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汽爆秸秆木质素分级及其材料的制备; Fractionation of lignin from steam-exploded corn stalk and lignin-based materials preparation
王冠华
学位类型博士
导师陈洪章
2015-05
学位授予单位中国科学院研究生院
学位专业生物化工
关键词秸秆木质素 汽爆 木质素分级 胶粘剂 酚醛泡沫
摘要木质素作为木质纤维素原料三大组成成分之一,是自然界中含量最丰富的天然芳香族高分子化合物。目前以木质纤维素为原料的产业大多是将木质素作为废弃物排出或燃烧。造成上述现象的主要原因是分离获得的木质素纯度和活性低,分子量多分散性高。论文研究了汽爆炼制提高木质素纯度和活性的作用机制,建立了木质素新型分级方法降低木质素的多分散性,最后探索了分级木质素制备胶黏剂和酚醛泡沫材料工艺。 论文取得了如下主要研究结果: (1)首先解析了汽爆处理前后秸秆木质素的结构变化规律,通过凝胶渗透色谱,红外吸收光谱,C/H二维核磁以及定量碳谱等分析方法证明了秸秆木质素在汽爆高温短时蒸煮过程中主要发生解聚反应。木质素的解聚导致其分子量降低,酚羟基、羰基等活性基团增加,有利于后续木质素的分离及应用。 (2)研究了不同汽爆强度与提取木质素纯度的关系,以及汽爆前后木质素提取动力学过程。秸秆汽爆炼制的实验结果表明首先水洗去除秸秆中半纤维素降解物,使木质素在提取液中占固含量70.52%,与未经汽爆相比提高了95.40%。汽爆前后木质素提取动力学分析发现,汽爆提高木质素的提取效率,提取活化能由未经汽爆的19.47 kJ/mol降低至汽爆后12.11 kJ/mol,主要原因在于汽爆过程中木质素的解聚,其大分子结构被破坏,酚羟基含量增加,有利于其溶出。 (3)系统研究不同分子量木质素在酸析过程中的差异以及在乙醇溶液中溶解度的差异,建立了木质素酸析梯度分级和乙醇溶解分级新方法,获得多分散性低,结构活性均一的木质素级分。梯度酸析分级操作简单,主要用于木质素溶液样品,能够脱除溶液中的碱和可溶性糖;乙醇溶解分级适用于木质素固体样品,所用溶剂只有乙醇和水,分级步骤少,避免了传统有机溶剂的繁琐操作,降低了分级成本。对分级木质素的表征发现小分子木质素含有较多的酚酸类物质以及来自汽爆过程中解聚形成的非共轭羰基结构,大分子木质素愈创木基结构单元含量较高,同时热稳定性高。 (4)基于汽爆秸秆木质素提取液中木质素纯度高,研发了直接以提取液为原料,羟甲基化改性部分替代酚醛树脂制备木材胶粘剂的新工艺,在替代50%的酚醛树脂制备的木质素胶粘剂具有较低的游离甲醛和游离苯酚含量,其胶合强度为1.16 MPa,满足I类板强度要求。进一步考察木质素的分子量多分散性对胶黏剂性能的影响,结果表明木质素分子量对胶合强度的影响与替代率有关,低替代率下,分子量的降低有利于提高胶合强度;高替代率下分子量差异引起的木质素活性变化对胶合强度的影响不明显。 (5)系统研究了汽爆秸秆木质素制备酚醛泡沫材料,首先探索了以木质素提取液浓缩后直接替代苯酚制备酚醛泡沫的工艺路线,其次利用酚化解聚木质素进一步提高泡沫性能;最后针对木质素高含量下酚醛树脂粘度较高影响发泡的问题,开发了二步酸发泡新工艺。实验结果表明,木质素基酚醛泡沫具有均匀的封闭泡孔结构,木质素的加入引起泡沫密度和压缩强度的增加。随着木质素分子量的降低,泡沫材料的密度降低,压缩强度提高,整体性能提高。基于此,采用酚化解聚木质素制备泡沫材料,进一步提高泡沫材料的性能。该法替代率最高为40%,继续提高木质素替代率树脂粘度急剧上升,无法发泡。因此,建立二步酸法发泡工艺,利用对甲苯磺酸中和树脂降低粘度和盐酸固化树脂提高泡沫性能。通过二步酸法发泡工艺,木质素的替代率最高达70%,制备的泡沫结构均一,压缩强度达0.272 MPa,能够满足酚醛泡沫保温材料应用过程中对于其压缩强度的要求。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20319
专题研究所(批量导入)
推荐引用方式
GB/T 7714
王冠华. 汽爆秸秆木质素分级及其材料的制备, Fractionation of lignin from steam-exploded corn stalk and lignin-based materials preparation[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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