核桃壳木质素提取及制备酚醛树脂泡沫的研究

Abstract

木质素是自然界中来源最广泛的芳香类多聚物，具有储量丰富、可再生等优点。由于当前木质素提取工艺普遍存在着提取成本高、纯度低、均一性差的特点，使其应用依旧停留在燃烧供能、减水剂等较初级的水平，无法被有效的用于高附加值产品的生产。为开发出适合高纯木质素的提取工艺，本论文以核桃壳为原料，开展了如下研究：首先，开发了水热耦合高沸醇提取工艺并对其进行优化，以解决高沸醇提取木质素工艺效率低、含糖量过高而导致的品质差等不足。核桃壳首先经水热预处理，半纤维素含量被脱除83.45%，木质素含量则提高了14.91%。随后，将水热预处理后的核桃壳用1,4-丁二醇提取木质素，提取率达到44.66%，比单独使用1,4-丁二醇提取高约14.66%左右。半纤维素的去除一方面使得后续高沸醇提取得到的木质素产品多糖含量减少到0.15%-3.70%，相比于常规高沸醇提取的4.10%-5.47%有了较大的提高；同时，使提取后残留在高沸醇中的糖分大大降低，为高沸醇的回收、循环利用提供了便利条件。其次，对碱法提取木质素进行了优化，同时将乙醇和碱相结合利用二者对木质素溶解的叠加效应提高其溶出率，并探索木质素沉淀过程中pH值对木质素产量和品质的影响规律。通过一系列实验及分析，得到了碱法溶出木质素的最佳条件为：NaOH用量12.5%（W/V），温度为190℃，时间为3.0 h。在此条件下，木质素的溶出率达到了82.29%。通过乙醇和氢氧化钠耦合提取木质素的研究发现在180℃下经含有15.0%（W/V）NaOH的15%（V/V）乙醇溶液处理3.0 h后，可使核桃壳中98.98%的木质素溶解。对溶解后的木质素进行不同pH条件沉淀回收研究，结果表明随pH值的减小，木质素的纯度越来越高。当pH达到1.00时，木质素的纯度可高达99.39%；通过扫描电镜观察发现，在pH降低的过程中，木质素亚微米颗粒之间接触越来越紧密，颗粒之间的界限越来约模糊，最终在木质素内部形成孔道，形成多孔结构。最后，对木质素在酚醛树脂合成中取代苯酚的应用进行了探索。通过将不同用量的木质素与苯酚、甲醛进行酚醛树脂合成试验，结果表明，在木质素添加量为10%时，泡沫压缩强度最好，为0.10 MPa, 较未添加木质素的泡沫压缩强度提高了38.88%，达到了GBT 20974-2014中对Ⅰ型、Ⅱ型硬质酚醛泡沫的压缩强度要求。此外，通过比较碱木质素、碱醇木质素、高沸醇木质素所制备的酚醛树脂泡沫，发现碱木质素的表现较好，在添加量为10%时，压缩强度为0.47 MPa，较未添加木质素酚醛泡沫的提高了571.42，并能够达到GBT 20974-2014中对Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型硬质酚醛泡沫的压缩强度要求；电镜结果亦表明碱木质素基酚醛泡沫泡孔最小，泡孔结构均匀且完整。通过以上研究，得到了较高的木质素溶出率和较高的木质素品质，验证了水热耦合高沸醇和碱乙醇耦合提取高品质木质素的可行性。同时，经过木质素取代苯酚制备酚醛树脂泡沫的研究，发现了木质素基酚醛泡沫较未改性酚醛泡沫具有较好的品质。所有这些都将会为木质素的提取和应用提供理论基础和实验依据。</p