芦苇乙醇木素-树脂复合材料制备
The Preparation of Reed Ethanol Lignin-resin Composite Material
随着工业的迅猛发展,当今社会环保关注度持续升温,越来越多的研究目光聚焦在可持续、可降解材料的开发方面.自催化乙醇法制浆由于蒸煮过程中会自发产生具有催化作用的乙酸,降低了药剂污染,且乙醇易回收,无毒,可以较好地解决传统制浆的污染问题.乙醇制浆废液中可分离出木素、降解糖、甲酸、乙酸、乙酰丙酸和糠醛等组分,经过分离提纯可作为一些化学合成的平台产物,具有较高的潜在价值.采用酶解-弱酸解两步法对提取木素进行提纯工艺优化.本论文采用三因素三水平正交实验分别对提取木素的纤维素酶和木聚糖酶酶解工艺进行优化.结果表明,影响纤维素酶酶解效果的主次因素顺序为:pH值>酶用量>酶解温度.结合条件实验,所得较佳工艺为pH=5.5,酶用量10U/g,酶解温度40℃,在此条件下,酶解后的木素较提取木素的相对纯度高出3%,为92.25%.影响木聚糖酶酶解效果的主次因素为:pH值>酶用量>酶解温度.结合条件实验得出较佳工艺为:pH=5.5,酶用量10U/g,酶解温度45℃,在此条件下,酶解后的木素相对纯度高达96.85%,较提取木素高出6%左右,其余实验组酶解后的木素相对纯度也均达95%左右,说明芦苇乙醇提取木素中的杂质类型主要为半纤维素.通过离子色谱分别对纤维素酶和木聚糖酶酶解液进行分析,得出纤维素酶酶解的较佳水平,与相对纯度表征所得结果相符,印证了实验设计的合理性.在两种酶解的较佳工艺下,对提取木素进行分步酶解和一步酶解处理.结果表明,一步酶解较分步酶解对提取木素的杂质去除率提高近2%,木素的相对纯度提高约1.6%,因此,芦苇乙醇提取木素的酶提纯工艺适宜选择一步酶解.非水电导滴定法测定木素中的酚羟基和羧基含量表明,提取木素中的酚羟基含量为5.06%,高于天然芦苇木素的3.03%.酶解后木素在吡啶-水溶液中进行酸解,酸浓度为0.01mol/L.对弱酸解后的木素利用NaOH和NaHCO3两种碱源中和,NaHCO3中后的体系在后续酸沉淀木素的过程中会出现分层现象即溶液上下两层均出现木素层,中间澄清透明;NaOH中和后的体系则没有出现分层现象,木素沉淀均在溶液底部,呈深棕色.这种现象的出现为黑液中的木素分离提供了一种新思路.这两种方法所得的木素羧基及酚羟基含量相差不大,但均低于提取木素.TGA测试表明,相对提取木素而言,提纯木素热稳定性略有下降,但酸解木素的热稳定略有提高.用顺丁烯二酸酐为改性剂,对酶解木素进行酯化改性.通过红外定量中的峰面积法来表征木素的改性效果.所得较佳工艺为:改性时间7h,木素与顺丁烯二酸酐(马来酸酐)的质量比为1:2,改性温度60℃,在此条件下可获得较高的接枝率.以MAH-g-PP(MAPP,马来酸酐接枝聚丙烯)为偶联剂优化PP-木粉体系中的木粉用量,以拉伸、冲击、弯曲强度等指标对复合材料进行表征,结果表明木粉添加最优用量为30%,此时复合材料抗拉强度、屈服强度和断裂强度达到最高,分别为42.61 MPa,42.60 MPa,27.81 MPa,弯曲强度和冲击强度较纯的PP低,分别为0.53 J·(cm2)-1,62.51MPa.TGA测试结果表明,七种复合材料的最大热失重温度均在440℃.纯PP材料只有一个失重速率峰,而其余各组较纯PP材料均多出两个失重速率峰,这是因为其余各组体系中多了木粉和MAPP的缘故.对提取木素、提纯木素、改性木素进行FT-IR表征,结果表明,较提取木素而言,纤维素酶酶解和木聚糖酶酶解均会使-OH伸缩振动峰和非共轭的羰基伸缩振动出现偏移,其余出峰位置不变.此外,改性木素中-OH伸缩振动峰右移,1708 cm-1处酯基吸收峰明显,证实了酯化发应的发生.将改性后的木素作为偶联剂应用于木粉-PP体系,复合材料机械性能测试表明改性木素作为偶联剂使用时可部分替代MAPP.但需有效控制改性木素的添加量.通过TGA对比研究各复合材料的热稳定性.结果表明:2.5%MAPP+2.5%改性木素作为偶联剂的复合材料稳定性弱于其余三组,单独加2.5%和5%为偶联剂时材料的热性能与单独用2.5%MAPP材料相媲美.SEM照片显示,未添加偶联剂的木粉-PP材料冲断面表面附着大量的木粉颗粒,界面结合强度较弱,添加了5%MAPP作为偶联剂后,木粉的用量为30%时,材料的表面结合较好.2.5%MAPP和2.5%改性木素作为偶联剂的样品表面光滑度较高,且出现了一些层状的树脂包覆层,说明复合的偶联剂比单独使用改性木素和MAPP的偶联效果好.
- 作者：
- 仝丽丽
- 学位授予单位：
- 大连工业大学
- 专业名称：
- 轻工技术与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 平清伟
- 中图分类号：
- TB332
- 关键词：
- 木素；提纯；木素改性；热稳定性；偶联剂；复合材料
- lignin; purification; lignin modification; thermal stability; coupling agent; composites;