一种纳米级木质素基微球及其制备方法与流程

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种纳米级木质素基微球及其制备方法。

背景技术：

光催化由于能在常温常压下反应，且可以直接利用清洁能源太阳能将污染物彻底降解为无机物，成为解决环境污染和能源短缺问题最有应用前景的技术之一。世界上能作为光催化剂的材料众多，包括二氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)、氧化锡(sno2)等多种氧化物半导体。在各种半导体中，由于tio2生物和化学惰性、强氧化能力、成本低、长期稳定性和环境友好性，被普遍认为是最有前景的光催化剂。然而，tio2低量子效率，需要进一步改性才能用于实际应用中。将tio2固定在载体上是一种有效的方法。负载型光催化剂，比表面积增大，有些载体还能与其发生相互作用，有利于电子与空穴的分离，进而提高光催化效率。同时负载后光催化剂易于分离回收和各种光催化反应器的研制。

碳球是一种理想的载体。目前碳球的制备主要以煤焦油、沥青、石油、聚合物等为原料通过物理化学活化法聚合物混合炭化法、有机凝胶法及模板法制备。jones等以煤为原料制备出具有大量孔隙结构、较大比表面积的多孔炭材料，并讨论各反应条件与多孔炭性能的关系。klett等制备了一系列中间相沥青基泡沫多孔炭，发现溶点低的沥青制备泡沫热导率不受前驱体影响，其孔泡尺寸大。近年来，由于石油、化石等资源的日益短缺，人们开始不断开发新的可再生能源用来代替目前短缺的资源。其中，生物质可以直接以各种化合物和化学质能的形式存在，具有替代短缺能源的条件。木质素磺酸钠是生物质废弃物，主要来源于纸浆废液。选用木质素磺酸钠为原料，不仅用可再生能源代替目前短缺的资源，还可以降低成本。微波能深入到样品内部使其中心温度迅速升高，由里向外传播并使整个样品几乎同时被均匀加热，因此微波加热法能有效提高反应效率和缩短反应时间。目前，微波技术的实际应用实例还比较少，理论知识不够健全，微波法在工业的应用还不是很多。因此，选用木质素磺酸钠为原料，微波辅助制备纳米微球的研究方向有着重要的现实意义和应用价值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于：如何以生物质废弃物木质素磺酸钠为原料，微波辅助制备纳米微球。

本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种纳米级木质素基微球，包括木质素磺酸钠、间苯二酚、甲醛、溶剂、分散剂、催化剂、界面改性剂和钛源制备而成；其中所述木质素磺酸钠为3～5重量份、间苯二酚为0.5～2重量份、甲醛为3～4重量份、分散剂为1～3重量份、催化剂为1～3重量份、界面改性剂为1～3重量份、钛源为5～10重量份、溶剂为水50～300重量份和乙醇50～300重量份。

优选的，所述木质素磺酸钠为3重量份、间苯二酚为2重量份、甲醛为3.5重量份、分散剂为1重量份、催化剂为1重量份、界面改性剂为1重量份、钛源为5重量份、溶剂为水300重量份和乙醇50重量份。

优选的，所述分散剂为聚乙烯醇、羟丙基纤维素、羟甲基纤维素中的任意一种。

优选的，所述催化剂为浓氨水、氢氧化钠、氢氧化钾中的任意一种。

优选的，所述界面改性剂为环氧稀释剂622、环氧稀释剂636、环氧稀释剂699中的任意一种。

优选的，所述钛源为钛酸四丁酯或四氯化钛。

优选的，本发明还公开了一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，包括以下步骤：

(1)将木质素磺酸钠和间苯二酚溶解在水和乙醇的混合溶剂中，微波加热至70～80℃，搅拌分散1～1.5h；

(2)将步骤(1)物料降温至40℃，加入分散剂、催化剂和甲醛，搅拌分散，反应4～12h，然后微波加热至85℃，加入界面改性剂，再反应4～12h；

(3)随后将步骤(2)反应体系降温至55℃，加入钛源，再微波升温至80℃，继续反应4～12h后冷却至室温，即得微球；

(4)将步骤(3)制备的微球离心洗涤后，干燥过夜，然后煅烧，得到纳米级木质素基微球。

优选的，所述步骤(4)中在温度为60～110℃，真空度为-0.06～-0.1mpa的真空烘箱中干燥过夜。

优选的，所述步骤(4)中在马弗炉里，惰性气体氛围下于350～500℃煅烧4～8h，得到纳米级木质素基微球。

优选的，所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的任一种。

本发明技术有益效果：本发明提供一种纳米级木质素基微球及其制备方法，原材料主体为木质素磺酸钠、间苯二酚和甲醛，水和乙醇为溶剂，在分散剂、催化剂、界面改性剂等的作用下聚合形成球形结构；再通过滴加钛源缓慢水解在纳米碳球表面形成二氧化钛负载；产物经离心洗涤、干燥和煅烧，可得到直径在100-360nm且具有良好分散性微波辅助纳米级木质素基微球。

微波法的使用能够使样品中心的温度迅速升高，并由里向外传播，使样品得到快速均匀的加热，能提高反应效率和缩短反应时间；生物质废弃物的使用有利于降低成本，微波法的使用有助于提高反应效率，制得的纳米复合微球材料，在污水处理、轻质填料等领域有广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例1所述纳米级木质素基微球的tem图；

图2为本发明实施例1草莓形状的纳米级木质素基微球的tem图；

图3为本发明实施例1所述纳米级木质素基微球的光降解测试图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，包括以下步骤：

(1)将木质素磺酸钠和间苯二酚溶解在水和乙醇的混合溶剂中，微波加热至70～80℃，在此温度下搅拌分散1～1.5h；其中所述木质素磺酸钠添加量为3～5g，优选为3g；所述间苯二酚添加量为0.5～2g，优选为2g；所述水和乙醇的混合溶剂中所述水添加量为50～300ml，所述乙醇添加量为50～300ml，优选为水300ml、乙醇50ml；

(2)将步骤(1)物料降温至40℃，加入1g聚乙烯醇、1g浓氨水和3～4g甲醛，优选3.5g甲醛，搅拌分散，反应12h，然后微波升温至85℃，加入1g环氧稀释剂622，再反应12h；

(3)随后将步骤(2)反应体系降温至55℃，加入5g的钛酸四丁酯，再微波升温至80℃，继续反应12h后冷却至室温，即得微球；

(4)将步骤(3)制备的微球离心洗涤后，在温度为60～110℃，真空度为-0.06～-0.1mpa的真空烘箱中干燥过夜，然后在马弗炉里，氮气氛围下350～500℃煅烧4～8h，最终得到纳米级木质素基微球。

tem测试：将本实施例得到的纳米级木质素基微球加去离子水稀释到固含量1.5-2％，超声分散30min后，滴加到专用铜网上，利用ht7700型透射电镜观察表征，结果见图1和图2。图1和图2的tem结果证明了微波辅助纳米级木质素基微球是典型的草莓形状，粒径均匀，分散性良好，tio2颗粒负载在微球表面，分布均匀范围广泛。

光降解测试：利用uv-3150型紫外-可见分光光度计对甲基橙溶液进行漫反射表征。将本实施例得到的纳米级木质素基微球研磨成粉末溶于甲基橙水溶液中并放入样品池，测试扫描波长范围200-700nm，结果见图3。图3中横坐标是光照时间，纵坐标是溶液中甲基橙实时相对浓度，c0是甲基橙的初始浓度，c是体系中甲基橙光照后剩余浓度。在微波辅助纳米级木质素基微球的光催化作用下，甲基橙的浓度随着时间逐渐降低，光照4h后的基本降解完毕，为最初浓度的为1％。该结果说明微球有良好的光催化性能。

实施例2

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入聚乙烯醇2g。

实施例3

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入聚乙烯醇3g。

实施例4

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟丙基纤维素1g。

实施例5

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟丙基纤维素2g。

实施例6

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟丙基纤维素3g。

实施例7

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟甲基纤维素1g。

实施例8

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟甲基纤维素2g。

实施例9

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入羟甲基纤维素3g。

实施例10

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂浓氨水2g。

实施例11

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂浓氨水3g。

实施例12

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钠1g。

实施例13

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钠2g。

实施例14

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钠3g。

实施例15

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钾1g。

实施例16

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钾2g。

实施例17

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入催化剂氢氧化钾3g。

实施例18

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(3)中加入钛源：钛酸四丁酯10g。

实施例19

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(3)中加入钛源：四氯化钛5g。

实施例20

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(3)中加入钛源：四氯化钛10g。

实施例21

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6222g。

实施例22

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6223g。

实施例23

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6361g。

实施例24

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6362g。

实施例25

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6363g。

实施例26

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6991g。

实施例27

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6992g。

实施例28

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在步骤(2)中加入界面改性剂：环氧稀释剂6993g。

实施例29

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应8h。

实施例30

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应8h，85℃下反应8h。

实施例31

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应8h，85℃下反应8h，80℃下反应8h。

实施例32

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应6h。

实施例33

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应6h，85℃下反应6h。

实施例34

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应6h，85℃下反应6h，80℃下反应6h。

实施例35

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应4h。

实施例36

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应4h，85℃下反应4h。

实施例37

本实施例提供一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法，与实施例1的区别在于，在40℃下反应4h，85℃下反应4h，80℃下反应4h。

利用所述实施例所述的一种微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法制得纳米级木质素基微球粒径测试结果见表1。

表1实施例所制得的纳米级木质素基微球粒径测试结果

由表1可知，通过本发明所述的微波辅助溶胶凝胶法制备纳米级木质素基微球的方法可得到直径在100-360nm且具有良好分散性的纳米级木质素基微球。