[发明专利]一种木质素基聚羧酸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种木质素基聚羧酸及其制备方法，S10，将木质素粉末与环状酸酐粉末以1:1.0、1:1.2、1:1.4、1:1.6、1:1.8和1:2.0的摩尔比进行混合；S20，将6组混合物分别倒入行星球磨机的4个100mL氧化锆球磨罐中，分组进行机械化学改性；S30，在各氧化锆球磨罐中加入混合物总量3～5wt％的氢氧化钾作为碱性催化剂；S40，行星球磨机运行模式为双向，频率为50Hz且每隔15分钟转换转向一次；S50，球磨100～140分钟，将环状酸酐改性的木质素基聚羧酸从行星球磨机中倒出；S60，去残酸及碱性催化剂后干燥。本发明通过高能球磨法，在无溶剂的条件下对木质素进行化学改性，木质素机械化学改性反应条件更简单、反应效率更高。

技术领域

本发明属于木质素材料技术领域，特别涉及木质素基聚羧酸及其制备方法。

背景技术

在人们的日常生活中，化石基产品无处不在而且消耗量巨大，造成了严重的环境污染和资源短缺等问题。化石资源的日益短缺以及化石基产品的生物不可降解性使得寻找可再生和可生物降解的资源替代化石基产品成为亟待解决的迫切问题。其中，天然高分子化合物来自于自然界，易于生物降解，是替代化石基产品的最理想的资源之一。木质素纤维素是自然界中来源最广泛的生物质材料，主要包括纤维素、半纤维素和木质素三种组分。其中，木质素是仅次于纤维素的储量第二丰富的生物质材料，并且是自然界中唯一能提供芳香基团的可降解生物质材料，是一种很有前景的化石基产品的替代资源。

木质素是一种结构复杂的三维立体网状酚类天然高分子聚合物，年产量约为2000亿吨，是制浆造纸和生物精炼工业的主要副产物，其中大部分木质素被用作燃料直接燃烧，只有约为3％的极少数木质素被回收且加以利用。木质素的基本结构为苯丙烷单体，主要由3种苯丙烷结构：(1)对-羟苯基丙烷单体；(2)愈创木基丙烷单体；(3)紫丁香基丙烷单体，分子结构参见图1，这3中苯丙烷结构按照连续脱氢聚合的机理，通过C-C键和醚键链接起来，形成木质素的三维网状聚酚化合物结构。因此，不同于纤维素可以用规则的化学式来表示，木质素通常按照测试结果推测出来的部分分子结构，参见图2，在木质素结构中苯丙烷单体的连接方式包括β-O-4，α-O-4，4-O-5，β-1，β-5，β-β，5-5等，其中β-O-4是木质素中最主要的连接方式。

由于木质素复杂的三维网状结构，木质素本身的反应活性和可及性受到了极大的限制，从而导致了木质素的高附加值应用发展困难。然而，木质素结构中含有大量的各类官能团，如羟基、羰基、羧基、甲氧基、共轭双键、芳香基、碳碳双键等，给木质素的改性研究提供了多样性和基础。通过酚化、酯化、磺化、环氧化等化学改性方法，木质素的反应活性得到了提高，从而扩展了木质素材料的高附加值化应用前景。然而，化学改性一般在溶解介质下进行，而木质素复杂的三维网状结构使其在溶液中溶解度极低，通常反应条件苛刻(高温高压)、反应耗时长、反应效率和转化率底下，这些木质素化学改性过程中普遍存在的问题，促使我们找到一种绿色、高效、无溶剂的木质素改性方法。

机械力通过不同的作用形式(包括压缩、冲击、剪切、研磨等)将机械能引入到反应体系中，一方面通过机械球磨使反应物物理变化(颗粒细化)，另一方面通过引入的机械能使反应物的化学键断裂引发化学变化，从而提高反应物的反应活性，激发和加速化学反应。机械化学的主要特点可以归纳为以下三点：(1)在不添加任何溶剂的情况下引发物质的化学反应；(2)机械化学反应可以有效减少反应产生的副产物和有毒废料；(3)与普通化学反应相比，机械化学反应耗时更短。因此，本发明提出使用机械化学法对木质素材料进行高效且环保的化学改性，可以很好的避免木质素溶解度低对化学改性造成的影响和局限，并对探索木质素的高附加值应用具有非常重要的实践意义。

发明内容

有鉴于此，本发明实现在无溶剂的条件下通过高能球磨的方法在较短的时间内对木质素进行高效的机械化学改性，提高木质素的反应活性，改善木质素与其他材料之间的相容性，便于木质素基复合材料的商业开发和利用。

为达到上述目的，本发明提供了木质素基聚羧酸的制备方法，包括以下步骤：