[发明专利]一种植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料

说明书

技术领域

本发明属于天然植物纤维增强树脂复合材料技术领域，具体涉及一种植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

天然植物纤维增强聚合物复合材料中，最常用的热固性树脂主要有环氧树脂、酚醛树脂及不饱和聚酯树脂。一般地，这些热固性树脂具有良好的力学性能、耐化学腐蚀性能和工艺性能，但在使用过程中由于加入的有毒物质（如甲醛、苯乙烯等）的挥发所带来的环境问题和空气污染问题已引起极大关注。此外，石油资源的不断消耗迫使人们开始寻求和开发新的可再生生物基树脂。丙烯酸酯环氧大豆油（AESO）是由大豆油经环氧化后与丙烯酸酯反应得到，目前在市场上已有大量生产，原料来源广泛、价格低廉，已被大量应用于涂料、可降解泡沫材料等领域。以AESO为原料制备植物纤维/大豆油基复合材料，由于可再生植物纤维的引入和植物油基树脂的使用对减少石油基产品的使用量有重要意义。然而，交联度低、常温时粘度较大和耐热性差等缺点使得AESO在应用过程中必须与乙烯基单体进行共混，一方面是降低树脂粘度，改善AESO树脂的加工性能；另一方面，可以提高树脂交联密度，改善复合材料的力学性能和耐热性能。AESO与苯乙烯共聚制备力学性能优良的热固性树脂已有较多报道，但挥发性苯乙烯的使用仍无法避免空气污染的问题，并且2011年美国卫生和公众服务署正式将苯乙烯与可吸入玻璃纤维列为致癌物。因此，寻求新型的环境友好的生物基反应性溶剂与AESO共混制备高生物基含量的热固性树脂是促进AESO在天然纤维增强复合材料中得到广泛应用的关键。此外，以AESO为基体制备植物纤维复合材料，AESO的分子结构上包含长链脂肪酸的酯化物，其脂肪酸上含有3个羟基，通过与纤维表面羟基的氢键作用，显示出与植物纤维较好的相容性，可制备得到综合力学性能较好的植物纤维/大豆油基树脂复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料及其制备方法，解决大量使用价格昂贵的石油基树脂原料以及制备过程中有毒物质释放所导致的环境污染等问题。本发明制备的植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料具有很好的弯曲强度、弯曲模量和弯曲应变性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料的原料组成按质量份数计为：植物纤维80~100份、生物基热固性树脂80~100份和引发剂1~3份。

所述的植物纤维为麻纤维或原纤维；所述的生物基热固性树脂是由丙烯酸酯环氧大豆油（Acrylated epoxidized soybean oil，AESO）和甲基丙烯酸异山梨醇酯（Isosorbide-methacrylate，IM）共混得到；所述的引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯。

所述的生物基热固性树脂的制备过程为：将AESO 50~70份和IM 30~50份在室温下混合后磁力搅拌5~10min，即得生物基热固性树脂。

所述的IM是在超声波辅助、无溶剂条件下合成得到；合成过程为：将异山梨醇置于圆底烧瓶，随后加入甲基丙烯酸酐（Methacrylate anhydride，即MAA）和4-二甲基氨基吡啶，其中MAA与异山梨醇的摩尔比为2:1~4:1，4-二甲基氨基吡啶的用量为异山梨醇物质的量的3~5%；将烧瓶置于超声波水浴条件下，磁力搅拌500转/min、60 ℃反应12 h，超声波功率为80 W；反应产物分别经饱和NaHCO₃溶液、0.5mol/L NaOH溶液、蒸馏水反复提纯3~5次后，用MgSO₄干燥后真空抽滤，即得IM。

一种如上所述的植物纤维增强生物基热固性树脂复合材料的具体制备步骤如下：

将生物基热固性树脂和引发剂均匀混合后涂覆在已干燥的植物纤维板坯上下表面，室温下以5~7 MPa 冷压4~6 min；保持压力不变，升温至60~80 ℃，预热压4~6 min；继续升温至150~170 ℃，热压20~40 min；隔热保压30~90 min，使之自然冷却至室温。

一种植物纤维增强改性生物基热固性树脂复合材料的原料组成按质量份数计为：植物纤维80~100份、改性生物基热固性树脂80~100份和引发剂1~3份。

所述的植物纤维为麻纤维或竹纤维；所述的改性生物基热固性树脂是由异山梨醇、MAA和AESO在以4-二甲基氨基吡啶为催化剂的条件下合成得到；所述的引发剂为过氧化苯甲酸叔丁酯。