利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法

摘要

本发明是一种利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法，包括：（1）生物质材料的液化转化；（2）可发性树脂的合成；（3）合成树脂的发泡。优点在于：利用农林废弃剩余物通过酸催化酚醇液化使其转化成具有高反应活性的酚型、糠醛型、多元醇类、多元羧酸类低分子结构物，在树脂化过程中用固体多聚甲醛替代部分甲醛溶液，因而不需要真空脱水程序即可制备适于发泡的高固体含量的树脂，该树脂具有酚醛树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点，并且具有优良的质轻、阻燃、隔声、防潮、隔热性能；成本低、环保可被可满足包装缓冲材料和建筑阻燃保温材料的应用要求。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法，属于木材科学与技术、农林剩余物转化利用技术领域。

背景技术

有机高分子泡沫材料具有质轻、隔热、隔音、减震、阻燃、防潮等各种优良性能，因而广泛应用于产品包装运输、车船制造、建筑绝热、管线保温防护等领域，成为继橡胶、塑料、纤维之后的一大重要的高分子材料。但日益增长的合成高分子泡沫材料不仅消耗大量的石油资源，难以降解的泡沫塑料垃圾对生态环境的威胁也越来越大，因此利用可再生天然生物质材料替代石油基化学品开发具有可循环利用和可生物降解的生物质基泡沫材料具有重要意义。

目前，国内外对生物质基泡沫材料的研究与应用，主要包括天然树脂基泡沫材料、植物油脂基泡沫材料、木素纤维基泡沫材料和淀粉基泡沫材料。其主要原理是利用生物质材料中的天然树脂、多元醇、多元羧酸、酚类物质等成分替代化学品用于泡沫材料的制备。因而具有原料来源广、成本低、环保型好等优点，可被应用于包装缓冲材料和建筑阻燃保温材料等领域。

发明内容

本发明是一种利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法，其目旨在提高生物质材料的利用价值，降低石油化工产品消耗。

本发明的技术解决方案：利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法，包括如下工艺步骤：

（1）生物质材料的液化转化，包括

1）将生物质材料干燥至含水率为16%以下，粉碎成100～400目的粉末。其中所述的生物质材料包括由木质素、纤维素、半纤维素组成的天然材料、尤指木竹、秸秆、果壳、树皮、甘蔗渣、玉米芯农林生物质材料；

2）将生物质粉末与液化剂搅拌混合均匀，持续搅拌，并在50～90℃条件下缓慢加入催化剂，升温至115～150℃,持续反应60～120min，降温至90℃以下，缓慢加入浓度不低于30%的烧碱溶液，调整pH值为10.0～13.0，持续冷却降温至30～50℃得到生物质的酚醇液化产物；

（2）可发性树脂的合成

将反应釜中的生物质酚醇液化产物升温至40～50℃，依次按比例加入甲醛和多聚甲醛，搅拌20～60min，升温至80～95℃，继续反应60～120min，冷却到40℃以下，放料，制成生物质基可发性树脂；

（3）合成树脂的发泡

将可发性树脂与表面活性剂、发泡剂、固化剂依次加入到容器中，快速搅拌均匀，迅速倒入模具中，并置于放入60～90℃的环境中发泡固化，50～90℃熟化60～180min，取出脱模，冷却，制得生物质基泡沫材料。

本发明的优点：利用农林废弃剩余物通过酸催化酚醇液化使其转化成具有高反应活性的酚型、糠醛型、多元醇类、多元羧酸类低分子结构物，在树脂化过程中用固体多聚甲醛替代部分甲醛溶液，因而不需要真空脱水程序即可制备适于发泡的高固体含量的树脂，该树脂具有酚醛树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点，并且具有优良的质轻、阻燃、隔声、防潮、隔热性能；成本低、环保可被可满足包装缓冲材料和建筑阻燃保温材料的应用要求。

具体实施方式

利用天然纤维生物质材料制备生物质基泡沫材料的方法，包括如下工艺步骤：

（1）生物质材料的液化转化，包括

1）将生物质材料干燥至含水率为16%以下，粉碎成100～400目的粉末。其中所述的生物质材料包括由木质素、纤维素、半纤维素组成的天然材料、尤指木竹、秸秆、果壳、树皮、甘蔗渣、玉米芯农林生物质材料；

2）将生物质粉末与液化剂搅拌混合均匀，持续搅拌，并在50～90℃条件下缓慢加入催化剂，升温至115～150℃,持续反应60～120min，降温至90℃以下，缓慢加入浓度不低于30%的烧碱溶液，调整pH值为10.0～13.0，持续冷却降温至30～50℃得到生物质的酚醇液化产物；

（2）可发性树脂的合成

将反应釜中的生物质酚醇液化产物升温至40～50℃，依次按比例加入甲醛和多聚甲醛，搅拌20～60min，升温至80～95℃，继续反应60～120min，冷却到40℃以下，放料，制成生物质基可发性树脂；

（3）合成树脂的发泡

将可发性树脂与表面活性剂、发泡剂、固化剂依次加入到容器中，快速搅拌均匀，迅速倒入模具中，并置于放入60～90℃的环境中发泡固化，50～90℃熟化60～180min，取出脱模，冷却，制得生物质基泡沫材料。

所述的步骤（1）中的液化剂由苯酚与聚乙二醇的混合物，其中苯酚与聚乙二醇的质量比为100∶（20～60）。

所述的生物质粉末与液化剂的质量比为100∶（30～100）。

所述的步骤（1）中的催化剂中浓硫酸与浓盐酸的纯物质间的质量比为100∶（0～100）。

所述的步骤（1）中的生物质粉末与催化剂纯物质、固体烧碱的质量比为100∶（5～10）∶（8～16）。

所述的步骤（2）中的生物质酚醇液化产物与甲醛、多聚甲醛的纯物质的质量比为：100∶（10～30）∶（90～70）。

所述的步骤（3）中的表面活性剂指吐温-80、OP-10、蓖麻油非离子型表面活性剂的一种或两种以上的混合物，混合物中吐温-80、OP-10、蓖麻油的质量比为：100∶（0～100）∶（0～100），表面活性的用量为可发性树脂质量的5～15%。

所述的发泡剂指正戊烷、二氯甲烷、石油醚的一种或几种的混合物，混合物中正戊烷、二氯甲烷、石油醚的质量比为100∶（0～100）∶（0～100），发泡剂的用量为可发性树脂质量的5～20%；固化剂指1,4丁内酯或碳酸乙烯酯或ε-己内酯的一种，与磷酸或硼酸的其中一种的混合物，二者质量比为100∶（0～100），固化剂的用量为可发性树脂质量的8～20%；在加入表面活性剂、发泡剂、固化剂之前，先向可发性树脂中添加适量微细填料和水溶性锌盐或磷酸胺盐阻燃剂，微细填料和阻燃剂的用量分别为可发性树脂质量的0.1～20%和0.1～5%，其中微细填包括玻化微珠、纳米二氧化硅、空心微球无机粒子。

实施例1

将熔融的苯酚300g、聚乙二醇150g、浓硫酸30.6g依次加入反应釜，开启搅拌器，搅拌均匀后，加入300g木粉，升温至135℃，反应90min后，冷却降温至80℃，加入中和烧碱溶液（浓度40％）150g，温度降至60℃以下缓慢滴加烧碱溶液（浓度40％）245g, 搅拌20min后，温度降至45℃加入第一批甲醛溶液（浓度37%）200g，固体多聚甲醛75g，缓慢升温到75℃，反应 60min后，加入第二批甲醛溶液（浓度37%）285g，固体多聚甲醛60g，升温至85℃，保温40min后降温冷却至40℃，放料备用。

上述条件制得的可发性树脂为棕褐色粘稠不透明液体，粘度为5600mpa.s,固体含量68％，pH值11.5，贮存期不低于20天。

采用该可发性树脂制备泡沫材料，将可发性树脂100g，吐温-80与OP-10(1:1)复配表面活性剂8g，正戊烷发泡剂10g，固化剂1,4-丁内酯12g依次加入容器中，快速搅拌均匀，迅速倒入模具中，并置于放入75℃的环境中发泡固化，在65℃的环境中熟化120min，取出脱模，冷却，制得生物质基泡沫材料。

上述条件制得的泡沫材料的表观密度为0.16g/cm³，发泡倍率为5倍，压缩强度为0.38MPa，吸水率为6.8%。泡沫导热系数为0.346w/m.k，在中频区(250～1200Hz)的平均吸声系数为0.491，极限氧指数为36.2。

实施例2

采用实施例1制备的可发性树脂制备泡沫体，将可发性树脂100g，玻化微珠无机粒子8g,吐温-80与OP-10(1:1)复配表面活性剂10g，正戊烷发泡剂10g，固化剂1,4-丁内酯12g依次加入容器中，快速搅拌均匀，迅速倒入模具中，并置于放入75℃的环境中发泡固化，在65℃的环境中熟化120min，取出脱模，冷却，制得生物质基泡沫材料。

上述条件制得的泡沫材料的表观密度为0.21g/cm³，发泡倍率为4倍，压缩强度为0.52MPa，吸水率为4.1%。泡沫导热系数为0.365w/m.k，在中频区(250～1200Hz)的平均吸声系数为0.51，极限氧指数为40.2。