1、南京 林业大学本科 生 毕业 论文 本科毕业设计 (论文 ) 题 目 : 木粉苄基化改性制备复合材料的研究 学 院 : 化学工程学院 专 业 : 环境工程 班 级 : 1002051 学 号 : 100205115 学生姓名： 钮燕燕 指 导教师 : 叶菊娣 职称 : 讲师 二一 四 年 五 月 二十一 日 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 木粉苄基化改性制备复合材料 摘 要 随着环境问题越来越严重，石油，煤炭等的不可再生资源的总量变得越来越少，可再生资源也就变得越来越重要。 在所有大家知道的可再生资源的利用方法中，将可再生资源转换成新材料去代替部分石油资源已经成为了一种非常重要的发展趋势。
2、本课题对木粉苄基化改性进行了研究，使木粉具有可塑性，并且以苄基化木粉产物为基体制备生物基复合材料，为木质纤维类农林的废弃物的高附加值利用寻求一条新的途径。 在论文中，将纤维素改性方法应用于木粉改性，考察木粉苄基化过程中 NaOH的浓度，氯化苄的用量，反应时间，反应温度等因素对改性产物增重率的影响。实验结果表明，考察了木粉苄基化实验的各种影响因素，以增重率为考察标准，确定了木粉改性的最好的工 艺和条件：木粉球磨 4 小时后，每 2克木粉加入 0.02克十六烷基三甲基溴化铵作为转移催化剂， 10 克 40%NaOH 溶液作润胀剂和催化剂 ,8 毫升氯化苄， 8毫升二甲苯为分散介质，在油浴温度为 1
3、20 摄氏度，反应 4小时，就可以得到增重率达 90%的木粉苄基化产物。 以 木 粉苄基化产物为基体，纳米蒙脱土为增强材料进行共混，制备复合材料，考察其弯曲强度和拉伸强度，探讨增强材料对木粉力学性能的影响。实验结果显示，复合材料的力学性能比木粉苄基化产物的力学性能强，它的拉伸强度和弯曲强度随增强材料的质量分数增加而增加。增强材料的质量 分数并非越高越好，高于一定的量后，复合材料的力学性能反而降低。 关键词 ： 木粉 ;预处理 ;球磨 ;苄基化 ;复合材料 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 Wood powder benzyl chemical modification of preparat
4、ion of composite materials Abstract As the environment problem more and more serious, oil, coal, etc of the amount of non-renewable resources is becoming less and less, renewable resource becomes more and more important. In all people know the use of renewable resources approach, the transform renew
5、able resources into new materials to replace part of petroleum resources has become a very important development trend. This topic about the modification of wood powder benzyl was studied, and make the wood powder plasticity, and preparation of the wood powder product by benzyl matrix biological mat
6、rix composites, wood fiber for agriculture and forestry waste of high value-added use to seek a new way. In the paper, cellulose modification method was applied to wood powder modification, inspects wood powder of benzyl NaOH concentration, the amount of benzyl chloride, reaction time, reaction temp
7、erature on the influence of the modified products weight gain rate. The experimental results show that the experimental benzyl wood powder were studied the various influence factors, weight gain rate for inspection standard, determine the best technology of wood powder modification and the condition
8、: wood powder ball mill after 4 hours, every 2 g wood powder add 0.02 g of hexadecyl trimethyl ammonium bromide as catalyst, 10 g 40% NaOH solution as swelling agent and catalyst, 8 ml of benzyl chloride, 8 ml of xylene as dispersion medium, the oil bath temperature is 120 degrees Celsius, response
9、4 hours, you can get the weight gain rate was 90% benzyl wood powder product. With wood powder benzyl products for matrix, nanometer montmorillonite as a reinforcing material for blending, the preparation of composite materials, inspects its bending strength and tensile strength, study the effects o
10、f reinforcement on the mechanical behavior of wood powder. The experimental results show that the 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 mechanical properties of composite material than wood powder of benzyl product mechanical performance is strong, its tensile strength and bending strength increase with the increase of
11、 mass fraction of reinforced material. Increase the quality of materials, the higher the score is not better, than a certain amount, the mechanical properties of composite materials instead of down. Key words: wood powder; Pretreatment; Ball mill; Benzyl; Composite materials 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 目录 第一章
12、 绪论 . 1 1.1 前言 . 1 1.2 木质纤维素的概述 . 1 1.2.1 纤维素的概述 . 2 1.2.2 半纤维素的概述 . 3 1.2.3 木质素的概述 . 4 1.2.4 木质纤维预处理方法 . 5 1.3 木质纤维素的改性研究 .7 1.3.1 纤维素改性 . 7 1.3.2 木质纤维素热塑性改性研究进展 . 10 1.4 课题研究的目的，内容和创新点 . 10 1.4.1 研究目的 . 10 1.4.2 研究内容 . 11 1.4.3 创新点 . 11 第二章 木粉苄基化改性研究 . 12 2.1 前言 . 12 2.2 实验部分 . 12 2.2.1 实验试剂与仪器 .
13、12 2.2.2 实验方法 . 14 2.2.3 力学型能测试 . 14 2.3 结果与讨论 . 15 2.3.1 氢氧化钠浓度对苄基化反应的影响 . 15 2.3.2 氯化苄用量对苄基化反应的影响 . 15 2.3.3 反应时间对苄基化反应的影响 . 16 2.3.4 反应温度对苄基化反应的影响 . 17 2.3.5 木粉苄基化最佳反应条件的确定 . 17 2.3.6 木粉苄基化产物的力学性能测试 . 18 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 2.4 本章小结 . 18 第三章 以木粉改 性产物为基体的复合材料的研究 . 19 3.1 前言 . 19 3.2 实验部分 . 19 3.2.1
14、实验原料以及仪器 . 19 3.2.2 实验方法 . 20 3.3 结果与讨论 . 20 3.3.1 纳米蒙脱土增强材料的木粉苄基化产物复合材料的力学性能 . 20 3.3.2.木粉为增强材料的木粉苄基化产物复合材料的力学性能 . 22 3.4 本章小结 . 23 第四章 结论 . 24 致谢 . 25 参考文献 . 26 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 1 第一章 绪论 1.1 前言 纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50%以上，每年通过光合作用可合成约 1.5 1012t。纤维素及其衍生物在纺织、轻工、化工、国防、石油、医药、能源、生物技术和环境保护等部门应用十分广泛
15、。近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长和各国对环境污染问题的日益关注和重视，纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到重视。纤维素可广泛替代石油化工原料，对缓解世界能源与环境问题有着重大意义。纤维素是 D-葡萄糖以 -1,4-糖苷键组成的大分子多糖，在结晶区内相邻的葡萄糖 环相互倒置，经过结构改造后可以引入大量其它结构的基团，从而改进纤维素性质。天然纤维素改性是纤维素利用的有效途径。能否充分利用这些丰富的可再生原料，是解决未来能源问题和环境问题的一个关键因素。因此，世界各国都很重视纤维素的研究与开发 【 1】 。 利用木质纤维素原料生产新能源 ,已成为国内外新能源的开发热点
16、。新能源具有环境友好、可再生等优点 ,将在未来社会能源需求中扮演重要角色。木粉是一种丰富的资源 ,若能用来生产新能源 ,对经济、社会发展都有重要意义。 利用秸秆，木材等农林废弃物制备热塑性材料主要就是借用纤维素改 性的方法。天然纤维素分子内与分子间存在着无数的氢键，这使得很多的纤维素分子共同组成结晶结构，组成复杂的微纤维。木质素以三维网状结构填充于纤维素周围，使得纤维素聚合物显示出刚性和高度的水溶性，对试剂的可及度很低。所以，在对秸秆天然纤维改性前，需要选择合适的方法对它进行处理，破坏三大素之间的键合，来提高它的可及度。 1.2 木质纤维素的概述 木质纤维素是天然的，可再生的木材经过化学处理、
17、机械法加工得到的有机絮状 纤维 物质，无毒、无味、无污染、无放射性。广泛用于混凝土砂浆、石膏制品、木浆海棉、沥青道路等领域。对防止涂层开裂、提高 保水性 、提高生产的 稳南京 林业大学本科 生 毕业 论文 2 定性 和施工的合易性、增加强度、增强对表面的 附着力 等有良 好的效果。 1.2.1 纤维素的概述 纤维素的分子式是 (C6H10O5)n，是由 D-葡萄糖 以 -1， 4糖苷键组成的大分子多糖，分子量 50000 2500000,相当于 300 15000个葡萄糖基。不溶于水及一般有机溶剂。 纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的 50以上。棉花的纤维素含量接近 100 ,
18、为天然的最纯纤维素来源。一般木材中，纤维素占 40 50 ,还有 10 30的半纤维素和 20 30的木质 素。此外，麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。全世界用于纺织造纸的纤维素，每年达 800万吨。此外，用分离纯化的纤维素做原料，可以制造人造丝， 赛璐玢 以及 硝酸酯 、醋酸酯等酯类衍生物和甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素等醚类衍生物，用于塑料、炸药、电工及科研器材等方面。其结构如图 1-1所示： 图 1-1 纤维素的结构示意图 2 Fig.1-1 The structure of cellulose 纤维素是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。 醋酸菌 的
19、荚膜，以及尾索类动物的被囊中也发现有纤维素的存在，棉的种子毛是高纯度（ 98%的纤维素。所谓 -纤维素这一名称系指从原来细胞壁的完 全纤维素 标准 样品用 17.5%NaOH 不能提取的部分。 -纤维素、 -纤维素是相应于半纤维素的纤维素， -纤维素通常大部分是结晶性纤维素， -纤维素， -纤维素在化学上除南京 林业大学本科 生 毕业 论文 3 含有纤维素以外，还含有各种多糖类。 细胞壁 的纤维素形成微纤维。宽度为 1030毫微米，长度有的达数微米。应用 X 线衍射和 负染色法 ，根据 电子显微镜 观察，链状分子平行排列的结晶性部分组成宽为 3 4毫微米的基本微纤维。推测这些基本微纤维集合起来
20、就构成了微纤维。 纤维素能溶于 schwitzer 试剂或 浓硫酸 。虽然不易用酸水解，但是稀酸或纤维素酶可使纤维素生成 D-葡萄糖、纤维二糖和 寡糖 。在醋酸菌中有从 UDP 葡萄糖引子转移糖苷合成纤维素的酶。在高等植物中已得到具有同样活性的颗粒性酶的标准样品。此酶通常是利用 GDP 葡萄糖，在由 UDP 葡萄糖转移的情况下，发生 1， 3键的混合。纤维素不溶于水和 乙醇 、 乙醚 等有机溶剂，能溶于铜氨 Cu(NH3） 4（ OH） 2溶液和铜乙二胺 NH2CH2CH2NH2Cu（ OH） 2溶液等。水可使纤维素发生有限溶胀，某些 酸 、 碱 和 盐 的水溶液可渗入纤维结晶区，产生无限溶胀
21、，使纤维素溶解。纤维素加热到约 150时不发生显著变化，超过这温度会由于脱水而逐渐焦化。 1.2.2 半纤维素的概述 半纤维素指在 植物 细胞壁中与纤维素共生、可溶于 碱 溶液，遇酸后远较纤维素易于水解的那部分植物多糖。一种植物往往含有几种由两或三种 糖基 构成的半纤维素，其化学结构各不相同。 半纤维素 是由几种不同类型的 单糖 构成的异质多聚体，这些糖是五碳糖和六碳糖，包括木糖、阿拉伯糖和半乳糖等。半纤维素木聚糖在木质组织中占总量的 50%，它结合在纤维素微纤维的表面，并且相互连接，这些纤维构成了坚硬的细胞相互连接的网络。树茎、树枝、树根和树皮的半纤维素含量和组成也不同。因此，半纤维素是一类
22、物质的名称。构成半纤维素的糖基主要有 D-木糖基、 D-甘露糖基 、 D葡萄糖基、 D-半乳糖基、 L-阿拉伯糖基、 4-O-甲基 -D-葡萄糖醛酸基， D-半乳糖醛酸基和 D-葡萄糖醛酸基等，还有少量的 L-鼠李糖、 L-岩藻糖等。半纤维素主要分为三类，即聚 木糖 类、聚葡萄甘露糖类和聚 半乳糖 葡萄甘露糖类。 半纤维素与纤维素间无化学键合，相互间有氢键和 范德瓦耳斯力 存在 .半纤维素与 木素 之间可能以苯甲基醚的形式连接起来，形成木素碳水化合物的复合体 . 南京 林业大学本科 生 毕业 论文 4 1.2.3 木质素的概述 木质素是由聚合的 芳香醇 构成的一类物质，存在于木质组织中，主要作
23、用是通过形成交织网来硬化细胞 壁。它主要位于 纤维素 纤维之间， 起抗压作用。在木本植物中，木质素占 25%，是世界上第二位最丰富的 有机物 （纤维素是第一位）。 木质素单体的分子结构，它是由四种醇单体（对香豆醇、松柏醇、 5-羟基松柏醇、 芥子醇 ）形成的一种复杂酚类聚合物。木质素是构成植物 细胞壁 的成分之一，具有使细胞相连的作用。木质素是一种含许多负电集团的多环高分子有机物，对土壤中的高价金属离子有较强的亲和力。因单体不同，可将木质素分为 3 种类型：由紫丁香基丙烷结构单体聚合而成的紫丁香基木质素，由愈创木基丙烷结构单体聚合而成的愈创木基木质素和由对 -羟基苯基丙烷结构单体聚合而成的对
24、-羟基苯基木质素；裸子植物主要为愈创木基木质素（ G），双子 叶植物主要含愈创木基-紫丁香基木质素（ G-S），单子叶植物则为愈创木基 -紫丁香基 -对 -羟基苯基木质素（ G-S-H）。从植物学观点出发，木质素就是包围于管胞、导管及木纤维等纤维束细胞及 厚壁细胞 外的物质，并使这些细胞具有特定显色反应（加 间苯三酚 溶液一滴，待片刻，再加 盐酸 一滴，即显红色）的物质；从化学观点来看，木质素是由高度取代的苯基丙烷单元随机聚合而成的高分子，它与纤维素、 半纤维素 一起，形成植物 骨架 的主要成分，在数量上仅次于纤维素。木质素填充于纤维素构架中增强植物体的机械强度，利于 输导组织 的水分运输和抵
25、抗不良外界环境的侵袭。 木质素同时含有多种活性官能团，如羟基、羰基、羧基、甲基及侧链结构。其中羟基在木质素中存在较多，以醇羟基和酚羟基两种形式存在，而酚羟基的多少又直接影响到木质素的物理和化学性质，如能反映出木质素的醚化和缩合程度，同时也能衡量木质素的溶解性能和反应能力；在木质素的侧链上，有对羟基安息香酸、 香草酸 、紫丁香酸、对羟基肉桂酸、阿魏酸等酯型结构存在，这些酯型结构存在于侧链的位或位。在侧链位除了酯型结构外，还有醚型连接，或作为联苯型结构的碳 -碳联结。同酚羟基一样，木质素的侧链结构也直接关系到它的化学反应性。 由于木质素的分子结构中存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、碳基共扼双键等活性基团，因此可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解甲氧基、梭基、光解、酞化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等许多化学反应。其中，又以
