草浆造纸黑液中含有大量的游离碱、硫化物和有机物,导致黑液碱性大、颜色深、臭味强、泡沫多,并大量消耗水中的溶解氧。如果黑液不回收处理任其排放,既浪费资源,又污染环境[1]。本研究利用黑液中所含有的木质素,采用羟甲基化使之活化,以此为原料代替部分价格较高的苯酚,用来合成木质素酚醛树脂,以实现造纸黑液的资源化治理。
1 实验部分
1.1 原材料的选用
本实验采用河南南阳马亭造纸厂生产排出的纸浆废液其主要物理性能见表1。
其他原材料:苯酚,AR,北京化学试剂二厂;37%甲醛溶液,AR,武汉市江北化学试剂有限责任公司;氢氧化钠,AR,武汉市江北化学试剂有限责任公司;实验用木板采用市售三夹板。
1.2 仪器和设备
HHW21型恒温水浴,南京土壤仪器厂;涂4#黏度杯,无锡实验仪厂;D12022F型电动搅拌机,杭州仪表电机厂;YX3222000型热压机,徐州压力机械股份有限公司;DGX29053B21型电热恒温鼓风干燥箱,上海福玛实验设备有限公司;KL-013M型pH/mV酸度计,科立龙;WD220型电子万能实验机,承德实验机有限责任公司;FA2104型电子分析天平,上海天平仪器总厂。
1.3 实验方法
1.3.1 以黑液为原料合成胶粘剂
将黑液进行加热蒸发浓缩,分别得到不同固含量的黑液,并以此为原料合成不同固含量胶粘剂A、B、C、D、E。缩合工艺[2]:先在反应器中熔化苯酚,加入黑液和水,搅拌混匀后加入氢氧化钠,在45e预反应30min,再加入甲醛总量的80%,在45~50e保温30min,然后以1℃(1.5min)-1的升温速率在60min内升到96e,保温30min,之后用20min的时间将反应温度降到82℃,加入剩余的甲醛,在30min内再将反应温度升至96e,保温一段时间,达到合适的黏度就可冷却出料。
1.3.2 采用酸析木质素为原料合成胶粘剂
(1)酸析工艺
参考相关文献[3~5],酸析后污水的CODcr下降了80%左右。酸析后所得木质素的性能指标:水分质量分数[35%,灰分[5%,木质素质量分数\60%,外观为棕褐色粉末,粒径>40目。
(2)缩合工艺
将苯酚、木质素和催化剂投入反应器中,在搅拌中升温到50℃,并恒温0.5h,加入80%量的甲醛,继续在50e反应0.5h,然后在1.5h内由50e慢慢升温到87℃,再在30min内升到94℃,然后在20min内将反应温度降到82℃,此时再加入剩余量的甲醛,再在0.5h内升温到92℃,恒温一定时间,达到所需的黏度,冷却到40℃以下出料。合成出不同固含量胶粘剂a、b、c、d、e。
1.3.3 游离甲醛的测定
测试方法见文献[6]。
1.3.4 热压及成型工艺
热压机在1.2MPa压力、热压时间5min、温度140℃下进行热压成型。
2 结果和讨论
2.1 黏度对剪切强度的影响
对合成的胶粘剂用涂4杯分别测黏度,并测出黏度对剪切强度的影响,见图1。
由图1可见,合成的胶粘剂在黏度45~60s时,胶粘剂的剪切强度最大。其原因为在胶粘剂的黏度较低时,胶粘剂的缩聚度不够造成强度不够,但是黏度过大时,胶粘剂对所粘接的材料的表面湿润性变差,从而造成胶粘剂的剪切强度下降。
2.2 固含量对剪切强度的影响
固含量对胶粘剂剪切强度的影响如图2所示。当采用黑液为原料的胶粘剂在固含量37%~40%时,胶粘剂的剪切强度最大,为1.12~1.18MPa;采用酸析后的木质素为原料的胶粘剂在固含量45%~50%时,胶粘剂的剪切强度最大,为1.52~1.74MPa,另外酸析后的木质素所制得的胶粘剂剪切强度大于采用黑液为原料的,其原因可能是酸析后的木质素的杂质如半纤维素、多糖等相对于黑液要少。
 2.3 游离甲醛含量
测试结果如表2所示,本实验制取的胶粘剂游离甲醛含量均大大低于酚醛树脂、脲醛树脂,热压成型试样时,现场几乎感觉不到刺、刺眼的甲醛味道。
2.4 木质素用量与胶粘剂的性能关系
用木质素取代不同量的苯酚,考查不同的取代量与胶粘剂性能之间的关系,测试结果见图3。
 从图3可知,木质素取代苯酚的量高达40%~50%时,而胶粘剂仍然具有较高的粘接强度。
3 结论
(1)用造纸黑液中分离出的木质素能取代40%~50%苯酚用量,节约了原材料的成本,具有明显的经济效益,并且制取的胶粘剂游离甲醛质量分数均小于0.1%,明显低于脲醛树脂胶粘剂中甲醛含量;
(2)所制得胶粘剂在黏度为45~50s,固含量45%~50%时,胶粘剂的剪切强度为1.52~1.74MPa,达到国家标准类板大于1MPa的要求;
(3)用草浆造纸黑液取代部分苯酚生产木质素酚醛树脂可有效降低污梁,对环境保护具有重大意义。
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