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深共晶溶剂协同NiO改性木质素制备环氧树脂及其热稳定性的深度剖析
一、引言
1.1研究背景与意义
随着全球工业化进程的加速,石化资源的消耗日益加剧,其短缺问题也愈发严峻。作为目前工业生产中广泛应用的材料,环氧树脂通常依赖石化原料合成,这不仅加剧了石化资源的紧张局势,还带来了环境污染等一系列问题。因此,寻找可再生的替代原料合成环氧树脂,已成为材料科学领域的研究热点之一。
木质素作为自然界中储量丰富的天然高分子材料,是地球上第二大可再生有机资源,主要来源于木材或非木材植物纤维化学制浆以及生物质精炼过程。其分子结构中含有大量的芳香核、酚羟基、醇羟基、羰基、甲氧基、羧基、各种醚键和共轭双键等活性基团,具有可再生、可降解、无毒等优点,被视为合成环氧树脂的理想原料。利用木质素合成环氧树脂,不仅可以实现木质素的高值化利用,减少对石化资源的依赖,还能降低环境污染,符合可持续发展的理念。
然而,木质素的结构复杂且不均一,其直接用于合成环氧树脂时,往往存在反应活性低、产物性能不理想等问题。为了改善这些问题,研究人员尝试采用各种改性方法来提高木质素的反应活性和环氧树脂的性能。深共晶溶剂(DeepEutecticSolvents,DESs)作为一种新型的绿色溶剂,具有低毒性、可降解、成本低、制备简单等优点,在材料改性领域展现出了巨大的潜力。DESs能够与木质素分子发生相互作用,改变其分子结构和性能,从而提高木质素在环氧树脂合成中的反应活性和相容性。
同时,纳米材料因其独特的尺寸效应和优异的性能,在材料改性中也得到了广泛应用。氧化镍(NiO)作为一种常见的纳米材料,具有良好的热稳定性、化学稳定性和催化活性。将NiO引入木质素-环氧树脂体系中,可以通过其与木质素和环氧树脂分子之间的相互作用,进一步改善材料的性能,如提高材料的热稳定性、机械性能等。
综上所述,本研究旨在利用深共晶溶剂和NiO体系对木质素进行改性,合成高性能的环氧树脂,并对其热稳定性进行深入研究。这不仅有助于拓展木质素在高分子材料领域的应用,为解决石化资源短缺问题提供新的途径,还能为开发高性能、绿色环保的环氧树脂材料提供理论和技术支持,具有重要的科学意义和实际应用价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1木质素合成环氧树脂的研究进展
木质素用于环氧树脂合成的主要方式有三种:与通用环氧树脂共混、直接与环氧氯丙烷反应、经过酚化、氢解、丙氧基化和酯化等化学改性后再进行环氧化合成制备环氧树脂。
在木质素与通用环氧树脂共混方面,早期研究主要关注共混比例对材料性能的影响。有研究表明,当木质素含量较低时,共混材料的力学性能和热稳定性有所提高,但当木质素含量过高时,材料的性能会下降,这是因为木质素与环氧树脂之间的相容性较差。为了改善相容性,研究人员尝试采用化学改性的方法对木质素进行预处理,如对木质素进行羟基化、酯化等改性,然后再与环氧树脂共混,结果发现改性后的木质素与环氧树脂的相容性得到了显著提高,共混材料的性能也得到了进一步提升。
直接用木质素与环氧氯丙烷反应合成环氧树脂的研究中,由于木质素结构复杂,反应活性位点不明确,导致反应过程难以控制,产物的性能也不稳定。为了解决这一问题,研究人员通过优化反应条件,如控制反应温度、反应时间、催化剂用量等,来提高反应的选择性和产物的性能。此外,还采用添加助剂的方法来促进反应的进行,如添加相转移催化剂等。
对于经过化学改性后再环氧化合成环氧树脂的方法,酚化改性是常用的手段之一。通过酚化反应,可以增加木质素分子中的酚羟基含量,从而提高其反应活性。研究发现,酚化后的木质素在环氧化反应中,环氧值明显提高,合成的环氧树脂的交联密度和热稳定性也得到了增强。氢解改性则可以降低木质素的分子量,改善其溶解性和反应活性。丙氧基化和酯化改性可以在木质素分子中引入新的官能团,进一步提高其与环氧树脂的相容性和反应活性。
1.2.2深共晶溶剂在材料改性中的应用研究
深共晶溶剂在材料改性领域的应用研究近年来逐渐增多。在纤维素材料改性方面,有研究利用氯化胆碱-尿素深共晶溶剂对纤维素进行预处理,发现处理后的纤维素结晶度降低,可及度增加,在后续的化学反应中反应活性显著提高。在木质纤维素的溶解和预处理方面,深共晶溶剂也表现出了良好的效果。通过选择合适的深共晶溶剂体系,可以实现木质纤维素的高效溶解和分离,为其后续的利用提供了便利。
在聚合物材料改性方面,深共晶溶剂可用于改善聚合物的加工性能和力学性能。将深共晶溶剂添加到聚乳酸中,发现材料的熔体流动性得到了提高,加工性能得到了改善,同时材料的拉伸强度和断裂伸长率也有所增加。在环氧树脂改性方面,深共晶溶剂可以作为反应介质或固化促进剂,参与环氧树脂的固化反应,从而改善环氧树脂的性能。有研究报道,使用深共晶溶剂改性的环氧树脂
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