針對西部地區(qū)沙生灌木資源合理利用的研究

陳明

（中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077）

針對西部地區(qū)沙生灌木資源合理利用的研究

陳明

（中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077）

本文利用天然可再生的沙生灌木木粉為原料，將其液化后與異氰酸酯反應(yīng)制備了聚氨酯膠粘劑。用乙二醇作液化劑，稀硫酸作催化劑在150℃下進行液化，丙酮稀釋后得到液化產(chǎn)物，利用紅外光譜儀對其液化產(chǎn)物的官能基團進行測定,結(jié)果顯示木粉的液化產(chǎn)物中所含的大量的羥基基團；并與工業(yè)上使用聚醚多元醇與異氰酸酯合成聚氨酯的工藝及性能進行對比分析,結(jié)果表明利用沙生灌木液化產(chǎn)物制備的聚氨酯膠黏劑具有極為優(yōu)異的力學(xué)性能。此研究從環(huán)保和資源的有效利用的角度具有十分重要的現(xiàn)實意義。

沙生灌木；液化產(chǎn)物；異氰酸酯；聚氨酯；性能

1 引言

沙生灌木包括檉柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭和檸條等是西部地區(qū)防風(fēng)固沙的重要灌木材之一，生物質(zhì)資源豐富。但由于是小徑級材，只能應(yīng)用于人造板制造和造紙。每年產(chǎn)量巨大，但消耗的量有限，有大量的沙生灌木資源被浪費。而且沙柳用于制板和造紙有不可避免的缺點。對沙生灌木的充分利用還應(yīng)開辟新的更廣闊的途徑[1]。木材液化技術(shù)不僅適用于未經(jīng)化學(xué)改性及經(jīng)過化學(xué)處理的廢棄木材，也同樣適用于鋸末、樹皮、灌木、廢舊報紙、農(nóng)業(yè)剩余物如秸桿等多種木材和非木材纖維原材料[2]。木材液化技術(shù)改變了木材的傳統(tǒng)利用方式，使木材的利用率達到100%,本研究旨在運用生物質(zhì)材料液化技術(shù)對沙柳液化后所得產(chǎn)物進行處理，利用其中富含的羧基、酚羥基和醇羥基等多種活性基團與異氰酸酯反應(yīng)制備聚氨酯膠粘劑[3]，并對膠粘劑進行性能測試。

2 實驗原料與方法

本實驗的實驗原料主要有以下幾種∶沙生灌木分別為檉柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭,40～80目過篩并絕干,鄂爾多斯治沙站；異氰酸酯(MDI),VestanatB1358A,上海和氏璧化工有限公司；聚醚多元醇；乙二醇,分析純,天津市紅巖化學(xué)試劑廠；稀硫酸分析純（37%）,天津市紅巖化學(xué)試劑廠。

稱取干燥后的檉柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭木粉各20g，在裝有冷凝管、攪拌器的三口燒瓶中加入100g乙二醇作為溶劑及5%硫酸，打開冷凝水，置于預(yù)先預(yù)熱至設(shè)定溫度（150℃）的油浴鍋中，快速攪拌并開始加熱。反應(yīng)至2h后停止加熱，水浴冷卻。待燒瓶內(nèi)溫度冷至室溫后加丙酮稀釋，抽濾，得到液化產(chǎn)物，放入真空干燥箱抽真空并在110℃條件下干燥，密封保存?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)計算-NCO與-OH物質(zhì)的量的比例，采用木粉液化產(chǎn)物與MDI的質(zhì)量比為5∶1，聚醚多元醇與MDI的質(zhì)量比為2∶1，各加入1%的BPO作為催化劑，常溫條件下在磁力攪拌器上勻速攪拌2h來制備聚氨酯膠粘劑，液化產(chǎn)物是含有多元醇的醇類物質(zhì)極易吸收水分，而水與異氰酸酯的反應(yīng)活性比醇羥基更高，因此此反應(yīng)要在氮氣保護下進行。

3 實驗結(jié)果及討論

3.1 紅外光譜

沙柳木粉經(jīng)酸化處理后及聚醚多元醇的化學(xué)結(jié)構(gòu)用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)來表征。采用KBr壓片法,光譜掃描精度為4cm-1,掃描范圍為4000cm-1～400cm-1，結(jié)果如圖1所示。

圖1 液化木粉及聚醚多元醇的紅外譜圖

圖1中曲線1～4分別是檉柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭液化產(chǎn)物的紅外譜圖,曲線5表示聚醚多元醇的官能團分布。與聚醚多元醇相比,液化木粉明顯在3426cm-1和1718cm-1處存在兩個羥基和羧基的吸收峰,而曲線4梭梭產(chǎn)物在2922cm-1和2850cm-1出現(xiàn)了N-H和-CH2的振動吸收峰。這些吸收峰的存在表明經(jīng)過酸化處理后的木粉纖維是含有多-OH的醇類物質(zhì)，并且梭梭液化產(chǎn)物的官能團分布更加接近于聚醚多元醇。

3.2 粘度的測定

根據(jù)《GB/T2794-1995膠粘劑粘度的測定方法》來測定聚氨酯膠粘劑的粘度。量取等體積的膠粘劑放入250mL的燒杯中，選用2號轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)速為30r/min,測得由沙生灌木木粉制備的聚氨酯膠黏劑的結(jié)果cp值均在0.25pa·s左右，而由聚醚多元醇制備的聚氨酯的CP值非常小僅為0.15pa·s。分析導(dǎo)致這樣結(jié)果的原因可能是木粉的纖維組織具有較強吸附空氣中的水的能力,在反應(yīng)過程中水分子極易與異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)使其粘度增加。

3.3 不揮發(fā)物含量的測定

使用聚氨酯膠粘劑粘接各種材料時，其主要作用的是氨基甲基酸酯和脲基甲酸酯等，溫度為150℃條件下，二氧化碳、脲類等雜質(zhì)都被揮發(fā)掉，因此要對不揮發(fā)物含量進行測定。根據(jù)《GB/T 2793-1995膠粘劑不揮發(fā)物含量的測定方法》來測定聚氨酯膠粘劑。稱取試樣1.5g，置于干燥后的培養(yǎng)皿中，再放入鼓風(fēng)恒溫烘箱中加熱，烘箱溫設(shè)為105℃，3h后取出試樣，冷卻后稱重。計算結(jié)果表示∶不揮發(fā)物含量x=m1/m2×100(m1-加熱后試樣的質(zhì)量，g；m2-加熱前試樣的質(zhì)量，g),結(jié)果如圖2所示。

圖2 幾種原料分別與MDI合成聚氨酯的不揮發(fā)物含量

A組怪柳木粉液化產(chǎn)物制備的聚氨酯膠黏劑的固含量比沙木蓼、沙冬青和梭梭的低，結(jié)合紅外譜圖結(jié)果推測怪柳木粉液化后纖維表面的羥基和酚羥基的摩爾含量較其他三種少，因此在與異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)不夠完全；而E組由聚醚多元醇所制備的聚氨酯的不揮發(fā)物含量最低僅為38%，主要因為在常溫條件下，部分官能團的活性較低，不能夠完全參加大分子聚合反應(yīng)，與纖維增強的聚合體相比，固含量要低。

3.4 微觀形貌

圖3是通過掃描電鏡觀察到的由幾種沙生灌木木粉制備的聚氨酯和由聚醚多元醇制備的聚氨酯膠黏劑固化后的斷面微觀形貌。