[发明专利]一种季铵化木质素基分散剂及制备工艺和应用

说明书

技术领域

本发明属于精细化工、环境友好材料及分散剂领域，具体涉及一种季铵化木质素基分散剂及制备工艺和应用。

背景技术

木质素是具有酚型结构的天然高分子物质，作为地球上最丰富的可再生资源之一，木质素广泛存在于木本植物、草本植物、维管植物中，与纤维素和半纤维素构成植物的基本骨架，是自然界中在数量上仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，是工业上唯一能从可再生资源中获取的芳香族化合物。木质素在建材工业、石油工业、轻工业、农业中都有广泛的应用^[1]，制浆造纸工业每年要从植物中分离出大约1.4亿吨纤维素，同时得到5000万吨左右的木质素副产品^[2]。目前，我国的制浆造纸工业以碱法和亚硫酸盐法制浆废液为主，有些大型的制浆造纸企业利用碱回收技术将制浆黑液燃烧后回收碱液来消除制浆黑液的污染，但该方法会造成木质素资源的巨大浪费，因此木质素还没有得到很好的利用，我国仅6%的木质素得到利用^[3]。“十二五”规划明确指出要减少新增污染物排放量促进非化石能源发展，到2015年，非化石能源占一次能源消费比重达到11.4%^[4]。所以如何有效的利用好木质素这种可再生资源，提高其附加值已经成为科研工作者争相研究的热点。

以木质素取代石油化学品的潜在因素可以从四个方面看：(1)木质素来源广泛，价格低廉；(2)新的技术有可能提高木质素产品的性能；(3)在某些应用上，由于木质素的独特性能比石油化学品更宜选用；(4)木质素具有一些石油化学品所没有的独特性质，其中最重要的，木质素几乎对动物和人体无毒，可被微生物降解在当前注重环境保护的时代，这一性质是工业木质素的强有力的优势^[5]。木质素分子中缺乏强亲水性官能团，同时可发生反应的高活性位置不足，故其水溶性和化学反应性能不良，限制了回收木质素的应用范围和实用价值。通过物理化学的改性方法，在木质素结构中引入高活性基团，优化木质素的结构性能，提高其产品的应用价值，已经成为木质素利用研究关注的焦点。

近几年来，对木质素基分散剂的研究主要集中在对木质素进行合适的化学修饰，以提高其性能，而对制浆造纸废液回收的木质素进行化学改性的方法有：氧化、磺化、接枝共聚、缩合、胺甲基化和季铵化等。Dilling等^[6,7]采用胺化合物如二乙胺、三乙醇胺等通过离子交换反应改性木素磺酸钠，使其作为偶氮染料体系的分散剂。与未改性的木素磺酸钠对比，改性后的木素分散剂能够降低偶氮染料的失色，胺离子在既能使木素分散剂稳定的同时又能抑制偶氮染料体系中染料的还原。另外，由于合成的改性木素磺酸盐中含有叔胺基团，在碱性条件下，研磨时不会影响染料分散剂的负电性；但在酸性条件下，染色时带有正电荷，能中和磺酸根离子所带的负电荷，同时增加染料分散剂在染料表面的覆盖程度，使其有效地保护了染料颗粒，具备优良的扩散性能和耐热稳定性。Wang^[8]采用聚乙二醇环氧醚EO-1、EO-2、EO-3作为分散助剂，与木质素磺酸盐复配使用，作为染料分散剂。但复配不能改变木质素磺酸盐的表面活性，如亲油基团、亲水基团，且价格较高。因此，对木质素进行化学改性，才能制备高效的木质素系染料分散剂。胡华强等^[9]将木质素、萘系接枝到氨基磺酸减水剂的合成中，使木质素磺酸盐的分子量和甲氧基含量降低，酚羟基含量升高，疏水性增强和内聚力提高，从而提高了活性，使混凝土在铜掺量下强度增长得到有效的提高。李利芬等^[10]将木质素溶解在氯代氯化胆碱/尿素低共熔溶剂中，加入催化剂进行季铵化反应，季铵化改性的木质素可用作絮凝剂、表面活性剂、乳化剂、驱油剂、减水剂等功能材料。王兴文等^[11]将稳泡剂与十二醇硫酸钠反应制备改性剂掺入到木质素磺酸盐减水剂中，能有效提高减水率7~8%，使普通减水剂达到高效减水剂的效果，且能有效的降低了成本。王安安^[12]为了降低复合分散剂的生产成本和提高其分散性能，引入碱木质素代替部分苯酚与对氨基苯磺酸钠和苯酚缩合、工艺优化，合成新型木质素系分散剂LMA，其优化反应工艺条件为n（对氨基苯磺酸钠）∶n（苯酚）∶n（木质素）∶n（甲醛）=0.90∶1.25∶1.26∶2.50，其中碱木质素代替苯酚的替代率为70%，反应溶液的最佳pH值为10.4左右，95℃下缩合时间为3.0h左右，反应物浓度控制在25wt%~33wt%。