专利名称：氧碱木素合成聚氨酯的方法
技术领域：
本发明涉及一种合成聚氨脂的生产方法。
背景技术：
早在1962年前苏联和日本用木素与异氰酸酯的反应合成聚氨酯，但由于木素醇羟基反应活性低，反应效果不理想，产品性能低。自本世纪80年代以来，Moorer等将木素溶于乙二醇中与异氰酸酯进行反应，合成了聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料。小时su与Glasser为了改善木素的反应性能，制备了羧化木素，并以此为原料合成了优质的聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料。谢益民等研究了以硫酸盐木素为原料合成可生物降解的聚氨酯材料。结果表明，硫酸盐木素具有典型的聚多元醇结构，用木素合成的聚氨酯和用聚乙二醇(PEG)合成的聚氨酯有相似的结构，用木素为原料合成的聚氨酯高分子具有较好的耐热性能。现在，由于木素结构的复杂性等原因，木素在高分子材料领域应用受到生产方法和设备的影响，但是木素在高分子材料领域的应用前景广阔性是无疑的。
发明内容
本发明的目的就是对现有技术中利用羧化木素和硫酸盐木素合成聚氨酯造成方法复杂和设备投入大的缺陷，提供一种氧碱木素合成聚氨脂的方法。
本发明的技术方案包括将二元醇、氧碱木素及溶剂充分脱水，在通风橱内将一定量的氧碱木素及二元醇溶于溶剂中，加入催化剂，其重量比是固形物含量的3％，在已除水蒸汽的反应器中通入保护氮气，按异氰酸酯指数-NCO/-OH添加二异氰酸酯，反应10分钟后，倒入预先涂有隔离剂的模具中，减压挥发部分溶剂后，放在抽真空的干燥室中，于105℃左右固化2-5小时。合成过程中，可添加增塑剂，增塑剂用量为1-10％之间。异氰酸酯指数在1.0-2.8之间，氧碱木素用量在5％-35％之间。二元醇包括高分子量二元醇或低分子量的二元醇；二异氰酸酯包括二苯甲基二异氰酸酯、甲苯-2，4-二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯；催化剂包括金属盐类或三级胺；溶剂包括四氢呋喃或二氧陆环、二甲基甲酰胺的一种或几种混合；植物秸干包括麦草、稻草、龙须草、棉干、芦苇、芦竹、荻、黄麻、剑麻的一种或几种。
氧碱木素包括(1)通过氧碱制浆方法得到的木素；(2)对各种制浆方法所得的木素，在碱和氧气、臭氧存在下的适当氧化作用，所得到的氧碱木素；(3)氧碱木素进一步的改性产物。
氧碱木素的制备是用植物秸干，配碱性物质量为10-25％，液比为1∶3-1∶6，氧气压力为0.4-0.80MPa，升温时间为30-45分钟，保温温度和时间分别为120-165℃和20-60分钟；氧碱木素提取是将除取细小纤维等杂质的黑液中缓慢加入稀酸，除去硅，继续加酸至p小时值＝2-4，离心分离出氧碱木素，将提取的氧碱木素用清水洗涤至中性，真空干燥。碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾的一种或两种或其与硫化钠的混合物；稀酸包括硫酸、盐酸或醋酸的一种或几种混合。除去硅的方法包括滤纸过滤法和沉淀法。
氧碱木素的改性方法是称取5-10g绝干木素试样，加入甲苯混合均匀，然后再加入50mL环氧丙烷，以丙二醇为起始剂，加入少量催化剂，在高压釜中加热，升温至30℃，小放气，升温到氧碱木素的玻璃化温度以上，保温1.5小时，反应过程中pH值在10.5-12之间，反应结束后，降温至常温常压下，将粘稠的反应产物溶于乙腈，加入正己烷液-液抽提48小时，取乙腈层用旋转蒸发器浓缩至固形物含量25％左右，然后将浓缩液倒入大量蒸馏水中沉淀出木素，经离心，木素水洗2-3次，真空干燥。
采用本发明的合成方法具有1、氧碱木素的醇羟基高于普通硫酸盐木素，有利于聚氨酯的合成；经环氧丙烷改性的氧碱木素的醇羟基进一步提高，更加有利于聚氨酯的合成。
2、当NCO/OH在1.4-2.8之间时，原木素合成的聚氨酯试样的玻璃化温度(Tg)、杨氏模量、拉伸强度和伸长率均随NCO/OH的增加而增加，随后达到一定值后趋于稳定。较好的NCO/OH值为2.2。
3、合成木素-聚醚型聚氨酯时，木素加入量对聚氨酯性能影响很大。随着木素用量增大，聚氨酯的玻璃化温度(Tg)、杨氏模量、拉伸强度增大，到峰值后，Tg和杨氏模量趋于稳定，拉伸强度有所降低；木素用量仅5％时，聚氨酯的伸长率大幅度下降。由各项性能来看，木素用量以低于35％为宜。
4、由于甲苯-2，4-二异氰酸酯(TDI)的刚性小于二苯甲基二异氰酸酯(MDI)，因此TDI系列聚氨酯的杨氏模量、玻璃化温度、拉伸强度比MDI系列的要低一些，而伸长率比MDI系列的要稍高一些。
5、改性麦草氧碱木素合成的木素-聚醚型聚氨酯，获得较高的弹性，其性能与异氰酸酯指数和木素用量的变化趋势和未改性氧碱木素合成的聚氨酯大体相同。改性麦草氧碱木素可以合成较低异氰酸酯指数的木素-聚醚型聚氨酯。改性麦草氧碱木素合成的木素-聚醚型聚氨酯性能均高于未改性木素。
6、添加增塑剂邻笨二甲酸二丁脂(DBP)可改善木素-聚醚型聚氨酯的弹性，增塑剂用量为3％，在改性麦草氧碱木素含量为35％时，木素-聚醚型聚氨酯的玻璃化温度、杨氏模量、拉伸强度及伸长率分别为86℃、766MPa、35MPa及14.7％。
总上所述，在强度和弹性方面，改性木素合成聚氨酯试样有所改善，添加增塑剂可进一步提高聚氨酯试样的伸长率，为木素聚氨酯工业化生产创造了条件。由目前合成的聚氨酯试样的性能来看，可应用于工程塑料和硬质泡沫塑料中。
四
无。
五具体实施例方式1、合成聚氨酯的化工原材料
(1)二元醇其中聚醚二元醇聚乙二醇，分子量为1000-4000；低分子量的二元醇，如1，4-丁二醇；其中聚酯二元醇如由稍过量的乙二醇和丙二醇等与己二酸合成的聚己二酸乙二醇酯和聚己二酸丙二醇等，分子量为1000-4000。
(2)二异氰酸酯二苯甲基二异氰酸酯(MDI)，甲苯-2，4-二异氰酸酯(TDI)，六亚甲基二异氰酸酯(HDI)，萘二异氰酸酯。
(3)催化剂金属盐类(如二丁基锡二月桂酸，2-乙基己醇亚锡等)和三级胺。
(4)溶剂四氢呋喃(THF)，二氧陆环，二甲基甲酰胺(DMF)。
2、氧碱木素的制备以及其改性方法(1)氧碱木素的制备原料植物秸干，如麦草，稻草，龙须草，棉干，芦苇，荻等化学药品氢氧化钠(NaOH)，氢氧化钾(KOH)，硫化钠(Na2S)氧碱木素的制备装锅量为850g的麦草，用碱量为18％，液比为1∶5，氧气压力为0.60MPa，升温时间为35分钟，保温温度和时间分别为145℃和60分钟。。
(2)氧碱木素提取(直接从氧碱制浆方法，黑液中提取)使用的酸可以是硫酸，盐酸，醋酸等。
将除取细小纤维等杂质的黑液中缓慢加入稀酸，滤纸过滤除去硅，(或经过一段时间沉淀，硅沉淀至容器底部，利用上部黑液提取氧碱木素，达到去除黑液中硅的目的)，继续加酸至pH值＝2-4，离心分离出氧碱木素，将提取的氧碱木素用清水洗涤至中性(即pH值为7)，真空干燥，收集备用。
(3)氧碱木素改性的方法称取5-10g绝干木素试样，加入甲苯混合均匀，然后再加入50mL环氧丙烷(PO)，以丙二醇为起始剂(其中，丙二醇与PO的摩尔比为1.2％)，加入少量催化剂KOH(其用量为0.2mmol/g氧碱木素)，在高压釜中加热，升温至30℃，小放气，升温到氧碱木素的玻璃化温度以上，保温1.5小时。保证反应过程中pH值在10.5-12之间。反应结束后，降温至常温常压下，将粘稠的反应产物溶于乙腈，加入正己烷液-液抽提48小时。取乙腈层用旋转蒸发器浓缩至固形物含量25％左右，然后将浓缩液倒入大量蒸馏水中沉淀出木素，经离心，木素水洗2-3次，真空干燥，备用。
3氧碱木素合成聚氨酯的方法利用氧碱木素，二异氰酸酯，二元醇为原料，合成聚氨酯的具体方法如下将二元醇、氧碱木素及溶剂充分脱水。在通风橱内将一定量的氧碱木素及二元醇溶于溶剂(如四氢呋喃，二氧陆环)中，加入催化剂(催化剂用量是固形物含量的3％，重量比)。在已除水蒸汽的反应器中通入保护氮气，按异氰酸酯指数-NCO/-OH添加二异氰酸酯，反应10分钟后，倒入预先涂有隔离剂(如硅油，甲基硅油)的模具中，减压挥发部分溶剂后，放在抽真空的干燥室中，于105℃左右固化2-5小时。
其中在合成过程中，可添加增塑剂，如邻苯二甲酸二异丁酯，以进一步提高聚氨酯的性能。增塑剂用量为1-10％之间，添加增塑剂可改善聚氨酯的弹性。当增塑剂用量在3％，改性麦草氧碱木素含量为35％，-NCO/-OH为2.2时，聚氨酯的玻璃化温度、杨氏模量、拉伸强度及伸长率分别为86℃、766MPa、35MPa及14.7％；当改性麦草氧碱木素含量在5％-35％，-NCO/-OH为1.2，添加3％增塑剂时，聚氨酯的性能得到大大改善，伸长率可达到21％-22.6％。
异氰酸酯指数(反应物二异氰酸酯中的反应基团-NCO与二元醇中的反应基团-OH的摩尔比，即-NCO/-OH的摩尔比)在1.0-2.8之间，氧碱木素用量(氧碱木素占氧碱木素与二元醇组成的混合多元醇(混合物)的质量百分数)在5％-35％之间，可合成不同性能的聚氨酯。
聚氨酯的合成反应是氢转移的逐步聚合反应，也称加成聚合反应。其化学反应式为
由此可见，-OH是其中必要的反应基团。我们知道木素(木质素)是由苯基丙烷结构单元(C9)通过醚键(-O-)或C-C键连接而成的交联网状的天然的多酚类高分子化合物，木素中不仅含有酚羟基，而且还含有醇羟基，这样木素可被看作多元醇，因此有可能利用木素取代部分聚合物二元醇应用于聚氨酯的合成中本研究以麦草为原料，采用清洁制浆方法——氧碱制浆得到较好的木素(氧碱木素)，直接或进一步改性后取代部分聚醚二醇或聚酯二醇合成聚氨酯，在开发新型清洁制浆方法的同时，着眼于资源利用，保持生态环境，实施可持续发展战略。
聚氨酯性能的测定将经过固化的聚氨酯于室温下放在干燥器中，放置时间一周以上，然后测定其性能。
(1)玻璃化温度的测定玻璃化转变温度(Tg)采用示差扫描量热法(DSC)测定。测定条件如下试样重量18-22mg 清洗气干燥氮气 升温速度10℃/分钟 灵敏度2mcal/s(2)机械性能的测定采用拉伸试验测定聚氨酯薄片的杨氏模量、抗张强度及伸长率。测定条件如下试样尺寸10×2.8×1mm(长×宽×厚) 拉伸速度1mm/分钟(十字拉伸)表1 改性氧碱木素与原氧碱木素性能
由表1可知，改性木素分散性系数上升，说明在改性过程中多次羟基化反应对各分子作用不一致。氧碱制浆法所得木素醇羟基含量高于普通硫酸盐木素，醇羟基增加比较大，醇羟基与异氰酸酯反应性活性大，说明氧碱法制浆是一种清洁型制浆方法，而且也为木素合成聚氨酯创造了条件。经环氧丙烷(PO)改性后的木素酚羟基转化为醇羟基，改性麦草氧碱木素的酚羟基和醇羟基都明显高于原氧碱木素，更有利于聚氨酯的合成。
表2-NCO/-OH对聚氨酯性能的影响
表3原木素含量对聚氨酯性能的影响
表4 NCO/OH对聚氨酯性能的影响
表5添加增塑剂的改性木素聚氨酯性能
表6 改性木素含量对聚氨酯性能的影响(NCO/OH＝1.4)
权利要求
1.氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是将二元醇、氧碱木素及溶剂充分脱水，在通风橱内将一定量的氧碱木素及二元醇溶于溶剂中，加入催化剂，其重量比是固形物含量的3％，在已除水蒸汽的反应器中通入保护氮气，按异氰酸酯指数-NCO/-OH添加二异氰酸酯，反应10分钟后，倒入预先涂有隔离剂的模具中，减压挥发部分溶剂后，放在抽真空的干燥室中，于105℃左右固化2-5小时。
2.根据权利要求1所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是氧碱木素包括(1)通过氧碱制浆方法得到的木素；(2)对各种制浆方法所得的木素，在碱和氧气、臭氧存在下的适当氧化作用，所得到的氧碱木素；(3)氧碱木素进一步的改性产物。
3.根据权利要求2所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是氧碱木素的制备是用植物秸干，配碱性物质量为10-25％，液比为1∶3-1∶6，氧气压力为0.4-0.80MPa，升温时间为30-45分钟，保温温度和时间分别为120-165℃和20-60分钟；氧碱木素提取是将除取细小纤维等杂质的黑液中缓慢加入稀酸，除去硅，继续加酸至pH值＝2-4，离心分离出氧碱木素，将提取的氧碱木素用清水洗涤至中性，真空干燥。
4.根据权利要求2所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是氧碱木素的改性方法是称取5-10g绝干木素试样，加入甲苯混合均匀，然后再加入50mL环氧丙烷，以丙二醇为起始剂，加入少量催化剂，在高压釜中加热，升温至30℃，小放气，升温到氧碱木素的玻璃化温度以上，保温1.5小时，反应过程中pH值在10.5-12之间，反应结束后，降温至常温常压下，将粘稠的反应产物溶于乙腈，加入正己烷液-液抽提48小时，取乙腈层用旋转蒸发器浓缩至固形物含量25％左右，然后将浓缩液倒入大量蒸馏水中沉淀出木素，经离心，木素水洗2-3次，真空干燥。
5.根据权利要求1所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是合成过程中，可添加增塑剂，增塑剂用量为1-10％之间。
6.根据权利要求1所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是异氰酸酯指数在1.0-2.8之间，氧碱木素用量在5％-35％之间。
7.根据权利要求1所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是二元醇包括高分子量二元醇或低分子量的二元醇；二异氰酸酯包括二苯甲基二异氰酸酯、甲苯-2，4-二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、萘二异氰酸酯；催化剂包括金属盐类或三级胺；溶剂包括四氢呋喃或二氧陆环、二甲基甲酰胺；植物秸干包括麦草、稻草、龙须草、棉干、芦苇、芦竹、荻的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾；稀酸包括硫酸、盐酸或醋酸。
9.根据权利要求3所述的氧碱木素合成聚氨酯的方法，其特征是除去硅的方法包括滤纸过滤法和沉淀法。
全文摘要
本发明涉及一种合成聚氨酯的生产方法。其技术方案是将二元醇、氧碱木素及溶剂充分脱水，在通风橱内将一定量的氧碱木素及二元醇溶于溶剂中，加入催化剂，其重量比是固形物含量的3％，在已除水蒸汽的反应器中通入保护氮气，按异氰酸酯指数－NCO/－OH添加二异氰酸酯，反应10分钟后，倒入预先涂有隔离剂的模具中，减压挥发部分溶剂后，放在抽真空的干燥室中，于105℃左右固化2－5小时。氧碱木素的制备是用植物秸干，配碱性物质量为10－25％，液比为1∶3－1∶6，氧气压力为0.4－0.80MPa，升温时间为30－45分钟，保温温度和时间分别为120－165℃和20－60分钟。采用本发明的合成方法具有氧碱木素的醇羟基高于普通硫酸盐木素，有利于聚氨酯的合成；经环氧丙烷改性的氧碱木素的醇羟基进一步提高，更加有利于聚氨酯的合成。
文档编号C08G18/64GK1424336SQ0213598
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月18日 优先权日2002年12月18日
发明者刘全校, 杨淑蕙 申请人:华泰集团有限公司