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木质素基聚氨酯材料的制备及其性能表征

刘芬  
【摘要】:木质素作为第二大植物生物质,是最丰富的天然芳香族高分子,但由于其结构复杂、物理化学性质不均一、分离提取困难及分子之间发生缩合等问题,至今都没有得到很好的利用。木质素分子中富含酚羟基、醇羟基等特征官能团,可作为活泼氢组分与异氰酸酯反应制备木质素基聚氨酯材料。对木质素进行高值化利用是目前研究的热点。本研究以乙酸分离木质素为基本原料,制备了木质素基聚脲胶黏剂、木质素基聚氨酯树脂薄膜及木质素基聚氨酯纳米纤维等材料,傅里叶红外光谱(FT-IR)表征了木质素羟基与异氰酸酯之间的反应;利用热重仪(TG)、差示扫描量热仪(DSC)及万能拉力机等设备对材料的热力学稳定性能、机械拉伸性能进行了表征;同时,通过扫描电镜(SEM)观察了材料的微观形貌。本文利用预聚体法制备了木质素基聚脲胶黏剂,聚脲反应迅速及不需催化剂的特性为胶黏剂的快速黏结提供了可能;添加木质素的聚脲胶黏剂相比纯聚脲,拉伸强度得到了提升;当聚醚胺选择D230,NCO:NH2的摩尔比值为1.5:1,木质素添加量为8%时,聚脲胶黏剂的最大拉伸强度达到6.05Mpa。本文还通过一步法制备了木质素基聚氨酯树脂薄膜,热力学分析显示薄膜的玻璃化转变温度及700℃的残炭量均随着木质素添加量的增加而提高;当木质素添加量不超过20%时,薄膜的最大拉伸强度达到9.30MPa;同时,随着聚乙二醇分子量的增加,薄膜的拉伸强度有所降低,但断裂伸长率急剧上升,当PEG分子量为4000时,薄膜的断裂伸长率达到1570%。文中选用了两种异氰酸酯组分:HDI三聚体封闭剂及自制的异氰酸酯封端聚氨酯预聚体,分别与木质素共混,通过静电纺丝技术制备了木质素基聚氨酯纳米纤维,并对两种纤维的热力学稳定性能、拉伸强度及微观形貌进行表征。结果显示HDI三聚体封闭剂需在180℃高温下解封,此时纤维发生熔融,纤维形态遭到破坏。而选择聚氨酯预聚体作为异氰酸酯组分时,反应条件温和,且所得纳米纤维的拉伸强度得到提升;SEM照片显示,当预聚体添加量为40%时,纤维形貌整体出现了一定的取向,当预聚体添加量为50%时,纤维的最大拉伸强度达到6.85MPa,断裂伸长率高达1240%,表现出典型高弹形变拉伸变化。最后,尚需对木质素基聚氨酯纳米纤维材料的应用做进一步的探究,赋予材料更开阔的应用前景。综上所述可知,木质素分子中丰富的醇羟基与酚羟基可提供活泼氢与异氰酸酯组分反应制备木质素基的聚氨酯材料;同时,木质素分子中刚性芳香苯环结构的存在,在一定程度上提高了木质素基聚氨酯材料的机械拉伸强度性能及热力学稳定性能。聚氨酯材料良好的物理力学性能及生物相容性,反过来又有利于提高木质素基材料的力学强度及生物相容性。该研究工作为木质素基聚氨酯材料的制备及研究奠定了一定的理论基础,尤其是在静电纺丝制备木质素基聚氨酯纳米纤维材料方面进行了积极的探索,具有重要的现实意义和理论价值。


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