针对西部地区沙生灌木资源合理利用的研究

陈明

（中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710077）

针对西部地区沙生灌木资源合理利用的研究

陈明

（中煤科工集团西安研究院有限公司 陕西西安 710077）

本文利用天然可再生的沙生灌木木粉为原料，将其液化后与异氰酸酯反应制备了聚氨酯胶粘剂。用乙二醇作液化剂，稀硫酸作催化剂在150℃下进行液化，丙酮稀释后得到液化产物，利用红外光谱仪对其液化产物的官能基团进行测定,结果显示木粉的液化产物中所含的大量的羟基基团；并与工业上使用聚醚多元醇与异氰酸酯合成聚氨酯的工艺及性能进行对比分析,结果表明利用沙生灌木液化产物制备的聚氨酯胶黏剂具有极为优异的力学性能。此研究从环保和资源的有效利用的角度具有十分重要的现实意义。

沙生灌木；液化产物；异氰酸酯；聚氨酯；性能

1 引言

沙生灌木包括柽柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭和柠条等是西部地区防风固沙的重要灌木材之一，生物质资源丰富。但由于是小径级材，只能应用于人造板制造和造纸。每年产量巨大，但消耗的量有限，有大量的沙生灌木资源被浪费。而且沙柳用于制板和造纸有不可避免的缺点。对沙生灌木的充分利用还应开辟新的更广阔的途径[1]。木材液化技术不仅适用于未经化学改性及经过化学处理的废弃木材，也同样适用于锯末、树皮、灌木、废旧报纸、农业剩余物如秸杆等多种木材和非木材纤维原材料[2]。木材液化技术改变了木材的传统利用方式，使木材的利用率达到100%,本研究旨在运用生物质材料液化技术对沙柳液化后所得产物进行处理，利用其中富含的羧基、酚羟基和醇羟基等多种活性基团与异氰酸酯反应制备聚氨酯胶粘剂[3]，并对胶粘剂进行性能测试。

2 实验原料与方法

本实验的实验原料主要有以下几种∶沙生灌木分别为柽柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭,40～80目过筛并绝干,鄂尔多斯治沙站；异氰酸酯(MDI),VestanatB1358A,上海和氏璧化工有限公司；聚醚多元醇；乙二醇,分析纯,天津市红岩化学试剂厂；稀硫酸分析纯（37%）,天津市红岩化学试剂厂。

称取干燥后的柽柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭木粉各20g，在装有冷凝管、搅拌器的三口烧瓶中加入100g乙二醇作为溶剂及5%硫酸，打开冷凝水，置于预先预热至设定温度（150℃）的油浴锅中，快速搅拌并开始加热。反应至2h后停止加热，水浴冷却。待烧瓶内温度冷至室温后加丙酮稀释，抽滤，得到液化产物，放入真空干燥箱抽真空并在110℃条件下干燥，密封保存备用。

根据计算-NCO与-OH物质的量的比例，采用木粉液化产物与MDI的质量比为5∶1，聚醚多元醇与MDI的质量比为2∶1，各加入1%的BPO作为催化剂，常温条件下在磁力搅拌器上匀速搅拌2h来制备聚氨酯胶粘剂，液化产物是含有多元醇的醇类物质极易吸收水分，而水与异氰酸酯的反应活性比醇羟基更高，因此此反应要在氮气保护下进行。

3 实验结果及讨论

3.1 红外光谱

沙柳木粉经酸化处理后及聚醚多元醇的化学结构用傅里叶变换红外光谱(FTIR)来表征。采用KBr压片法,光谱扫描精度为4cm-1,扫描范围为4000cm-1～400cm-1，结果如图1所示。

图1 液化木粉及聚醚多元醇的红外谱图

图1中曲线1～4分别是柽柳、沙木蓼、沙冬青、梭梭液化产物的红外谱图,曲线5表示聚醚多元醇的官能团分布。与聚醚多元醇相比,液化木粉明显在3426cm-1和1718cm-1处存在两个羟基和羧基的吸收峰,而曲线4梭梭产物在2922cm-1和2850cm-1出现了N-H和-CH2的振动吸收峰。这些吸收峰的存在表明经过酸化处理后的木粉纤维是含有多-OH的醇类物质，并且梭梭液化产物的官能团分布更加接近于聚醚多元醇。

3.2 粘度的测定

根据《GB/T2794-1995胶粘剂粘度的测定方法》来测定聚氨酯胶粘剂的粘度。量取等体积的胶粘剂放入250mL的烧杯中，选用2号转子，转速为30r/min,测得由沙生灌木木粉制备的聚氨酯胶黏剂的结果cp值均在0.25pa·s左右，而由聚醚多元醇制备的聚氨酯的CP值非常小仅为0.15pa·s。分析导致这样结果的原因可能是木粉的纤维组织具有较强吸附空气中的水的能力,在反应过程中水分子极易与异氰酸酯发生反应使其粘度增加。

3.3 不挥发物含量的测定

使用聚氨酯胶粘剂粘接各种材料时，其主要作用的是氨基甲基酸酯和脲基甲酸酯等，温度为150℃条件下，二氧化碳、脲类等杂质都被挥发掉，因此要对不挥发物含量进行测定。根据《GB/T 2793-1995胶粘剂不挥发物含量的测定方法》来测定聚氨酯胶粘剂。称取试样1.5g，置于干燥后的培养皿中，再放入鼓风恒温烘箱中加热，烘箱温设为105℃，3h后取出试样，冷却后称重。计算结果表示∶不挥发物含量x=m1/m2×100(m1-加热后试样的质量，g；m2-加热前试样的质量，g),结果如图2所示。

图2 几种原料分别与MDI合成聚氨酯的不挥发物含量

A组怪柳木粉液化产物制备的聚氨酯胶黏剂的固含量比沙木蓼、沙冬青和梭梭的低，结合红外谱图结果推测怪柳木粉液化后纤维表面的羟基和酚羟基的摩尔含量较其他三种少，因此在与异氰酸酯发生反应不够完全；而E组由聚醚多元醇所制备的聚氨酯的不挥发物含量最低仅为38%，主要因为在常温条件下，部分官能团的活性较低，不能够完全参加大分子聚合反应，与纤维增强的聚合体相比，固含量要低。

3.4 微观形貌

图3是通过扫描电镜观察到的由几种沙生灌木木粉制备的聚氨酯和由聚醚多元醇制备的聚氨酯胶黏剂固化后的断面微观形貌。