[发明专利]一种高性能生物基树脂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高性能生物基树脂及其制备方法和应用，其采用反应性溶剂甲基丙烯酸异山梨醇与棕榈油脂肪酸丙烯酰胺乙酯共聚制备环境友好生物基树脂，所得树脂用于与红麻纤维、竹纤维、玻璃纤维或碳纤维等增强体通过热压成型技术制备高性能纤维增强生物基树脂复合材料。本发明制备的高性能生物基树脂及其纤维增强复合材料环境友好，且具有很好的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和玻璃化转变温度。

技术领域

本发明属于纤维增强树脂复合材料技术领域，具体涉及一种高性能生物基树脂及其制备方法和应用。

背景技术

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。热固性树脂因交联密度高而具有优异的力学性能、热稳定性、耐久性和耐化学腐蚀性，已广泛应用于建筑、防腐、汽车、电子电器等领域，但在使用过程中有毒物质（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和价格上升问题迫使人们开始寻求和开发新的可再生生物基树脂。油棕是世界著名的热带木本油料作物，其果实含油量丰富，享有“世界油王”之称。据统计，2017年度棕榈油全球产量达6687万吨，占主要植物油产量的35%。棕榈油是目前价格最低的植物油，仅为714美元/吨。因此棕榈油用于生物基树脂及其复合材料制备时具备良好的商业化前景。

以棕榈油为原料制备纤维增强棕榈油基树脂复合材料，可再生植物油基树脂的开发对减少石油基产品的使用量有重要意义。然而，与其他植物油相比，棕榈油的不饱和度很低，其每个甘油三酯上的平均双键仅为 1.7个，因此以该双键为反应活性点对棕榈油进行改性后得到的棕榈油基衍生物的活性官能团含量很低，这在很大程度上限制了棕榈油在生物基树脂上的应用。

棕榈油的甘油三酯含有三个酯基结构，采用转酯化的方法制备棕榈油单甘 脂可用于棕榈油基不饱和聚酯的合成，但该不饱和聚酯树脂强度较低，且使用过程中需加入大量可致癌的苯乙烯作为反应性溶剂。以棕榈油单甘脂与甲基丙烯酸缩水甘油酯反应得到可紫外光固化的棕榈油树脂，但由于体系中缺少刚性结构使树脂的力学性能很低。因此，棕榈油基树脂合成的关键在于如何提高体系中的不饱和双键数量及其反应活性，进而提高树脂体系固化时的交联度和固化度，为改善树脂及其纤维复合材料的力学和热学性能奠定基础。

本发明以棕榈油和异山梨醇等生物基原料制备环境友好高性能生物基树脂，并以此作为基体，分别以红麻纤维、竹纤维、玻璃纤维、碳纤维作为增强体，采用平板模压工艺制备纤维增强生物基树脂复合材料，开拓了生物质资源的高效利用和新产品研发。同时，可减少石油基产品的使用，有利于发展低碳经济；采用新型生物基树脂替代传统复合材料的含苯乙烯树脂，也有利于环境保护。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高性能生物基树脂及制备方法和应用，解决棕榈油交联度低、活性低、常温时粘度较大和制备过程中有毒物质释放所导致的环境污染等问题；制得的高性能生物基树脂及其纤维增强复合材料环境友好，且具有很好的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量和玻璃化转变温度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高性能生物基树脂，由棕榈油脂肪酸丙烯酰胺乙酯（Palm oil fatty acid-ethyl acrylamide, POFA-EA）和甲基丙烯酸异山梨醇酯（Isosorbide methacrylate, IM）在引发剂过氧化丁酮（MEKP）的作用下共聚得到。

所述的高性能生物基树脂的制备过程为：棕榈油脂肪酸丙烯酰胺乙酯、甲基丙烯酸异山梨醇酯和引发剂过氧化丁酮按一定质量比混合后磁力搅拌3~5min；将所得混合树脂液注入硅胶模具，在室温下放置3~5h后升温至130~140℃使其固化1~3h，冷却后即得高性能生物基树脂。

所述棕榈油脂肪酸丙烯酸羟乙酯和甲基丙烯酸异山梨醇酯的质量比为3:7~7:3；所述过氧化丁酮占树脂的质量分数为1~3%。

所述的棕榈油脂肪酸丙烯酰胺乙酯的分子结构式为：