机械活化木薯酒糟苯酚液化及其产物树脂化的研究

摘要

木薯酒糟是以木薯为原料生产燃料酒精的副产物，木薯酒糟中含有大量的粗纤维，由于其纤维晶体结构稳定，直接利用难度较大。本文对木薯加工剩余物——木薯酒糟液化的工艺和方法进行了研究，并对以液化产物为原料合成酚醛树脂的工艺进行了初步探索。
　　 采用自制的搅拌球磨对木薯酒糟进行机械活化预处理，并将经过活化的木薯酒糟与苯酚进行液化反应，所得产物与甲醛在碱性条件下合成含有高羟甲基的热固性甲阶酚醛树脂（以下简称为酚醛树脂）。采用单因素方法研究了木薯酒糟液化产物合成酚醛树脂的工艺，考察机械活化时间、甲醛用量、氢氧化钠用量等因素对合成树脂中固含量、挥发份、游离甲醛含量以及胶合强度和木破率等理化性质的影响。实验结果表明：
　　 (1)对影响木薯酒糟液化效果的四个因素：液化反应时间、液化反应温度、质量比和催化剂用量等进行了初步探索，确定了液化反应的四个因素范围：液化时间为30～120min，液化反应温度为110～180℃，质量比为3～10，催化剂用量为3～6％。在单因素试验的基础上，通过验正试验，确定了木薯酒糟液化的最佳工艺条件为液化时间120min，反应温度140℃，质量比5:1，催化剂用量4％，此时木薯酒糟液化的残渣率为4.78％，液化产物的结合酚含量为50.84％。
　　 (2)采用扫描电子显微镜(SEM)观察机械活化木薯酒糟的纤维颗粒变化，发现其纤维颗粒在机械力的作用下已被破坏且明显细化；采用红外光谱(FTIR)技术分析木薯酒糟和液化产物的组成发现，液化产物在3422cm-1处的吸收峰明显变宽、减弱，在1704、1628、1603cm-1处吸收峰增强，在1523、1373、1232cm-1处出现三个强吸收峰，表明木薯酒糟苯酚液化反应中纤维素、木质素等与苯酚发生了化学反应，其化学组分的分子结构发生了变化，在分子结构中引入了芳环结构；通过X-射线衍射(XRD)技术分析机械活化预处理后木薯酒糟纤维的结晶结构变化，当活化时间为0、30、120min时，结晶度指数分别为0.442、0.384、0.195，002晶面晶粒尺寸大小分别为2.378、2.333、1.258nm;由此表明木薯酒糟纤维的结晶度指数是随活化时间的增加而降低，晶型结构也发生了变化，由原来的结晶结构向非晶结构转变，但纤维素晶型未改变，仍属于纤维素I。
　　 (3)利用不同活化时间木薯酒糟苯酚液化产物制备酚醛树脂，结果表明，木薯酒糟液化物制备酚醛树脂的最佳工艺条件为：活化时间60min，物料摩尔比（苯酚：甲醛：氢氧化钠）为1：1.8:0.6，此工艺条件下合成的酚醛树脂固含量为51.83％、游离甲醛含量为0.41％，所得树脂在热压温度为130℃、热压时间为6min时，测得其胶合强度达到1.65Mpa，胶合板的木破率为90％。利用FTIR对制备得到的酚醛树脂进行分析，表明木薯酒糟液化物制备的酚醛树脂具有与酚醛树脂相似的结构。