一种抑烟阻燃酚醛碳泡沫及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于木质素高质化利用技术领域，更具体地涉及一种采用分子量可控的木质素解聚产物制备抑烟阻燃酚醛碳泡沫的方法及抑烟阻燃酚醛碳泡沫及其应用。先利用碱催化降解，得到分子量为1000以下的木质素降解产物，实现原料分子量均一化、木质素预处理均质化过程，再定向聚合降解产物，通过交联聚合条件的系统调控，实现分子量可控及形成有机预聚体的操作，最后应用两步处理后的分子量可控的木质素解聚产物制备酚醛树脂，进而开发出一种低热释放、抑烟性好的本征阻燃碳泡沫。本发明专利技术满足开发可再生资源、发展绿色循环经济、走可持续发展道路的要求，为植物基生物质高质化利用开辟了一个全新的应用领域。了一个全新的应用领域。了一个全新的应用领域。

【技术实现步骤摘要】
一种抑烟阻燃酚醛碳泡沫及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于木质素高质化利用
，更具体地涉及一种采用分子量可控的木质素解聚产物制备抑烟阻燃酚醛碳泡沫的方法及抑烟阻燃酚醛碳泡沫及其应用。

技术介绍

[0002]碳泡沫是以碳原子之间相互堆积为骨架，形成具有孔隙的三维立体网状结构，是一种密度小、强度高、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、孔隙丰富(总孔隙率达60％～70％)的材料。一方面，因其特殊的结构，碳泡沫具有低热膨胀性、抗热应力和一定的耐冲击性能，赋予其隔热能力。另一方面，在碳化反应的影响下，改变了泡沫聚合物原本的燃烧进程，即生成相对难燃的碳可以抑制其他裂解产物的生成，还能将聚合物与火焰和空气隔离，延缓燃烧过程中分解产物的挥发和反应。此外，碳泡沫还具有良好的相容性，通过化学气相沉积工艺可以作为众多氮化物、磷化物、硼化物等的基底材料，能与许多阻燃剂进行复配。这使得碳泡沫可以作为隔热、阻燃材料在消烟防火领域发挥作用。目前，常用于制备碳泡沫的前驱体主要有沥青、聚氨酯、酚醛树脂和生物质等。其中，酚醛树脂是酚类化合物和醛类化合物的缩聚产物，其碳残余量高(95％)的特点赋予其阻燃性能。相比于其他基体的碳泡沫材料，酚醛碳泡沫具有基体材料制造技术成熟、材料结构易调节、热稳定性强、隔热性能好、防火性能优、燃烧过程无滴落、产生毒气少等优势。
[0003]随着地球上不可再生资源的消耗，寻求可替代石油的原材料势在必行。由于木质素是以苯丙烷结构单体聚合而成的天然高分子聚合物，这些与苯酚相似的结构使得木质素能发生羟甲基化、交联固化等反应，使木质素应用于热固性树脂生产具备可能性。与此同时，由于火灾中烟气对人的致命影响往往比燃烧本身大，抑烟性能对于防火阻燃材料而言极为重要。任何有机物在燃烧时都会产生CO、CO2和水，而CO是一种具有强毒性的窒息性气体，其无色无味，被人体大量吸入后会与血液中的血红蛋白结合，生成碳氧血红蛋白(COHb)，阻碍氧合血红蛋白的形成，此外，CO与血红蛋白结合的速度要比氧气结合的速度快210倍，因此即使在CO浓度较低的情况下，也会导致人体中氧合血红蛋白减少导致缺氧，造成大脑窒息缺氧损伤，由于CO的特殊性，其被看作是火灾中最具有危害性的气体。
[0004]木质素作为酚类化合物的潜在原料来源，利用了其天然的大分子苯环结构，增加了碳泡沫的碳残余量，带给产品更好的减烟、阻燃隔热性能。此外，大分子量的木质素具有优良的粘结和抗高温性能，其丰富的苯环结构常被用于粘结剂和抑尘剂的开发应用。例如，在中国专利申请CN112521566A中公开了一种木质素基本征阻燃酚醛泡沫的制备方法。具体是利用木质素结构中的苯环，在其一侧通过羰基连接另一个苯环，形成二苯甲酮结构，通过增加苯环含量以增大分子量提高产品燃烧后的碳残余量，达到本征阻燃目的，所得到的木质素基本征阻燃泡沫氧指数明显升高。然而，上述专利技术专利在木质素基二苯甲酮合成的过程中，反应涉及卤素盐溶液，在燃烧过程可能产生有害气体，且反应过程复杂，未能充分利用木质素分子量大、苯环结构多的天然本征阻燃、抑烟的特性。目前分子量可控木质素解聚产物制备抑烟阻燃酚醛碳泡沫及工艺在国内还未出现报告。
[0005]然而，木质素结构复杂，分子量呈现多分散性，分子量的不均一性(分子量在200～10000不等)等都是限制其进一步高值化利用利用的原因。一方面，因植物种类、生长环境、聚合程度不足等因素导致了木质素的分子量的多分散性。另一方面，单体结构间化学键的复杂性也使得木质素在分离过程中结合键断裂不均，导致提取木质素的分子量呈现差异化。在不考虑木质素分子量的影响下，直接将其应用于后续生产，极易导致产品质量波动，影响生产销售。当下，常用的木质素分子量均一化的操作多采用溶剂梯度分级处理的方式，但此法存在溶剂消耗量大，回收困难，易造成原料浪费及二次污染等问题。此外，木质素自身通常处于预缩合的刚性状态，其芳香环取代基(如丙基、甲氧基等)的空间位阻效应极大，使得木质素不可避免地存在反应活性差的问题。因此，寻找绿色环保的分子量可控的木质素处理方法是实现在木质素高值化利用的重要途径之一。

技术实现思路

[0006]为进一步拓展木质素的应用领域，需要提供一种操作简单、节约成本的分子量可控的木质素改性方法并将其应用于酚醛碳泡沫的生产制备，以解决木质素自身通常处于预缩合的刚性状态导致的其芳香环取代基(如丙基、甲氧基等)的空间位阻效应极大、反应活性差，常规的采用溶剂梯度分级对木质素分子量均一化的操作带来的溶剂消耗量大、回收困难、原料浪费及二次污染等问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术的第一方面，专利技术人提供了一种抑烟阻燃酚醛碳泡沫的制备方法，包括以下步骤：
[0008]解聚木质素：将一定量的木质素与复合碱、去离子水以质量比为2∶2∶20混合均匀，超声处理后置于高压反应釜中反应，得到木质素解聚产物，所述木质素解聚产物的分子量为300～1000；
[0009]改性木质素解聚产物：将所述木质素解聚产物蒸发浓缩，控制含固量在40％～50％，在30℃～60℃下滴加交联剂后升温至70℃～100℃反应3h～6h后，去除多余水分，得到木质素改性产物，所述木质素改性产物的分子量为1000～3000；
[0010]制备木质素酚醛树脂：将所述木质素改性产物与熔融苯酚混合，控制反应温度为60℃～80℃，按一定预设时间间隔分批加入醛类聚合物，然后加入NaOH溶液在80℃～120℃下反应，得到所述木质素酚醛树脂，以重量份数计，所述木质素改性产物、熔融苯酚和醛类聚合物的用量比为(5.5～20.2)∶(47.1～50.0)∶(26.2～37.5)；
[0011]发泡固化：将所述木质素酚醛树脂与表面活性剂、匀泡剂、发泡剂和固化剂混合均匀，置于30℃～75℃条件下发泡固化后脱模，得到木质素酚醛树脂泡沫；
[0012]制备抑烟阻燃酚醛碳泡沫：将所述木质素酚醛树脂泡沫切割至预设规格，置于高温反应器下处理，得到所述抑烟阻燃酚醛碳泡沫。
[0013]上述技术方案先利用复合碱催化降解木质素，得到分子量为1000以下的木质素降解产物，实现原料分子量均一化、木质素预处理均质化过程。本专利技术所用的木质素主要为由不同植物提取的碱木素，这些植物例如包括但不限于：绿竹、毛竹、木头、菌草、玉米芯等任意一种或至少两种的组合而成。本专利技术中，超声处理为本领域常规的改变物质的物理、化学、生物特性或状态处理方式，具体的工作条件为在常温下超声处理5min左右。
[0014]高压反应釜是高温、高压下进行化学反应常用的装置，本专利技术中将前面步骤得到
的混合液置于高压反应釜中后工作参数为200℃，反应时间内为4h左右。高压反应釜反应后得到的产物实现了木质素原料的分子量均一化、木质素预处理均质化。这样，改善了木质素分子量多分散性并实现了木质素分子量可控，为后续形成均一的有机预聚体打下了重要基础。
[0015]接着通过改性进行定向聚合木质素解聚产物，通过交联聚合条件的系统调控，实现分子量可控及形成有机预聚体的操作，最后应用分子量在一定范围内的改性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑烟阻燃酚醛碳泡沫的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：解聚木质素：将木质素与复合碱、去离子水以质量比为2∶2∶20混合均匀，超声处理后置于高压反应釜中反应，得到木质素解聚产物，所述木质素解聚产物的分子量为300～1000；改性木质素解聚产物：将所述木质素解聚产物蒸发浓缩控制含固量为40％～50％，在30℃～60℃下滴加交联剂后升温至70℃～100℃反应3h～6h后，去除多余水分，得到木质素改性产物，所述木质素改性产物的分子量为1000～3000；制备木质素酚醛树脂：将所述木质素改性产物与熔融苯酚混合，控制反应温度为60℃～80℃，按一定预设时间间隔分批加入醛类聚合物，然后加入NaOH溶液在80℃～120℃下反应，得到所述木质素酚醛树脂，以重量份数计，所述木质素改性产物、熔融苯酚和醛类聚合物的用量比为(5.5～20.2)∶(47.1～50.0)∶(26.2～37.5)；发泡固化：将所述木质素酚醛树脂与表面活性剂、匀泡剂、发泡剂和固化剂混合均匀，置于30℃～75℃条件下发泡固化后脱模，得到木质素酚醛树脂泡沫；制备抑烟阻燃酚醛碳泡沫：将所述木质素酚醛树脂泡沫切割至预设规格，置于高温反应器下处理，得到所述抑烟阻燃酚醛碳泡沫。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述复...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明华，周郁欣，郭鸿，刘以凡，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：