一種植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天然植物纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]天然植物纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料中，最常用的熱固性樹(shù)脂主要有環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂及不飽和聚酯樹(shù)脂。一般地，這些熱固性樹(shù)脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)腐蝕性能和工藝性能，但在使用過(guò)程中由于加入的有毒物質(zhì)(如甲醛、苯乙烯等)的揮發(fā)所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題和空氣污染問(wèn)題已引起極大關(guān)注。此外，石油資源的不斷消耗迫使人們開(kāi)始尋求和開(kāi)發(fā)新的可再生生物基樹(shù)脂。丙烯酸酯環(huán)氧大豆油(AESO)是由大豆油經(jīng)環(huán)氧化后與丙烯酸酯反應(yīng)得到，目前在市場(chǎng)上已有大量生產(chǎn)，原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，已被大量應(yīng)用于涂料、可降解泡沫材料等領(lǐng)域。以AESO為原料制備植物纖維/大豆油基復(fù)合材料，由于可再生植物纖維的引入和植物油基樹(shù)脂的使用對(duì)減少石油基產(chǎn)品的使用量有重要意義。然而，交聯(lián)度低、常溫時(shí)粘度較大和耐熱性差等缺點(diǎn)使得AESO在應(yīng)用過(guò)程中必須與乙烯基單體進(jìn)行共混，一方面是降低樹(shù)脂粘度，改善AESO樹(shù)脂的加工性能；另一方面，可以提高樹(shù)脂交聯(lián)密度，改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能。AESO與苯乙烯共聚制備力學(xué)性能優(yōu)良的熱固性樹(shù)脂已有較多報(bào)道，但揮發(fā)性苯乙烯的使用仍無(wú)法避免空氣污染的問(wèn)題，并且2011年美國(guó)衛(wèi)生和公眾服務(wù)署正式將苯乙烯與可吸入玻璃纖維列為致癌物。因此，尋求新型的環(huán)境友好的生物基反應(yīng)性溶劑與AESO共混制備高生物基含量的熱固性樹(shù)脂是促進(jìn)AESO在天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。此外，以AESO為基體制備植物纖維復(fù)合材料，AESO的分子結(jié)構(gòu)上包含長(zhǎng)鏈脂肪酸的酯化物，其脂肪酸上含有3個(gè)羥基，通過(guò)與纖維表面羥基的氫鍵作用，顯示出與植物纖維較好的相容性，可制備得到綜合力學(xué)性能較好的植物纖維/大豆油基樹(shù)脂復(fù)合材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料及其制備方法，解決大量使用價(jià)格昂貴的石油基樹(shù)脂原料以及制備過(guò)程中有毒物質(zhì)釋放所導(dǎo)致的環(huán)境污染等問(wèn)題。本發(fā)明制備的植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料具有很好的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和彎曲應(yīng)變性能。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的原料組成按質(zhì)量份數(shù)計(jì)為:植物纖維80?100份、生物基熱固性樹(shù)脂80~100份和弓I發(fā)劑1~3份。
[0005]所述的植物纖維為麻纖維或原纖維;所述的生物基熱固性樹(shù)脂是由丙烯酸酯環(huán)氧大豆油(Aery lated epoxidized soybean oi I，AES0)和甲基丙稀酸異山梨醇酯(Isosorbide-methacry late，IM)共混得到;所述的引發(fā)劑為過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯。
[0006]所述的生物基熱固性樹(shù)脂的制備過(guò)程為:將AESO 50?70份和IM 30?50份在室溫下混合后磁力攪拌5?lOmin，即得生物基熱固性樹(shù)脂。
[0007]所述的頂是在超聲波輔助、無(wú)溶劑條件下合成得到;合成過(guò)程為:將異山梨醇置于圓底燒瓶，隨后加入甲基丙稀酸酐(Methacrylate anhydride，即MAA)和4_二甲基氨基[!比啶，其中MAA與異山梨醇的摩爾比為2:1?4:1，4_二甲基氨基吡啶的用量為異山梨醇物質(zhì)的量的3~5%;將燒瓶置于超聲波水浴條件下，磁力攪拌500轉(zhuǎn)/min、60 °C反應(yīng)12 h，超聲波功率為80 W;反應(yīng)產(chǎn)物分別經(jīng)飽和NaHCO3溶液、0.5mol/L NaOH溶液、蒸餾水反復(fù)提純3~5次后，用MgSO4干燥后真空抽濾，即得頂。
[0008]一種如上所述的植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的具體制備步驟如下: 將生物基熱固性樹(shù)脂和引發(fā)劑均勻混合后涂覆在已干燥的植物纖維板坯上下表面，室溫下以5?7 MPa冷壓4?6 min;保持壓力不變，升溫至60?80 °C，預(yù)熱壓4?6 min;繼續(xù)升溫至150?170 °C，熱壓20?40 min;隔熱保壓30?90 min，使之自然冷卻至室溫。
[0009]—種植物纖維增強(qiáng)改性生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的原料組成按質(zhì)量份數(shù)計(jì)為:植物纖維80?100份、改性生物基熱固性樹(shù)脂80?100份和弓I發(fā)劑I?3份。
[0010]所述的植物纖維為麻纖維或竹纖維；所述的改性生物基熱固性樹(shù)脂是由異山梨醇、MAA和AESO在以4-二甲基氨基吡啶為催化劑的條件下合成得到;所述的引發(fā)劑為過(guò)氧化苯甲酸叔丁酯。
[0011]所述的改性生物基熱固性樹(shù)脂的合成過(guò)程為:將異山梨醇置于圓底燒瓶，隨后加入MAA和4-二甲基氨基吡啶，其中MAA與異山梨醇的摩爾比為3:1，4_ 二甲基氨基吡啶的用量為異山梨醇物質(zhì)的量的5%；將燒瓶置于超聲波水浴鍋中，磁力攪拌500轉(zhuǎn)/min、60 °C反應(yīng)12h，超聲波功率為80 W，反應(yīng)結(jié)束得到IM混合液，該混合液主要含有IM和過(guò)量的MAA;將燒瓶移至普通水浴鍋種，加入AES0(與理論生成的頂?shù)馁|(zhì)量比為1:1)使其與過(guò)量的MAA反應(yīng)，此時(shí)理論上剩余的MAA與加入的AESO的摩爾比為4.26:1，MAA可以與AESO上的三個(gè)羥基反應(yīng)，反應(yīng)在60 °C、磁力攪拌500轉(zhuǎn)/min下進(jìn)行6 h，使AESO轉(zhuǎn)化成改性AESO，即MAESO;反應(yīng)產(chǎn)物分別經(jīng)飽和NaHCO3溶液、0.5mol/L NaOH溶液、蒸餾水反復(fù)提純3~5次后，用MgSO4干燥后真空抽濾，得到頂和MAESO的混合液，其具體成分有頂、MAESO及未參與反應(yīng)的AESO，即改性生物基熱固性樹(shù)脂。
[0012]—種如上所述的植物纖維增強(qiáng)改性生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料的具體制備步驟如下:
將改性生物基熱固性樹(shù)脂和引發(fā)劑均勻混合后涂覆在已干燥的植物纖維板坯上下表面，室溫下以5?7 MPa冷壓4?6 min;保持壓力不變，升溫至60?80 °C，預(yù)熱壓4?6 min;繼續(xù)升溫至150?170 °C，熱壓20?40 min;隔熱保壓30?90 min，使之自然冷卻至室溫。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明制備的植物纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料和植物纖維增強(qiáng)改性生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料是一類(lèi)生物基含量高、樹(shù)脂基體不含有毒的反應(yīng)性溶劑、環(huán)境友好的復(fù)合材料;該類(lèi)復(fù)合材料具有很好的彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和彎曲應(yīng)變性能，與純AESO樹(shù)脂和植物纖維制成的復(fù)合材料相比，具有顯著提高的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量，且生物基熱固性樹(shù)脂經(jīng)改性后，植物纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量進(jìn)一步提尚O
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是植物纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度;其中，AESO表示對(duì)比例I中竹原纖維/大豆油樹(shù)脂復(fù)合材料和對(duì)比例3中大麻纖維/大豆油樹(shù)脂復(fù)合材料;頂-AESO表示實(shí)施例1中竹原纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料和實(shí)施例3中大麻纖維增強(qiáng)生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料;頂-MAESO表示實(shí)施例2中竹原纖維增強(qiáng)改性生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料和實(shí)施例4中大麻纖維增強(qiáng)改性生物基熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料;頂表示對(duì)比例2中竹原纖維/異山梨醇基樹(shù)脂復(fù)合材料和對(duì)比例4中大麻纖維/異山梨醇基樹(shù)脂復(fù)合材料；圖中矩形柱上下方橫線表示數(shù)據(jù)均值的標(biāo)準(zhǔn)差，柱狀圖上方無(wú)相同字母的表示兩組數(shù)據(jù)之間差異顯著，否則差異不顯著；
圖2是植物纖維復(fù)合材料的彎曲模量；
圖3是植物纖維復(fù)合材料的彎曲應(yīng)變。
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明不僅僅限于這些實(shí)施例。
[0016]對(duì)比例I
原料:竹原纖維(平均