溶剂型木质素改性树脂制备木陶瓷的方法技术

本发明专利技术提供了一种以溶剂型木质素为改性原料制备木陶瓷的方法，该方法采用溶剂型木质素制备木质素改性酚醛树脂，再用木质素改性酚醛树脂和木粉或果壳粉末共混、浸渍，最后通过热压工艺和烧结工艺，获得多孔状木质素改性木陶瓷。本发明专利技术用溶剂型木质素改性酚醛树脂替代传统的酚醛树脂制备木陶瓷，得到高气孔率，高比表面积，孔径均匀的木陶瓷。本发明专利技术采用可再生的生物质材料——木质素为原料制备木陶瓷，既可少用酚类原料、降低木陶瓷的成本，又能减少石油化学品的消耗、节能减排，将会产生重大的社会效益；并且木质素改性树脂制备木陶瓷的加工工艺简单、容易实施，效果良好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用，属于材料制备领 域，更具体而言，涉及一种“环境材料”(Eco-materials)。所谓环境材料是指那些与生态环 境协调相容，或可被环境降解，或对环境有一定净化和修复功能的材料。
技术介绍
材料是人类社会存在和发展的基础，新材料的不断出现和应用是人类文明进步的 重要标志之一。随着社会的进步、经济的发展和生活水平的提高，人们越来越关注地球的资 源、环境和生态平衡等问题。 木材、坚果果壳等生物质是一种重要的可再生的天然高分子材料，与其它源于矿 产资源的材料相比，生物质材料的突出优势在于它的可再生性。有效地利用生物质资源 符合人类社会可持续发展的目标。因此对生物质材料进行合理开发，创造高性能的复合材 料，是环境材料今后发展的方向。但是目前森林资源面临严重不足，为了保护自然资源， 高效利用生物质资源，需尝试用木材废料、果壳等产业废弃物制造木质新材料。木材陶瓷 (ffoodceramics,WCS)就是基于这种“利用废弃材料，创造高性能新材料”的思想而开发出的 一种环境友好材料。木陶瓷是生物质材料在热固性树脂溶液中浸渍后，在真空(或通入氮气、二氧化 碳或氩气保护)条件下，经高温烧结炭化而成的一类木质基、新型多孔炭材料。最初是由 日本青森工业试验场的岗部敏弘等于1990年提出的，其研究结果表明木陶瓷在热学、电磁 学、和摩擦学等方面具有优异的特性，可广泛用作电极、刹车衬里、耐腐蚀材料、绝热材料、 过滤材料等，是21世纪某些不可再生材料的理想替代品，具有广阔的应用前景。从本质上说，木陶瓷是由无定形炭、玻璃炭和孔隙组成的网络形态的碳一碳复合 材料。在这个网络结构的形成过程中，高温烧结炭化是关键步骤。其中炭化过程中伴随有复 杂的脱水、蒸发、纤维素断链、脱氢、交联和(碳)晶型转变等反应变化。其转化机理如下 (1)在高温隔绝氧气条件下，生物质中纤维素、半纤维素和木质素发生热分解，在40(TC左右 形成芳香族稠环，而后缓慢分解为软质无定形炭；(2)酚醛树脂也发生热分解，在500°C以 上分解形成石墨多环，而后形成硬质玻璃炭；(3)生物质材料和酚醛树脂的热分解，大量热 解气体和小分子物质的挥发，留下大量气孔，并且木材和树脂浸渍均勻，而在炭化过程中， 由于木材的收缩大于酚醛树脂的收缩，也导致大量气孔的产生。玻璃炭是一种硬质炭，它既有炭材料的耐热、耐腐蚀、高热导率、导电性，也具有玻 璃的高强度、高硬度、高杨氏模量、均质性等性能，因此赋予了木陶瓷好的结构性能，为其作 为机械材料奠定了基础。而多孔结构，使木陶瓷可以作为过滤材料，吸附材料，电磁屏蔽材料等先进的功能材料，正是木陶瓷的这种无定形炭、玻璃炭和孔隙组成的网络形态决定了它独特而优异的性能，奠定了它作为功能材料和结构材料的基础。木质素是广泛存在于植物体中的一种天然高聚物，是一种丰富的可再生资源。随 着人类对环境污染和资源危机等问题的认识不断深入，天然高分子所具有的可再生、可降 解性等性质日益受到重视。废弃物的资源化与可再生资源的合理利用是当代经济与社会发 展的重大课题。溶剂型木质素由于溶剂法制备工艺过程中生物质中含有的木质素的分子结 构受损较少，因此木质素所含的活性基团得到较好的保存。作为高分子合成或改性产品原 料，溶剂型木质素相比传统的木质素磺酸盐、碱木素具有很多独特的优势，例如更高的反应 活性基团比例、杂质少、纯度高等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种以溶剂型木质素为改性原料制备木陶瓷的方法。该方 法通过采用可再生资源——溶剂型木质素替代部分酚类制备改性酚醛树脂，利用木质素和 木粉、坚果果壳的分子结构相似，使木质素改性树脂和木粉、果壳具有更好的亲合力以及木 质素在高温碳化时容易产生孔隙的特征，达到制备改性木陶瓷的目的。本专利技术采用溶剂型木质素制备木质素改性酚醛树脂，再用木质素改性酚醛树脂和 木粉或果壳粉末共混、浸渍，最后通过热压工艺和烧结工艺，获得多孔状木质素改性木陶 瓷。所述的木质素是采用溶剂法从含有木质素组分的生物质原料直接提取或从木片、竹子、 草木秸秆发酵制备乙醇、功能性多糖或生物天然气的残渣中提取得到的天然高分子材料； 所述木质素改性酚醛树脂是用溶剂型木质素在碱催化剂作用下和酚、醛化合物，经过缩合 反应制得的木质素改性酚醛树脂；其中所用的碱催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或氨 水中的一种或几种碱的混合物；所用的酚为苯酚、甲酚、壬基酚或腰果酚中的一种或几种酚 的混合物；所用的醛为甲醛、乙醛或糠醛中的一种或几种醛的混合物。具体步骤如下1、制备木粉、坚果果壳粉末原料将木片、木屑或果壳于60-100°C条件下烘干，再经破碎、过筛，选择粒度小于100目的 木粉、果壳粉末备用。2、制备木质素改性木陶瓷(1)将溶剂型木质素溶解在酚类有机物中，所述溶剂型木质素重量占溶剂型木质素与 酚类有机物总重量的5-30%;按酚醛的摩尔比为1:1. 1-1. 3配比加入醛溶液，再加入占上述 混合溶液总重量的0. 1 - 3%的碱为催化剂，在75-95°C条件下持续反应1. 5-3. 5h，经冷却， 得到液体状热固性的溶剂型木质素改性酚醛树脂；(2)将上述的木质素改性酚醛树脂加水配制成质量浓度为30-50%的树脂溶液，将其与 木粉或坚果果壳粉末按重量比为1:0. 9-1.3的配比混合均勻，在常温常压下浸渍48 72h， 于50-80°C的烘箱内烘干；烘干后的产物在压力8-12MPa，温度140_170°C下模压成试 样条或样片；将试样放入放在真空加热炉或惰性气体保护的加热炉中预热、逐步升温至 450-650°C度，减压抽出低分子组分后再继续升温至1000 — 1600°C，真空炭化3. 0-6. Oh后，随炉冷却至室温制得多孔状木质素改性木陶瓷。本专利技术人曾经对溶剂型木质素和木质素改性酚醛树脂进行过多年研究，并得到创 新性的研究成果(如髙沸醇溶剂法制备纸浆与木质素的装置，技术专利02287699. 5 ； 酶解木质素的分离提取方法，国家专利技术专利号ZL200510099747. 8 ；高沸醇木质素聚氨酯的 制备，国家专利技术专利号ZL200510018126. 2 ；髙沸醇木质素橡胶改性添加剂的制备方法，国 家专利技术专利号ZL03113395. 9 ；酶解木质素或它的衍生物改性酚醛发泡材料及其制备方法， 国家专利技术专利申请号200810071003. 9 ；酶解木质素或它的衍生物改性热熔型酚醛树脂的 原料配方及制备方法，国家专利技术专利申请号200810072174. 3)，在上述研究基础上，本专利技术 人继续锐意探索，发现用溶剂型木质素改性酚醛树脂替代传统的酚醛树脂制备木陶瓷，得 到比重更小，孔隙率更高的新型木陶瓷。因为溶剂型木质素改性酚醛树脂在分子结构方面 和木粉、坚果果壳中的木质素相近，从理论上来说，木质素改性的酚醛树脂相比纯粹的酚醛 树脂更易于与木粉相互均勻浸渍、渗透，木质素在高温 条件下碳化更容易形成均勻的孔隙， 可以得到高气孔率，高比表面积，孔径均勻的木陶瓷。本专利技术采用可再生的生物质一木质素 为原料制备木陶瓷，既可替代部分苯酚、降低木陶瓷的成本，又能减少石油化学品的消耗、 节能减排，将会产生重大的社会效益；并且木质素改性木陶瓷的加工工艺简单、容易实施， 效果良好。以溶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以溶剂型木质素为改性原料制备木陶瓷的方法，其特征在于：采用溶剂型木质素制备木质素改性酚醛树脂，再用木质素改性酚醛树脂和木粉或果壳粉末共混、浸渍，最后通过热压工艺和烧结工艺，获得多孔状木质素改性木陶瓷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：程贤甦，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：35[中国|福建]