盐/二氧化硅介孔纳米球及其制备方法,将木质素磺酸盐溶液与季铵盐型阳离子表面活性剂溶液混合,溶于短链醇,再加入正硅酸乙酯,在搅拌条件下逐滴加入氨水,继续搅拌即得。公开号为CN103665301A的专利文献中公开了一种二氧化硅/木质素型聚氨酯泡沫材料的制备方法。利用稻壳中的木质素制备木质素/二氧化硅纳米复合材料,然后经超声分散溶解于聚醚多元醇,再与异氰酸酯等原料复配,得到二氧化硅/木质素型聚氨酯发泡材料。
上述专利技术对于合成木质素/二氧化硅复合材料及应用付出了大量研究开发工作,为有关研究的深入开展提供了重要的参考价值。但是,这些方法制备出来的木质素/二氧化硅复合物不同程度存在粒径大、分散性差且颗粒不规整,且无法保证木质素和氧化硅颗粒均匀混合,不能构成分子级别的纳米杂化,表面活性低,与聚合物材料的相容性差的问题难以解决,从而导致聚合物材料的力学性能降低。
木质素是一种异质多酚材料,木质素结构的非均质性大分子(大于10000单位)组成,且木质素的结构坚硬而难以化学刻蚀,降解困难且降解后容易再次聚合成大分子,而木质素增值过程中必须先进行降解。因此探索将木质素难降解的多酚网络解聚成芳香单体是木质素应用过程中亟待解决的难题。木质素分子量对粒径控制,对提高木质素的性能和广泛应用具有重要意义。
因此现有技术中需要一种新的技术方案解决这一问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明的目的是提供了一种纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,该方法包括:(1)碱溶木质素和二氧化硅;(2)在硅酸钠存在下,通过碱、助剂和微波协同催化降解、酚化将木质素转化为木质素酚和单酚;(3)在表面活性剂存在下,自组装沉淀制备二氧化硅/木质素酚杂化材料;(4)再在体系中分批加入甲醛,与颗粒表面酚羟基和游离小分子酚聚合反应,合成生物质酚基酚醛树脂,并包覆、固化在颗粒表面,制备出纳米二氧化硅/木质素酚基酚醛树脂(SiO2/LPF)复合材料,有效解决木质素的结构坚硬而难以化学刻蚀,降解困难且降解后容易再次聚合成大分子的问题。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,其特征在于,该制备方法包括如下步骤:
步骤一、将含硅生物质与浓度为1wt%~3wt%的硫酸溶液按固液比1Kg:(7L~10L)混合,加热回流反应2h~4h,过滤分离,得到水解渣洗涤至中性;
步骤二、按水解渣干基与碱性溶液的固液比为1Kg:(5L~8L)将步骤一中洗涤至中性的水解渣与浓度为3wt%~8wt%的氢氧化钠溶液混合,加热回流反应3h~6h,降至室温,过滤分离,得到碱木质素/硅酸钠水溶液;
步骤三、调整步骤二中碱木质素/硅酸钠水溶液中氢氧化钠的浓度为1wt%~2.5wt%,助剂的浓度为0.15wt%~8wt%,加入到消解罐中,设置微波消解仪功率为400W~900W,升温到130℃~180℃,反应10min~40min,降温出料,得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液;
步骤四、向步骤三得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液中加入表面活性剂和乙醇,搅拌10min,用浓度为10wt%~15wt%的硫酸溶液至pH=1~5,形成沉淀悬浮液;
所述表面活性剂的添加量是体系中木质素/SiO2质量的2wt%~5wt%;乙醇的添加量与降解碱木质素/硅酸钠溶液为等体积;
步骤五、调整步骤四悬浮液中酸含量为木质素质量的6%,搅拌均匀,再按木质素:甲醛的质量比为(5~10):1,分批加入浓度为37%的甲醛溶液,第一批加入甲醛溶液总量的80%,调整体系温度为60℃~70℃,加成反应0.5h~1.5h,然后升温到75℃~90℃,加入剩余的20%甲醛溶液,恒温反应1h~2.5h,降至室温,停止反应,得到纳米二氧化硅和酚化降解木质素基酚醛树脂复合材料微球悬浮液;
步骤六、按酚醛树脂和固化剂的质量比为100:(10~15),向步骤五的复合材料微球悬浮液中加入固化剂六亚甲基四胺的水溶液,吸附反应20min~40min,过滤,分离固相和水醇相,水醇相返回配制固化剂溶液或返回步骤四循环利用;
步骤七、将步骤六的固相加入到回转炉中,在温度为80℃~120℃脱水、固化反应5h~12h,制备纳米SiO2/LPF复合材料微球。
进一步,所述步骤一中的含硅生物质包括稻壳、稻草、麦壳和麦草的一种或几种的组合。
进一步,所述步骤三的助剂为硫代硫酸钠、亚硫酸钠或溴化氢。
进一步,所述步骤四中的表面活性剂是聚乙二醇PEG400、聚乙二醇PEG2000、吐温T-80、十二烷基苯磺酸钠中的一种。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:
(1)高效催化降解,将大分子木质素降解为小分子木质素酚和单酚。降解产物的分子量对粒径控制、提高性能和广泛应用具有重要意义。
(2)统一表面官能团,木质素酚和单酚均带有活性酚羟基,可以用生物质酚代替化石苯酚合成酚醛树脂。
(3)在表面活性剂的作用下,木质素酚和硅酸聚合物自组装制备纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料。
(4)经原位聚合,纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料被酚醛树脂均匀包覆,形成纳米SiO2/LPF复合材料,具有优异的橡胶补强性能。
(5)原位生物质基酚醛树脂表面修饰改性纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料,提高了与橡胶相容性和反应活性。酚醛树脂由于苯环体积大,酚醛树脂交联网络具有很高的刚性。已经广泛用于作天然橡胶、乙丙二烯单体橡胶和丁腈橡胶等二烯弹性体的交联剂。酚醛树脂分别与碳双键和烯丙基氢形成化学键,提高了橡胶的力学性能。
(6)硅酸钠存在下,降解木质素分子不会重新聚合,保证了催化降解酚化的效果。
具体实施方式
为了更清楚地表明本发明,下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明,本领域技术人员应当理解,下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的,不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质,公知的方法和过程并没有详细的叙述。
实施例1
一种纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法包括如下步骤:
步骤一、将含硅生物质与浓度为3wt%的硫酸溶液按固液比1Kg:8L混合,加热回流反应3h,过滤分离水解液(送糠醛车间生产糠醛),得到水解渣洗涤至中性;
步骤二、按水解渣干基与碱性溶液的固液比为1Kg:8L将步骤一中洗涤至中性的水解渣与浓度为5wt%的氢氧化钠溶液混合,加热回流反应3h~6h,降至室温,过滤分离,得到粗纤维素,以及碱木质素/硅酸钠水溶液,粗纤维素送纤维素乙醇车间生产乙醇;
步骤三、调整步骤二中碱木质素/硅酸钠水溶液中氢氧化钠的浓度为2wt%,与浓度为5wt%的助剂硫代硫酸钠一并加入到消解罐中,设置微波消解仪功率为700W,升温到170℃,反应20min,降温出料,得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液;
步骤四、向步骤三得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液中加入聚乙二醇PEG2000和乙醇,搅拌10min,用浓度为10wt%的硫酸溶液中和至pH=4,形成沉淀悬浮液;所述聚乙二醇PEG2000的添加量是体系中木质素/SiO2质量的3wt%;此处体系中木质素/SiO2质量是可以测试的,所以此处提及的体系中木质素/SiO2质量是已知的,具体测试过程属于现有技术此处不在详细赘述;乙醇的添加量与降解碱木质素/硅酸钠溶液为等体积;
步骤五、调整步骤四悬浮液中酸含量为木质素质量的6%,搅拌均匀,再按木质素:甲醛的质量比为8:1,分批加入浓度为37%的甲醛溶液,第一批加入甲醛溶液总量的80%,调整体系温度为65℃,加成反应1h,然后升温到80℃,加入剩余的20%甲醛溶液,恒温反应2h,降至室温,停止反应,得到纳米二氧化硅和酚化降解木质素基酚醛树脂复合材料微球悬浮液;
步骤六、按酚醛树脂和固化剂的质量比为100:15,向步骤五的复合材料微球悬浮液中,加入固化剂六亚甲基四胺的水溶液,吸附反应30min,过滤,分离固相和水醇相,水醇相返回配制固化剂溶液或返回步骤四循环利用;
步骤七、将步骤六的固相加入到回转炉中,在温度为120℃脱水、固化反应8h,经打散制备纳米SiO2/LPF复合材料微球颗粒,记为1-SiO2/LPF。
实施例2
将实施例1步骤三中助剂硫代硫酸钠的浓度改为0.5wt%,其他条件与实施例1相同,制备2-SiO2/LPF。
实施例3
将实施例1步骤三中助剂硫代硫酸钠用溴化氢替换,其他条件与实施例1相同,制备3-SiO2/LPF。
实施例4
将实施例1步骤三中助剂硫代硫酸钠用亚硫酸钠替换,其他条件与实施例1相同,制备4-SiO2/LPF。
实施例5
将实施例1步骤四中表面活性剂PEG2000改换为PEG400,其他条件与实施例1相同,制备5-SiO2/LPF。
实施例6
将实施例1步骤四中表面活性剂PEG2000改换为T-80,其他条件与实施例1相同,制备6-SiO2/LPF。
实施例7
将实施例1步骤四中表面活性剂PEG2000改换为十二烷基苯磺酸钠,其他条件与实施例1相同,制备7-SiO2/LPF。
测试通过上述的制备方法制备得到的纳米SiO2/LPF复合材料:
将步骤七制备纳米SiO2/LPF复合材料微球颗粒、天然橡胶和其他添加料在密炼机中按比例混合,密炼混合分为两段,第一段:设定转速为60rpm,温度为120℃,时间6.5min;第二段:设定转速为20rpm,温度为100℃,时间5min;随后,将胶料从密炼机中取出,放入平板硫化仪进行硫化,设定温度为140℃,压力为20MPa,时间15min,反应结束后即得硫化胶样品,制样,测试力学性能。
具体测试力学性能的各组分比例如下:天然橡胶100份,炭黑25份,纳米SiO2/LPF复合材料微球颗粒25份,芳烃油6份,氧化锌5份,防老剂4010NA 1份,硬脂酸2.5份,硫磺2.3份,石蜡1份,促进剂NOBS 0.7份。
通过表1可以看出,在表面活性剂、乙醇的作用下,降解木质素酚和二氧化硅均合成出纳米颗粒,并在酚醛树脂作用下,添加在橡胶制品中,大幅度提高了制品的力学性能。
表1样品粒径及硫化胶的力学性能
经过本发明提出的纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,具有如下优点:
(1)高效催化降解,将木质素数均分子量Mn从1.5~2.5万降低到300~600;大分子木质素降解为木质素酚和单酚。降解产物的分子量对粒径控制、提高性能和广泛应用具有重要意义。
(2)统一表面官能团,活性酚羟基含量从解聚前的8.20%增加到29.82%,提高了263%。
(3)在表面活性剂的作用下,木质素酚和硅酸聚合物自组装制备纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料。
(4)经原位聚合,纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料被酚醛树脂均匀包覆,形成纳米SiO2/LPF复合材料,具有优异的橡胶补强性能。
(5)原位生物质基酚醛树脂表面修饰改性纳米二氧化硅/木质素酚杂化材料,提高了与橡胶相容性和反应活性。酚醛树脂由于苯环体积大,酚醛树脂交联网络具有很高的刚性。已经广泛用于作天然橡胶、乙丙二烯单体橡胶、和丁腈橡胶等二烯弹性体的交联剂。酚醛树脂分别与碳双键和烯丙基氢形成化学键,提高了橡胶的力学性能。
(6)硅酸钠存在下,降解木质素分子不会重新聚合,保证了催化降解酚化的效果。
Claims (3)
1.一种纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,其特征在于,该制备方法包括如下步骤:
步骤一、将含硅生物质与浓度为1wt%~3wt%的硫酸溶液按固液比1Kg:(7L~10L)混合,加热回流反应2h~4h,过滤分离,得到水解渣洗涤至中性;
步骤二、按水解渣干基与碱性溶液的固液比为1Kg:(5L~8L)将步骤一中洗涤至中性的水解渣与浓度为3wt%~8wt%的氢氧化钠溶液混合,加热回流反应3h~6h,降至室温,过滤分离,得到碱木质素/硅酸钠水溶液;
步骤三、调整步骤二中碱木质素/硅酸钠水溶液中氢氧化钠的浓度为1wt%~2.5wt%,助剂的浓度为0.15wt%~8wt%,加入到消解罐中,设置微波消解仪功率为400W~900W,升温到130℃~180℃,反应10min~40min,降温出料,得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液;
步骤四、向步骤三得到的降解碱木质素/硅酸钠溶液中加入表面活性剂和乙醇,搅拌10min,用浓度为10wt%~15wt%的硫酸溶液至pH=1~5,形成沉淀悬浮液;
所述表面活性剂的添加量是体系中木质素/SiO2质量的2wt%~5wt%;乙醇的添加量与降解碱木质素/硅酸钠溶液为等体积;
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步骤七、将步骤六的固相加入到回转炉中,在温度为80℃~120℃脱水、固化反应5h~12h,制备纳米SiO2/LPF复合材料微球;
所述步骤三的助剂为硫代硫酸钠、亚硫酸钠或溴化氢。
2.根据权利要求1所述的纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤一中的含硅生物质包括稻壳、稻草、麦壳和麦草的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的纳米SiO2/LPF复合材料的制备方法,其特征在于:所述步骤四中的表面活性剂是聚乙二醇PEG400、聚乙二醇PEG2000、吐温T-80、十二烷基苯磺酸钠中的一种。
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