利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，包括：（1）生物質(zhì)材料的液化轉(zhuǎn)化；（2）可發(fā)性樹脂的合成；（3）合成樹脂的發(fā)泡。優(yōu)點(diǎn)在于：利用農(nóng)林廢棄剩余物通過酸催化酚醇液化使其轉(zhuǎn)化成具有高反應(yīng)活性的酚型、糠醛型、多元醇類、多元羧酸類低分子結(jié)構(gòu)物，在樹脂化過程中用固體多聚甲醛替代部分甲醛溶液，因而不需要真空脫水程序即可制備適于發(fā)泡的高固體含量的樹脂，該樹脂具有酚醛樹脂和聚氨酯部分性能，制成的泡沫材料克服酚醛泡沫脆化掉渣的缺點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的質(zhì)輕、阻燃、隔聲、防潮、隔熱性能；成本低、環(huán)?？杀豢蓾M足包裝緩沖材料和建筑阻燃保溫材料的應(yīng)用要求。
【專利說明】利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沬材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，屬于木材科學(xué)與技術(shù)、農(nóng)林剩余物轉(zhuǎn)化利用【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]有機(jī)高分子泡沫材料具有質(zhì)輕、隔熱、隔音、減震、阻燃、防潮等各種優(yōu)良性能，因而廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品包裝運(yùn)輸、車船制造、建筑絕熱、管線保溫防護(hù)等領(lǐng)域，成為繼橡膠、塑料、纖維之后的一大重要的高分子材料。但日益增長的合成高分子泡沫材料不僅消耗大量的石油資源，難以降解的泡沫塑料垃圾對生態(tài)環(huán)境的威脅也越來越大，因此利用可再生天然生物質(zhì)材料替代石油基化學(xué)品開發(fā)具有可循環(huán)利用和可生物降解的生物質(zhì)基泡沫材料具有重要意義。
[0003]目前，國內(nèi)外對生物質(zhì)基泡沫材料的研究與應(yīng)用，主要包括天然樹脂基泡沫材料、植物油脂基泡沫材料、木素纖維基泡沫材料和淀粉基泡沫材料。其主要原理是利用生物質(zhì)材料中的天然樹脂、多元醇、多元羧酸、酚類物質(zhì)等成分替代化學(xué)品用于泡沫材料的制備。因而具有原料來源廣、成本低、環(huán)保型好等優(yōu)點(diǎn)，可被應(yīng)用于包裝緩沖材料和建筑阻燃保溫材料等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是一種利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其目旨在提高生物質(zhì)材料的利用價(jià)值，降低石油化工產(chǎn)品消耗。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，包括如下工藝步驟:
(1)生物質(zhì)材料的液化轉(zhuǎn)化，包括
1)將生物質(zhì)材料干燥至含水率為16%以下，粉碎成100~400目的粉末。其中所述的生物質(zhì)材料包括由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素組成的天然材料、尤指木竹、秸桿、果殼、樹皮、甘蔗渣、玉米芯農(nóng)林生物質(zhì)材料；
2)將生物質(zhì)粉末與液化劑攪拌混合均勻，持續(xù)攪拌，并在50~90°C條件下緩慢加入催化劑，升溫至115~150°C，持續(xù)反應(yīng)60~120min，降溫至90°C以下，緩慢加入濃度不低于30%的燒堿溶液，調(diào)整pH值為10.0~13.0，持續(xù)冷卻降溫至30~50°C得到生物質(zhì)的酚醇液化產(chǎn)物；
(2)可發(fā)性樹脂的合成
將反應(yīng)釜中的生物質(zhì)酚醇液化產(chǎn)物升溫至40~50°C，依次按比例加入甲醛和多聚甲醛，攪拌20~60min，升溫至80~95°C，繼續(xù)反應(yīng)60~120min，冷卻到40°C以下，放料，制成生物質(zhì)基可發(fā)性樹脂；
(3)合成樹脂的發(fā)泡
將可發(fā)性樹脂與表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑依次加入到容器中，快速攪拌均勻，迅速倒入模具中，并置于放入60~90°C的環(huán)境中發(fā)泡固化，50~90°C熟化60~180min，取出脫模，冷卻，制得生物質(zhì)基泡沫材料。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):利用農(nóng)林廢棄剩余物通過酸催化酚醇液化使其轉(zhuǎn)化成具有高反應(yīng)活性的酚型、糠醛型、多元醇類、多元羧酸類低分子結(jié)構(gòu)物，在樹脂化過程中用固體多聚甲醛替代部分甲醛溶液，因而不需要真空脫水程序即可制備適于發(fā)泡的高固體含量的樹脂，該樹脂具有酚醛樹脂和聚氨酯部分性能，制成的泡沫材料克服酚醛泡沫脆化掉渣的缺點(diǎn)，并且具有優(yōu)良的質(zhì)輕、阻燃、隔聲、防潮、隔熱性能；成本低、環(huán)?？杀豢蓾M足包裝緩沖材料和建筑阻燃保溫材料的應(yīng)用要求。
【具體實(shí)施方式】
[0007]利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，包括如下工藝步驟:
(1)生物質(zhì)材料的液化轉(zhuǎn)化，包括
1)將生物質(zhì)材料干燥至含水率為16%以下，粉碎成100~400目的粉末。其中所述的生物質(zhì)材料包括由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素組成的天然材料、尤指木竹、秸桿、果殼、樹皮、甘蔗渣、玉米芯農(nóng)林生物質(zhì)材料；
2)將生物質(zhì)粉末與液化劑攪拌混合均勻，持續(xù)攪拌，并在50~90°C條件下緩慢加入催化劑，升溫至115~150°C，持續(xù)反應(yīng)60~120min，降溫至90°C以下，緩慢加入濃度不低于30%的燒堿溶液，調(diào)整pH值為10.0~13.0，持續(xù)冷卻降溫至30~50°C得到生物質(zhì)的酚醇液化產(chǎn)物；
(2)可發(fā)性樹脂的合成
將反應(yīng)釜中的生物質(zhì)酚醇液化產(chǎn)物升溫至40~50°C，依次按比例加入甲醛和多聚甲醛，攪拌20~60min，升溫至80~95°C，繼續(xù)反應(yīng)60~120min，冷卻到40°C以下，放料，制成生物質(zhì)基可發(fā)性樹脂；
(3)合成樹脂的發(fā)泡
將可發(fā)性樹脂與表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑依次加入到容器中，快速攪拌均勻，迅速倒入模具中，并置于放入60~90°C的環(huán)境中發(fā)泡固化，50~90°C熟化60~180min，取出脫模，冷卻，制得生物質(zhì)基泡沫材料。
[0008]所述的步驟(1)中的液化劑由苯酚與聚乙二醇的混合物,其中苯酚與聚乙二醇的質(zhì)量比為100: (20~60)。
[0009]所述的生物質(zhì)粉末與液化劑的質(zhì)量比為100: (30~100)。
[0010]所述的步驟(1)中的催化劑中濃硫酸與濃鹽酸的純物質(zhì)間的質(zhì)量比為100: (O~100)。
[0011]所述的步驟(1)中的生物質(zhì)粉末與催化劑純物質(zhì)、固體燒堿的質(zhì)量比為100:(5 ~10): (8 ~16)。
[0012]所述的步驟(2)中的生物質(zhì)酚醇液化產(chǎn)物與甲醛、多聚甲醛的純物質(zhì)的質(zhì)量比為:100: (10 ~30): (90 ~70) 。
[0013]所述的步驟(3)中的表面活性劑指吐溫-80、0P-10、蓖麻油非離子型表面活性劑的一種或兩種以上的混合物，混合物中吐溫-80、0P-10、蓖麻油的質(zhì)量比為:100: (O~100): (O~100)，表面活性的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的5~15%。[0014]所述的發(fā)泡劑指正戊烷、二氯甲烷、石油醚的一種或幾種的混合物，混合物中正戊烷、二氯甲烷、石油醚的質(zhì)量比為100: (O~100): (O~100)，發(fā)泡劑的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的5~20% ;固化劑指1，4 丁內(nèi)酯或碳酸乙烯酯或ε -己內(nèi)酯的一種，與磷酸或硼酸的其中一種的混合物，二者質(zhì)量比為100: (O~100)，固化劑的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的8~20% ;在加入表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑之前，先向可發(fā)性樹脂中添加適量微細(xì)填料和水溶性鋅鹽或磷酸胺鹽阻燃劑，微細(xì)填料和阻燃劑的用量分別為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的0.1~20%和0.1~5%，其中微細(xì)填包括?；⒅?、納米二氧化硅、空心微球無機(jī)粒子。
[0015]實(shí)施例1
將熔融的苯酚300g、聚乙二醇150g、濃硫酸30.6g依次加入反應(yīng)釜，開啟攪拌器，攪拌均勻后，加入300g木粉，升溫至135°C，反應(yīng)90min后，冷卻降溫至80°C，加入中和燒堿溶液(濃度40% ) 150g，溫度降至60°C以下緩慢滴加燒堿溶液(濃度40% ) 245g,攪拌20min后，溫度降至45°C加入第一批甲醛溶液(濃度37%) 200g,固體多聚甲醛75g，緩慢升溫到75°C，反應(yīng)60min后，加入第二批甲醛溶液(濃度37%)285g，固體多聚甲醛60g，升溫至85°C，保溫40min后降溫冷卻至40 O,放料備用。
[0016]上述條件制得的可發(fā)性樹脂為棕褐色粘稠不透明液體，粘度為5600mpa.s,固體含量68%，pH值11.5，貯存期不低于20天。
[0017]采用該可發(fā)性樹脂制備泡沫材料，將可發(fā)性樹脂100g，吐溫-80與0P-10 (1:1)復(fù)配表面活性劑8g，正戊烷發(fā)泡劑10g，固化劑1，4- 丁內(nèi)酯12g依次加入容器中，快速攪拌均勻，迅速倒入模具中，并置于放入75°C的環(huán)境中發(fā)泡固化，在65°C的環(huán)境中熟化120min,取出脫模，冷卻，制得生物質(zhì)基泡沫材料。 [0018]上述條件制得的泡沫材料的表觀密度為0.16g/cm3,發(fā)泡倍率為5倍，壓縮強(qiáng)度為0.38MPa，吸水率為6.8%。泡沫導(dǎo)熱系數(shù)為0.346w/m.k，在中頻區(qū)(250~1200Hz)的平均吸聲系數(shù)為0.491，極限氧指數(shù)為36.2。
[0019]實(shí)施例2
采用實(shí)施例1制備的可發(fā)性樹脂制備泡沫體，將可發(fā)性樹脂100g，玻化微珠無機(jī)粒子8g,吐溫-80與0P-10 (1:1)復(fù)配表面活性劑10g，正戊烷發(fā)泡劑10g，固化劑1，4_ 丁內(nèi)酯12g依次加入容器中，快速攪拌均勻，迅速倒入模具中，并置于放入75°C的環(huán)境中發(fā)泡固化，在65°C的環(huán)境中熟化120min，取出脫模，冷卻，制得生物質(zhì)基泡沫材料。
[0020]上述條件制得的泡沫材料的表觀密度為0.21g/cm3,發(fā)泡倍率為4倍，壓縮強(qiáng)度為
0.52MPa，吸水率為4.1%。泡沫導(dǎo)熱系數(shù)為0.365w/m.k，在中頻區(qū)(250~1200Hz)的平均吸聲系數(shù)為0.51，極限氧指數(shù)為40.2。
【權(quán)利要求】
1.利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于該方法包括如下工藝步驟: (1)生物質(zhì)材料的液化轉(zhuǎn)化，包括 1)將生物質(zhì)材料干燥至含水率為16%以下，粉碎成100~400目的粉末；其中所述的生物質(zhì)材料包括由木質(zhì)素、纖維素、半纖維素組成的天然材料、尤指木竹、秸桿、果殼、樹皮、甘蔗渣、玉米芯農(nóng)林生物質(zhì)材料； 2)將生物質(zhì)粉末與液化劑攪拌混合均勻，持續(xù)攪拌，并在50~90°C條件下緩慢加入催化劑，升溫至115~150°C，持續(xù)反應(yīng)60~120min，降溫至90°C以下，緩慢加入濃度不低于30%的燒堿溶液，調(diào)整pH值為10.0~13.0，持續(xù)冷卻降溫至30~50°C得到生物質(zhì)的酚醇液化產(chǎn)物； (2)可發(fā)性樹脂的合成 將反應(yīng)釜中的生物質(zhì)酚醇液化產(chǎn)物升溫至40~50°C，依次按比例加入甲醛和多聚甲醛，攪拌20~60min，升溫至80~95°C，繼續(xù)反應(yīng)60~120min，冷卻到40°C以下，放料，制成生物質(zhì)基可發(fā)性樹脂； (3)合成樹脂的發(fā)泡 將可發(fā)性樹脂與表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑依次加入到容器中，快速攪拌均勻，迅速倒入模具中，并置于放入60~90°C的環(huán)境中發(fā)泡固化，50~90°C熟化60~180min，取出脫模，冷卻，制得生物質(zhì)基泡沫材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(1)中的液化劑由苯酚與聚乙二醇的混合物，其中苯酚與聚乙二醇的質(zhì)量比為100: (20~60)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的生物質(zhì)粉末與液化劑的質(zhì)量比為100: (30~100)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(1)中的催化劑中濃硫酸與濃鹽酸的純物質(zhì)間的質(zhì)量比為100: (O~100)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(1)中的生物質(zhì)粉末與催化劑純物質(zhì)、固體燒堿的質(zhì)量比為100:(5 ~10): (8 ~16)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(2)中的生物質(zhì)酚醇液化產(chǎn)物與甲醛、多聚甲醛的純物質(zhì)的質(zhì)量比為:100: (10 ~30): (90 ~70)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(3)中的表面活性劑指吐溫-80、0P-10、蓖麻油非離子型表面活性劑的一種或兩種以上的混合物，混合物中吐溫-80、0P-10、蓖麻油的質(zhì)量比為:100: (O~100): (O~100)，表面活性的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的5~15%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(3)中的發(fā)泡劑指正戊烷、二氯甲烷、石油醚的一種或幾種的混合物，混合物中正戊烷、二氯甲烷、石油醚的質(zhì)量比為100: (O~100): (O~100)，發(fā)泡劑的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的5~20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(3)中的固化劑指1，4 丁內(nèi)酯或碳酸乙烯酯或己內(nèi)酯的一種，與磷酸或硼酸的其中一種的混合物，二者質(zhì)量比為100: (O~100)，固化劑的用量為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的8~20%。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用天然纖維生物質(zhì)材料制備生物質(zhì)基泡沫材料的方法，其特征在于所述的步驟(3)，在加入表面活性劑、發(fā)泡劑、固化劑之前，先向可發(fā)性樹脂中添加適量微細(xì)填料和水溶性鋅鹽或磷酸胺鹽阻燃劑，微細(xì)填料和阻燃劑的用量分別為可發(fā)性樹脂質(zhì)量的0.1~20%和0.1~5%，其中微細(xì)填包括?；⒅?、納米二氧化硅、空心微球無機(jī)粒 子。
【文檔編號】C08L61/14GK103992497SQ201410160186
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月22日
【發(fā)明者】孫豐文, 鄭家妍, 李友余 申請人:南京林業(yè)大學(xué), 江蘇東盾木業(yè)集團(tuán)有限公司