竹废料液化产物制备可生物降解聚氨酯泡沫的研究

论文摘要

将废弃的生物质液化成化工原料,替代石化产品,可以减少废弃物对环境的污染,减少人类对石化资源的消耗与依赖,同时使大量废弃的生物质资源被增值转化。作为蓬勃发展中的生物柴油企业主要的联产品,粗甘油的产量已经超出传统化工行业的需求,将粗甘油作为液化剂不仅可以降低液化成本,而且还能显著抑制液化产物中木素碎片的二次缩合。本文利用聚乙二醇400与粗甘油的混合物为液化剂对竹废料的液化进行了研究,将竹废料液化产物（LB）作为反应组分之一制备了环境友好的可降解聚氨酯半硬质泡沫。本文对竹废料的溶剂液化进行了系统的实验研究,确定4/1（w/w）的聚乙二醇400与粗甘油为液化剂,浓硫酸为催化剂;研究了液化过程中液化温度、固液比（竹废料/液化剂,w/w）、催化剂用量、液化时间等主要参数对竹废料液化效果的影响。在此基础上,利用正交试验在固液比3/10时优化了竹废料的液化工艺,得到最佳的工艺参数为催化剂用量4%,液化温度170℃,液化时间150min;该条件下,液化竹废料得到的液化产物残渣率0.615%,黏度977mPa·s;羟值200.39 mgKOH/g,酸值48.36 mgKOH/g,符合聚氨酯半硬质泡沫对多元醇原料的要求。借助红外光谱对其结构进行分析,证明竹废料液化产物是一种富含羟基的植物多元醇,且竹废料中的纤维素及半纤维素被完全液化,木质素部分被液化。以竹废料液化所得多元醇代替聚醚多元醇,采用全水发泡法制备具有良好性能的环境友好的聚氨酯半硬质泡沫（LB-PU）。研究了异氰酸根指数、不同固液比的竹废料液化产物、水分含量、催化剂用量及硅油用量对聚氨酯泡沫性能的影响。对LB-PU泡沫的化学结构、泡孔结构及热稳定性进行了分析,红外光谱分析表明LB-PU泡沫与普通PU泡沫具有相同的氨基甲酸酯基本结构。SEM照片显示,不同异氰酸根指数下的LB-PU泡沫的微观结构差别很大,异氰酸根指数为1.0时,泡孔结构均匀,闭孔率高。而且泡孔结构与其机械性能密切相关,泡孔结构越均匀,闭孔率越高,泡沫的机械性能越好。TG和DSC分析发现LB-PU泡沫耐热性比普通聚氨酯泡沫耐热性好。通过土埋试验和受控堆肥试验对LB-PU泡沫的可生物降解性进行了研究,并以填充淀粉的LB-PU作为对比样。土埋试验表明LB-PU泡沫在土壤环境中能缓慢的降解,8个月后,填充淀粉LB-PU泡沫失重率达到6.59%,而未填充淀粉的LB-PU泡沫失重率为5.12%。45天的受控堆肥降解试验后,LB-PU泡沫生物降解率达到了34.72%,而填充淀粉的生物降解率达到了38.57%。填充淀粉的LB-PU泡沫降解的快,主要是淀粉容易降解,但能否促进微生物对LB-PU泡沫化学结构的破坏仍需要进一步的研究证明。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 生物质液化技术的研究进展
• 1.1.1 苯酚作液化溶剂
• 1.1.2 水作液化溶剂
• 1.1.3 环碳酸盐作液化溶剂
• 1.1.4 多元醇作液化试剂
• 1.2 聚氨酯材料的研究概述
• 1.2.1 国内外聚氨酯工业的发展概况
• 1.2.2 聚氨酯泡沫塑料合成的基本原理
• 1.2.3 生物质基聚氨酯材料的研究进展
• 1.3 生物降解材料的研究概述
• 1.3.1 生物降解性的评价方法
• 1.3.2 生物降解材料的生物降解机理
• 1.3.3 生物质基聚氨酯材料的生物降解性的研究进展
• 1.4 研究意义和主要研究内容
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 竹废料液化工艺的研究
• 引言
• 2.1 试验原料与方法
• 2.1.1 竹废料
• 2.1.2 竹废料的成分分析
• 2.1.3 粗甘油的预处理
• 2.2 竹废料液化试验
• 2.2.1 液化工艺过程
• 2.2.2 液化试验装置
• 2.2.3 液化产物分析指标
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 竹废料的化学成分分析
• 2.3.2 液化体系的确定
• 2.3.3 液化温度对竹废料液化效果的影响
• 2.3.4 固液比对竹废料液化效果的影响
• 2.3.5 催化剂用量对竹废料液化效果的影响
• 2.3.6 液化时间对竹废料液化效果的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 竹废料液化工艺优化及液化产物红外表征
• 引言
• 3.1 材料和仪器
• 3.1.1 试验材料
• 3.1.2 主要仪器设备
• 3.2 试验方法
• 3.2.1 正交试验
• 3.2.2 液化产物的分离及红外分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 正交试验结果分析
• 3.3.2 红外光谱分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 竹废料基聚氨酯半硬质泡沫的研究
• 引言
• 4.1 材料和仪器
• 4.1.1 试验材料
• 4.1.2 主要仪器设备
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 聚氨酯泡沫制备工艺
• 4.2.2 确定异氰酸酯的用量
• 4.2.3 聚氨酯泡沫的性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 异氰酸根指数对泡沫体性能的影响
• 4.3.2 不同固液比的LB对泡沫体性能的影响
• 4.3.3 水分含量对泡沫体性能的影响
• 4.3.4 催化剂用量对泡沫体性能的影响
• 4.3.5 硅油用量对泡沫体性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 竹废料基聚氨酯半硬质泡沫的分析表征
• 引言
• 5.1 材料和仪器
• 5.1.1 试验材料
• 5.1.2 主要仪器设备
• 5.2 分析方法
• 5.2.1 傅立叶红外分析（FT-IR）
• 5.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 5.2.3 热重分析（TG）
• 5.2.4 差示扫描（DSC）
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 LB-PU泡沫的红外光谱分析
• 5.3.2 LB-PU泡沫的泡孔结构分析
• 5.3.3 LB-PU泡沫的热重分析
• 5.3.4 LB-PU泡沫的DSC分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 竹废料基聚氨酯半硬质泡沫的可生物降解性研究
• 引言
• 6.1 材料和仪器
• 6.1.1 试验材料
• 6.1.2 主要仪器设备
• 6.2 试验方法
• 6.2.1 土埋试验
• 6.2.2 受控堆肥实验
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 土埋试验结果分析
• 6.3.2 受控堆肥试验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果