秸稈汽爆煉制木質(zhì)素制備酚醛泡沫材料

王冠華，陳洪章

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秸稈汽爆煉制木質(zhì)素制備酚醛泡沫材料

王冠華，陳洪章

中國科學(xué)院過程工程研究所生物質(zhì)煉制工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

王冠華, 陳洪章. 秸稈汽爆煉制木質(zhì)素制備酚醛泡沫材料. 生物工程學(xué)報(bào), 2014, 30(6): 901?910.Wang GH, Chen HZ. Phenolic foam prepared by lignin from a steam-explosion derived biorefinery of corn stalk. Chin J Biotech, 2014, 30(6): 901?910.

以木質(zhì)纖維素為原料的生物煉制不僅需要考慮到纖維素和半纖維素，同時(shí)也需要考慮到木質(zhì)素的利用，以提高木質(zhì)纖維素?zé)捴频恼w經(jīng)濟(jì)效益。利用汽爆處理的玉米秸稈為原料，通過優(yōu)化堿提取的溫度以及堿濃度，獲得木質(zhì)素得率較高，糖含量較少的提取液，同時(shí)該提取液經(jīng)過濃縮后直接部分替代苯酚與甲醛反應(yīng)制備酚醛泡沫。結(jié)果表明：當(dāng)提取溫度120 ℃，堿濃度1%，固液比1∶10，提取時(shí)間2 h，木質(zhì)素的提取率達(dá)到79.67%。由該提取液替代苯酚制備的酚醛泡沫隨著替代率的增加，其泡沫的密度逐漸增加，其壓縮強(qiáng)度相對(duì)于純酚醛泡沫也得到了提高。而木質(zhì)素的加入并沒有顯著影響其熱導(dǎo)率以及阻燃性能，同時(shí)由于其利用較為低廉的可再生資源木質(zhì)素替代不可再生的苯酚原料，成本低，環(huán)保性好，具有更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。采用木質(zhì)素提液直接制備酚醛泡沫材料，工藝流程簡(jiǎn)單；增加了副產(chǎn)物木質(zhì)素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高了整個(gè)木質(zhì)纖維素?zé)捴频慕?jīng)濟(jì)性。

玉米秸稈, 汽爆煉制, 堿提取, 木質(zhì)素應(yīng)用, 酚醛泡沫材料, 性能表征

木質(zhì)纖維素主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，因此以木質(zhì)纖維素為原料的生物煉制就是通過一定的處理分離出其中的3個(gè)組分，分別轉(zhuǎn)化為不同的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)纖維素這種大量的可再生資源綜合利用。蒸汽爆破是一種常見的木質(zhì)纖維素原料的煉制方法，其主要的分離特點(diǎn)是在高溫蒸煮的過程中，半纖維素在乙?；摮纬傻娜跛岘h(huán)境下水解，經(jīng)過水洗回收，剩余固體物料主要含纖維素和木質(zhì) 素。由于木質(zhì)素相對(duì)容易溶于堿，可以通過堿提取的方法溶出木質(zhì)素，剩余纖維素殘?jiān)?，這部分纖維素殘?jiān)ㄟ^酶解糖化后作為發(fā)酵的底物生產(chǎn)乙醇或其他化學(xué)品。汽爆能夠脫除部分易溶半纖維素，通過堿法提取可以獲得純度相對(duì)較高的木質(zhì)素提取液。這種提取液在不經(jīng)過得到木質(zhì)素固體樣品的情況下，可以直接作為木質(zhì)素的原料利用，有效降低木質(zhì)素利用的原料純化成本。同時(shí)這部分木質(zhì)素提取液的利用直接提高了副產(chǎn)物木質(zhì)素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，增加了木質(zhì)纖維素?zé)捴频恼w經(jīng)濟(jì)效益。

酚醛泡沫材料是一種性能優(yōu)異的保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，隔熱效果好，被稱為“保溫之王”。與目前市場(chǎng)的有機(jī)保溫泡沫，如聚苯乙烯、聚氨酯、聚乙烯等相比較，酚醛樹脂具有耐高溫、難燃、自熄、耐火焰等絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。同時(shí)其重量輕、剛性大、尺寸穩(wěn)定性好、絕緣、吸水率低、遇火無灑落物，是建筑、電器、儀表和石油化工等行業(yè)較為理想的絕緣隔熱保溫材料。隨著高層建筑、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ρ夭牧系淖枞夹阅芤笤絹碓絿?yán)格，酚醛泡沫已經(jīng)成為泡沫塑料中發(fā)展最快的品種之一。本文以汽爆處理的玉米秸稈為原料，通過優(yōu)化堿提取的溫度以及堿濃度，獲得木質(zhì)素得率較高、糖含量較少的提取液。該提取液經(jīng)過濃縮后直接替代部分苯酚與甲醛反應(yīng)制備酚醛泡沫材料。同時(shí)通過與純酚醛泡沫材料的密度、壓縮強(qiáng)度以及熱導(dǎo)率等物理性能對(duì)比，來檢驗(yàn)?zāi)举|(zhì)素替代酚醛泡沫材料的性能變化，并分析其市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

蒸汽爆破裝置 (實(shí)驗(yàn)室自制)，三口燒瓶，電動(dòng)攪拌機(jī)，離心機(jī)，真空抽濾泵，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，PB-10普及型pH計(jì) (Sartorius)，KD2 Pro熱特性分析儀 (Decagon)，安捷倫1200s高效液相色譜 (Agilent)，傅里葉變換紅外光譜儀 (Shimadzu FTIR-8400S)，冠測(cè)試力學(xué)電子測(cè)試儀，奧林巴斯BX41顯微鏡。

玉米秸稈于2012年9月采自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米試驗(yàn)田，于陰暗通風(fēng)處自然存儲(chǔ)。氫氧化鈉、硫酸、苯酚、甲醛、三羥甲基氨基甲烷均為分析純。

1.2 秸稈汽爆處理以及木質(zhì)素提取液制備

去葉玉米秸稈通過粉碎至2–3 cm，控制含水量約為40%。每次取約200 g玉米秸稈投入汽爆罐，通入蒸汽，達(dá)到需要的壓力后開始維壓，時(shí)間為5 min，為減少誤差，每種操作條件平行重復(fù)兩罐。秸稈汽爆處理后用蒸餾水洗3次 (10 mL/g秸稈)，烘干。汽爆秸稈按照固液比1∶10加入不同濃度的NaOH溶液，在一定的溫度下萃取木質(zhì)素2 h。之后通過12層紗布分離提取液，殘?jiān)谜麴s水洗，測(cè)纖維素殘?jiān)寐?。過濾液合并后作為提取液置于4 ℃冷藏備用。提取液中木質(zhì)素的得率以及糖含量的測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[10]。

1.3 替代苯酚制備酚醛泡沫材料

木質(zhì)素提取液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至固體含量為30%，取一定量于三口燒瓶中，在45 ℃下加入一定量融化的苯酚。開動(dòng)攪拌器，攪拌均勻。10 min后緩慢加入37%甲醛溶液 (加入的甲醛為與苯酚反應(yīng)的甲醛和與木質(zhì)素反應(yīng)的甲醛的總和，加入量參照文獻(xiàn)[10])，于65 ℃反應(yīng)1 h；隨后升溫至92 ℃，保溫1 h。冷卻至40 ℃后，在攪拌條件下，用4 mol/L鹽酸中和體系的pH值，旋蒸脫水即為可發(fā)泡酚醛樹脂。將一定比例的液化樹脂、發(fā)泡劑 (正戊烷)、表面活性劑 (吐溫80) 攪拌混合均勻，加入固化劑 (鹽酸)，繼續(xù)攪拌均勻后倒入開口紙質(zhì)模具，置于70 ℃預(yù)先加熱的烘箱，固化30 min，成型后脫模得到酚醛泡沫。

1.4 木質(zhì)素表征

提取液中木質(zhì)素分子量參照文獻(xiàn)[15]測(cè)定，采用安捷倫1200s高效液相色譜儀分析，柱子為水性凝膠色譜柱TSK G3000PWxl。紅外光譜分析采用島津FTIR-8400S傅里葉變換紅外分析儀，用KBr壓片法，分辨率為4 cm，掃描次數(shù)為40次。

1.5 酚醛泡沫材料物理性能表征

酚醛泡沫放置24 h熟化后，進(jìn)行表觀密度、壓縮強(qiáng)度及導(dǎo)熱系數(shù)性能的測(cè)定。表觀密度根據(jù)GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定，壓縮強(qiáng)度按照GB/T 8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)定。導(dǎo)熱系數(shù)通過KD2 Pro熱特性分析儀測(cè)定，探頭選用TR-1型。酚醛泡沫的顯微觀察通過奧林巴斯BX41顯微鏡，成像系統(tǒng)為JVC610萬像素CCD。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈汽爆煉制脫糖提純木質(zhì)素

玉米秸稈經(jīng)汽爆處理脫除部分半纖維素之后，再通過堿溶解分離木質(zhì)素時(shí)，能夠較少地溶出堿溶性半纖維素，獲得木質(zhì)素純度相對(duì)較高的提取液。如圖1所示，與未經(jīng)汽爆處理的空白相對(duì)比，隨著秸稈汽爆強(qiáng)度的提高，其提取液中多糖的含量逐漸下降，而木質(zhì)素的含量逐漸上升。當(dāng)蒸汽壓力為1.8 MPa，維壓時(shí)間為5 min時(shí)，木質(zhì)素占提取液中固形物含量的65.04%，相對(duì)于沒有經(jīng)過汽爆的秸稈堿提取液中木質(zhì)素的含量38.24%提高了70.08%。同時(shí)由于提取液中的灰分主要來自提取時(shí)加入的NaOH，其實(shí)是可以作為酚醛樹脂合成的催化劑?；诖耍狙芯恐苯訉⑻崛∫簼饪s后作為苯酚的替代制備酚醛樹脂泡沫，省去從提取液回收木質(zhì)素所需要的多個(gè)步驟，包括酸析、固液分離以及干燥等，工藝流程較為簡(jiǎn)單。

圖1 不同汽爆條件下堿提液中木質(zhì)素、多糖以及灰分相對(duì)含量的對(duì)比

2.2 汽爆秸稈木質(zhì)素提取條件的優(yōu)化

在汽爆秸稈的堿提取過程中，提取溫度以及堿的用量都會(huì)顯著影響到木質(zhì)素的提取率以及純度，同時(shí)也需要考慮到纖維素殘?jiān)牡寐剩虼宋覀兎謩e考察了不同提取溫度以及不同堿濃度對(duì)提取液中木質(zhì)素的得率及純度的影響。

2.2.1 提取溫度

固液比為1∶10 (/)，堿的濃度為1%的條件下，考察了不同的提取溫度對(duì)木質(zhì)素得率以及純度的影響。從圖2可以看出，隨著提取溫度的提高，木質(zhì)素得率逐漸增加，當(dāng)提取溫度高于120 ℃時(shí)，隨著溫度的提高，木質(zhì)素的得率出現(xiàn)了略微的下降，其主要原因是在高溫提取的過程中，部分木質(zhì)素回吸沉積至纖維上面，導(dǎo)致脫木質(zhì)素率下降。而提取液中的多糖含量 (相對(duì)于木質(zhì)素)，隨著提取的溫度增加從6.69%逐漸降低5.35%左右，100 ℃后變化量趨于平緩，主要原因?yàn)樘崛∫褐心举|(zhì)素的含量的相對(duì)提高。同時(shí)隨著溫度上升，溶出的木質(zhì)素逐漸增加，因此纖維素殘?jiān)牡寐室仓饾u下降，當(dāng)溫度升至120 ℃時(shí)，纖維素殘?jiān)牡寐授呌谄椒€(wěn)，約占物料59%左右。因此，在考慮到木質(zhì)素的提取率以及含糖量，同時(shí)保證纖維素得率的情況下，堿提取的最佳溫度為120 ℃。

通過對(duì)不同溫度提取的木質(zhì)素分子量進(jìn)行表征后發(fā)現(xiàn) (圖3和表1)，在較低的提取溫度下 (60–100 ℃)，木質(zhì)素分子量的分布出現(xiàn)了大面積的重疊，重均分子量和數(shù)均分子量均沒有出現(xiàn)較大的變化。因此，此時(shí)的提取溫度對(duì)木質(zhì)素的分子量的影響并不是特別明顯。在低溫提取的過程中并沒有出現(xiàn)大部分的木質(zhì)素分子解聚的情況，表明汽爆秸稈木質(zhì)素的堿提取并不是依賴于木質(zhì)素的解聚后溶出，而是一種通過溶解的方式溶于堿液中。這部分木質(zhì)素可能是通過汽爆處理解聚形成的，在遇到堿性溶劑時(shí)直接溶出。因此，其分子量隨提取溫度的變化差異不大。當(dāng)溫度高于100 ℃時(shí)，隨著溫度的升高，木質(zhì)素的分子量分布向小分子方向偏移，重均分子量從100 ℃時(shí)的7 104 Da降至160 ℃時(shí)的5 424 Da。分子量的降低主要是木質(zhì)素在高溫提取過程的進(jìn)一步解聚。結(jié)合上述的溫度提高有利于提高木質(zhì)素的提取率，可以推斷在提取溫度較高的條件下，木質(zhì)素提取率高可能是因?yàn)槟举|(zhì)素的進(jìn)一步解聚溶出。

圖2 不同提取溫度下木質(zhì)素的提取率、含糖量以及纖維素殘?jiān)寐?/p>

圖3 不同提取溫度下木質(zhì)素分子量分布

表1 不同提取溫度下木質(zhì)素重均分子量、數(shù)均分子量及分散度

Table 1 Weight-average (), number-average () molecular weight and polydispersity (/) of lignin extracted under different temperature

表1 不同提取溫度下木質(zhì)素重均分子量、數(shù)均分子量及分散度

Extraction temperature (℃)(/) 607 0543 0482.31 807 1653 1052.31 1007 1043 1262.27 1206 8482 6752.56 1405 5162 2742.42 1605 4242 2082.46

2.2.2 堿濃度

固液比為1∶10 (/)，提取溫度為120 ℃，考察了不同NaOH濃度提取對(duì)木質(zhì)素得率以及純度的影響。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)隨著堿濃度的提高，木質(zhì)素的提取率逐漸增加，而相對(duì)應(yīng)的纖維素殘?jiān)寐手饾u下降。當(dāng)提取液NaOH的濃度為0.25%時(shí)，木質(zhì)素的提取率只有26.80%，大部分木質(zhì)素沒有溶出，留于纖維殘?jiān)?。而隨著提取液中堿濃度的提高，木質(zhì)素溶出量迅速增加，當(dāng)堿濃度超過1%時(shí)，木質(zhì)素的提取增加量趨于平緩。圖5和表2給出了不同NaOH濃度提取獲得的木質(zhì)素分子量的分布圖及其數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著NaOH濃度的增加，洗脫時(shí)間為10–12 min的這部分大分子木質(zhì)素減少，重均分子量從0.25% NaOH的7 299 Da降至1.5% NaOH的6 716 Da。其原因主要是在較多的NaOH催化劑存在時(shí)，加速了木質(zhì)素-O-4醚鍵的斷裂，導(dǎo)致木質(zhì)素分子量的降低。木質(zhì)素的解聚有利于提取過程的溶出，提高提取率。但是在相對(duì)較高的NaOH濃度下，汽爆秸稈中殘留的聚糖堿性水解增加，提高提取液中糖的含量，降低木質(zhì)素的純度。同時(shí)，由于較多的堿存在于提取液中，也可能對(duì)后續(xù)的利用過程產(chǎn)生影響。因此，綜合考慮木質(zhì)素的得率以及純度，選用1%作為木質(zhì)素提取的NaOH濃度。

圖4 不同堿濃度提取下木質(zhì)素的提取率、含糖量以及纖維素殘?jiān)寐?/p>

圖5 不同堿濃度提取下木質(zhì)素分子量分布

表2 不同堿濃度提取木質(zhì)素重均分子量、數(shù)均分子量及分散度

Table 2 Weight-average (), number-average () molecular weight and polydispersity (/) of lignin extracted under different concentrations of NaOH

表2 不同堿濃度提取木質(zhì)素重均分子量、數(shù)均分子量及分散度

NaOH concentration (%)(/) 0.257 2292 7112.66 0.507 1962 6262.74 1.006 8482 6752.56 1.506 7162 5992.58

2.3 木質(zhì)素酚醛泡沫制備及表征

NaOH濃度1%，固液比為1∶10在120 ℃提取汽爆秸稈，提取液經(jīng)過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至固含30%左右后，直接部分替代苯酚制備可發(fā)性甲階酚醛樹脂，替代率按照濃縮液中木質(zhì)素的含量計(jì)算。木質(zhì)素提取液替代的酚醛樹脂通過正戊烷發(fā)泡，鹽酸固化制備泡沫樹脂。由于發(fā)泡劑不能溶于樹脂中，因此通過加入表面活性劑后劇烈攪拌，形成穩(wěn)定乳化液后再加入固化劑，攪拌均勻至于70 ℃烘箱中發(fā)泡。圖6給出了秸稈煉制木質(zhì)素制備酚醛泡沫材料的工藝流程圖。

圖6 秸稈汽爆煉制木質(zhì)素制備酚醛泡沫材料的工藝流程圖

2.3.1 表觀形貌分析

圖7給出了在相同添加劑添加量以及發(fā)泡條件下制備的純酚醛樹脂泡沫以及木質(zhì)素提取液替代30%酚醛泡沫的表觀形貌。從圖中泡沫表觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，所制備的泡沫材料孔隙分布相對(duì)均勻，沒有出現(xiàn)塌泡現(xiàn)象。純酚醛泡沫顏色為淡黃至淺粉紅色，而添加木質(zhì)素的酚醛泡沫顏色為棕色，其主要是來自木質(zhì)素在酸性條件下的顏色。在光學(xué)顯微鏡 (放大倍數(shù)10×10) 下，可以看出純酚醛泡沫與木質(zhì)素酚醛泡沫在顯微結(jié)構(gòu)上都具有獨(dú)立的泡孔結(jié)構(gòu)，刨面呈六邊形結(jié)構(gòu)，其孔徑分布上在50–100 μm左右，差異不大。這種泡孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)密閉，有利于阻止熱對(duì)流的產(chǎn)生，使泡沫具有較好的保溫隔熱效果，同時(shí)泡孔之間在各個(gè)方位緊密相連，使其具有一定的拉伸以及壓縮強(qiáng)度。

圖7 純酚醛泡沫和木質(zhì)素酚醛泡沫的外觀形貌以及顯微結(jié)構(gòu)對(duì)比(a和c：純酚醛樹脂；b和d：木質(zhì)素酚醛泡沫)

2.3.2 紅外表征

圖8給出了木質(zhì)素提取液、木質(zhì)素替代30%的酚醛泡沫以及純酚醛泡沫的紅外光譜圖。從圖中可以看出木質(zhì)素提取液的紅外光譜是典型秸稈類木質(zhì)素的吸收譜圖，其中包括由醇羥基和酚羥基伸縮振動(dòng)引起的寬峰 (3 424–3 392 cm)，甲基和亞甲基伸縮振動(dòng)吸收峰(2 940–2 870 cm)；苯環(huán)骨架振動(dòng)吸收峰 (1 610 cm，1 500 cm和1 426 cm)，紫丁香環(huán)C-O振動(dòng)吸收峰 (1 329 cm和1 125 cm) 以及愈創(chuàng)木環(huán)C-O振動(dòng)吸收峰 (1 270 cm)。而木質(zhì)素酚醛泡沫以及純酚醛泡沫的紅外對(duì)比圖中可以發(fā)現(xiàn)，兩者紅外圖譜基本一致，包括酚羥基伸縮振動(dòng)吸收峰 (3 342 cm)，苯環(huán)的骨架振動(dòng)(1 610 cm，1 480cm)，芳環(huán)C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng) (1 145 cm) 以及木質(zhì)素光譜中沒有明顯發(fā)現(xiàn)的共軛羰基伸縮振動(dòng) (1 645 cm) 和二亞甲基醚橋C-O-C伸縮振動(dòng) (1 074 cm)。同時(shí)，木質(zhì)素酚醛泡沫保留了木質(zhì)素1 705 cm非共軛羰基吸收峰。

圖8 木質(zhì)素提取液 (LE)、木質(zhì)素酚醛泡沫 (LSPF) 以及純酚醛泡沫 (PPF) 的紅外光譜圖

2.3.3 物理性能表征

表1中給出了不同木質(zhì)素替代率酚醛泡沫材料的一些應(yīng)用性能的分析數(shù)據(jù)。泡沫材料的密度與壓縮強(qiáng)度及熱導(dǎo)率都有較大的關(guān)系，當(dāng)密度較大時(shí)，壓縮強(qiáng)度較好，但是導(dǎo)熱率較高同時(shí)泡沫材料的成本也提高。因此，在對(duì)比不同替代率的酚醛泡沫時(shí)，必須考慮到密度對(duì)泡沫性能的重要影響。從表中可以發(fā)現(xiàn)，添加木質(zhì)素提取液酚醛泡沫的密度相對(duì)于純酚醛泡沫有不同程度的提高，其主要原因是提取液中的木質(zhì)素分子量相對(duì)于甲階酚醛樹脂來說較大，導(dǎo)致混合體系的粘度增加，而在發(fā)泡的過程密度相對(duì)提高。隨著提取液替代率的提高，其泡沫材料密度逐漸增加，但是增加的量并不顯著，當(dāng)替代率達(dá)到30%時(shí)，其密度也保持在40 kg/m以下，低于之前文獻(xiàn)報(bào)道。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨著木質(zhì)素添加量的提高，泡沫材料的壓縮強(qiáng)度增加，主要是密度的增加導(dǎo)致。熱導(dǎo)率的測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的添加并沒有顯著提高泡沫的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率低于0.025 W/(m·k)，具有較好的保溫效果。同時(shí)，在泡沫阻燃性能方面，4種酚醛泡沫都能達(dá)到離火即熄，燃燒過程并無滴落或熔融現(xiàn)象，而且在燃燒的表面能夠形成碳膜，阻止進(jìn)一步燃燒，具有較好的阻燃性能。因此，木質(zhì)素提取液替代的酚醛泡沫相對(duì)于純酚醛泡沫在應(yīng)用性能上并沒有顯著的不足，同時(shí)由于其利用較為低廉的可再生資源木質(zhì)素替代不可再生的苯酚原料，成本低，環(huán)保性好，具有更好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

表3 不同替代率酚醛泡沫密度、壓縮強(qiáng)度及熱導(dǎo)率的參數(shù)以及同相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比

3 結(jié)論

汽爆處理有效降低秸稈半纖維素含量，進(jìn)而提高了木質(zhì)素提取液的中木質(zhì)素的相對(duì)純度。在汽爆秸稈堿提取的過程中，當(dāng)提取溫度為120 ℃，堿濃度為1%，固液比為1∶10時(shí)，木質(zhì)素的提取率達(dá)到79.67%。由該提取液制備的酚醛泡沫隨著提取液替代率的增加，其泡沫的密度逐漸增加，其壓縮強(qiáng)度相對(duì)于純酚醛泡沫也得到了提高，而且木質(zhì)素的加入并沒有顯著影響其熱導(dǎo)率以及阻燃性能。在顯微結(jié)構(gòu)上木質(zhì)素酚醛泡沫具有相對(duì)均勻的六邊形封閉泡孔結(jié)構(gòu)，有利于阻止熱對(duì)流的產(chǎn)生，使其具有較好的保溫隔熱效果。本文首次直接采用木質(zhì)素提取液制備酚醛泡沫，工藝流程簡(jiǎn)單；同時(shí)增加了副產(chǎn)物木質(zhì)素的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，提高了整個(gè)木質(zhì)纖維素?zé)捴频慕?jīng)濟(jì)性。

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(本文責(zé)編 郝麗芳)

Phenolic foam prepared by lignin from a steam-explosion derived biorefinery of corn stalk

Guanhua Wang, and Hongzhang Chen

Beijing Key Laboratory of Biomass Refining Engineering, Institute of Process Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

To increase the integral economic effectiveness, biorefineries of lignocellulosic materials should not only utilize carbohydrates hydrolyzed from cellulose and hemicellulose but also use lignin. We used steam-exploded corn stalk as raw materials and optimized the temperature and alkali concentration in the lignin extraction process to obtain lignin liquor with higher yield and purity. Then the concentrated lignin liquor was used directly to substitute phenol for phenolic foam preparation and the performances of phenolic foam were characterized by microscopic structure analysis, FTIR, compression strength and thermal conductivity detection. The results indicated that, when steam-exploded corn stalk was extracted at 120 ℃for 2 h by 1% NaOH with a solid to liquid ratio of 1:10, the extraction yield of lignin was 79.67%. The phenolic foam prepared from the concentrated lignin liquor showed higher apparent density and compression strength with the increasing substitution rate of lignin liquor. However, there were not significant differences of thermal conductivity and flame retardant properties by the addition of lignin, which meant that the phenolic foam substituted by lignin liquor was approved for commercial application. This study, which uses alkali-extracted lignin liquor directly for phenolic foam preparation, provides a relatively simple way for utilization of lignin and finally increases the overall commercial operability of a lignocellulosic biorefinery derived by steam explosion.

corn stalk, steam-explosion derived biorefinery, alkali extraction, lignin application, phenolic foam, performance characterization

January 25, 2014; Accepted: March 26, 2014

Special Funds of the Science and Technology Innovation Base for Beijing Key Laboratory of Biomass Refining Engineering (No. Z13111000280000), National Natural Science Foundation of China (No. 21206176), National Basic Research Program of China (973 Program) (No. 2011CB707401).

Hongzhang Chen. Tel: +86-10-82544982; Fax: +86-10-82627071; E-mail: hzchen@home.ipe.ac.cn

生物質(zhì)煉制工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2013年度科技創(chuàng)新基地培育與發(fā)展工程專項(xiàng)項(xiàng)目(No. Z13111000280000)，國家自然科學(xué)基金(No. 21203176)，國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃) (No. 2011CB707401) 資助。