一種植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料及其制備方法，采用交聯(lián)劑與環(huán)氧大豆油丙烯酸酯共混制備大豆油基樹脂，將植物纖維、大豆油基樹脂和引發(fā)劑通過熱壓成型得到植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料。本發(fā)明制備的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料具有很好的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度。
【專利說明】一種植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料及其制備方法

【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)大豆油基樹脂復(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，最常用的熱固性樹脂主要有環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂及不飽和聚酯樹脂。一般地，這些熱固性樹脂具有良好的力學(xué)性能、耐化學(xué)性能和工藝性能，但在使用過程中有毒物質(zhì)(如甲醛、苯乙烯等)的揮發(fā)所帶來的環(huán)境問題和空氣污染問題已引起極大關(guān)注。此外，石油資源的不斷消耗和價格上升問題迫使人們開始尋求和開發(fā)新的可再生的生物基樹脂。環(huán)氧大豆油丙烯酸酯(Acrylate epoxidized soybeanoil，即AESO)是由大豆油經(jīng)環(huán)氧化后與丙烯酸反應(yīng)得到，目前在市場上已得到大量生產(chǎn)，原料來源廣泛、價格低廉，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脂的使用對減少石油基產(chǎn)品的使用量有重要意義。然而，交聯(lián)度低、常溫時粘度較大和耐熱性差等缺點(diǎn)使得AESO在應(yīng)用過程中必須與乙烯基單體進(jìn)行共混，一方面是降低樹脂粘度，改善復(fù)合材料的制備工藝；另一方面，可以提高樹脂交聯(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)良的熱固性樹脂已有較多報道，但揮發(fā)性苯乙烯的使用仍無法避免空氣污染的問題，并且2011年美國衛(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)境友好的反應(yīng)活性高的溶劑與AESO共混制備大豆油基熱固性樹脂是促進(jìn)AESO在天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中得到應(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)上包含長鏈脂肪酸的酯化物，其脂肪酸上含有3個羥基，通過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)大豆油基樹脂復(fù)合材料及其制備方法，解決石油基樹脂原料來源短缺、價格昂貴，制備過程中有毒物質(zhì)釋放所導(dǎo)致的環(huán)境污染等問題。制得的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料具有很好的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度。
[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)大豆油基樹脂復(fù)合材料是由以下重量份數(shù)的原料通過熱壓成型工藝制得的:植物纖維80 - 100份、大豆油基樹脂80 - 100份、引發(fā)劑3 - 7份。
[0005]所述的植物纖維為大麻纖維。
[0006]所述的引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯。
[0007]所述的大豆油基樹脂的制備過程為:按重量份數(shù)計，將大豆油衍生物60-80份和交聯(lián)劑20 - 40份在室溫下混合后磁力攪拌15-30min，即得到大豆油基樹脂；所述的大豆油衍生物為環(huán)氧大豆油丙烯酸酯；所述的交聯(lián)劑為十乙烯基吡咯烷酮(7\^vinyl-2-pyrrolidone,即 NVP)。
[0008]制備如上所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料的方法:將大豆油基樹脂和引發(fā)劑混合均勻后涂敷在植物纖維板坯的上下表面，通過手工鋪裝模壓成型制得所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料。具體步驟如下:將大豆油基樹脂和引發(fā)劑混合攪拌0.5 - 2min，均勻涂覆在已干燥的植物纖維板坯(制備方法:將干燥后的植物纖維冷卻至室溫，5 - 9片纖維氈按正交方向疊合排布成纖維板坯)的上下表面，室溫下以5 - 7MPa冷壓
4- 6min ;保持壓力不變，升溫至60 - 80°C，預(yù)熱壓4 - 6min ;繼續(xù)升溫至150 - 170°C，熱壓20 - 40min ;隔熱保壓30 - 90min，使之自然冷卻至室溫。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明采用優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，纖維與大豆油基樹脂的用量比(質(zhì)量比)為1: 1，熱壓溫度160°c，熱壓時間30min，以模壓工藝可制備力學(xué)性能優(yōu)良的植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料。與植物纖維/純AESO樹脂復(fù)合材料相比，采用NVP與AESO共混物為基體的植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料具有相當(dāng)?shù)臎_擊強(qiáng)度和顯著提高的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的拉伸性能。其中，AESO表示采用純AESO樹脂為基體的復(fù)合材料；30St表示采用30被％苯乙烯為AESO交聯(lián)劑的復(fù)合材料；20NVP表示采用20wt%NVP為AESO交聯(lián)劑的復(fù)合材料；30NVP表示采用30wt%NVP為AESO交聯(lián)劑的復(fù)合材料；40NVP表示采用40wt%NVP為AESO交聯(lián)劑的復(fù)合材料；圖2和圖3橫坐標(biāo)中AES0、30St、20NVP、30NVP和40NVP含義相同。圖中矩形柱上下方橫線表示數(shù)據(jù)均值的標(biāo)準(zhǔn)差，柱狀圖上方無相同字母的表示兩組數(shù)據(jù)均值之間差異顯著，否則差異不顯著。
[0011]圖2是植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的彎曲性能。
[0012]圖3是植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
原料:植物纖維為大麻纖維(大麻纖維絨支數(shù)為130，平均長度為3cm)，購自安徽銅陵三星麻業(yè)有限公司；大豆油衍生物為環(huán)氧大豆油丙烯酸酯(AESO)(型號:F03 ;粘度(23°C):8000 - 20000cps ;酸值:彡12 mgKOH/g)，購自江蘇利田科技股份有限公司；交聯(lián)劑為斧乙烯基吡咯烷酮(NVP)，購自上海晶純(阿拉丁)實(shí)業(yè)有限公司；引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)，購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
[0014]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料:
大豆油基樹脂的制備過程為:將大豆油衍生物(80g)和交聯(lián)劑(20g)置于圓底燒瓶中，室溫下用磁力攪拌器攪拌15 - 30min后，即得到大豆油基樹脂混合液；大豆油衍生物為AESO ;交聯(lián)劑為NVP ;引發(fā)劑為TBPB。
[0015]復(fù)合材料制備方法:稱取75g大豆油基樹脂混合液和3.75g TBPB,混合后用玻棒攪勻lmin。將干燥后的植物纖維從烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷卻至室溫時，
5- 9片纖維氈按正交方向疊合排布成纖維板坯，把混合均勻的大豆油基樹脂及添加劑均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，然后移至鋼模中在室溫以及6MPa壓力下冷壓5min，使樹脂滲透入纖維板坯中。然后熱壓機(jī)升溫至70°C在6MPa下預(yù)熱壓5min ;繼續(xù)升溫至160°C，壓力6MPa熱壓30min。熱壓完成后模具隔熱保壓60min,并使之自然冷卻至室溫。
[0016]所述制備過程中，大豆油衍生物與交聯(lián)劑的用量比，按質(zhì)量比為4: I;植物纖維與大豆油基樹脂混合液的用量比，按照質(zhì)量比為1:1 ;引發(fā)劑的用量為樹脂質(zhì)量的5%。
[0017]實(shí)施例2
原料:植物纖維為大麻纖維(大麻纖維絨支數(shù)為130，平均長度為3cm)，購自安徽銅陵三星麻業(yè)有限公司；大豆油衍生物為環(huán)氧大豆油丙烯酸酯(AESO)(型號:F03 ;粘度(23°C):8000 - 20000cps ;酸值:彡12 mgKOH/g)，購自江蘇利田科技股份有限公司；交聯(lián)劑為斧乙烯基吡咯烷酮(NVP)，購自上海晶純(阿拉丁)實(shí)業(yè)有限公司；引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)，購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
[0018]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料:
大豆油基樹脂的制備過程為:將大豆油衍生物(70g)和交聯(lián)劑(30g)置于圓底燒瓶中，室溫下用磁力攪拌器攪拌15~30min后，即得到大豆油基樹脂混合液；大豆油衍生物為AESO ;交聯(lián)劑為NVP ;引發(fā)劑為TBPB。
[0019]復(fù)合材料制備方法:稱取75g大豆油基樹脂混合液和3.75g TBPB,混合后用玻棒攪勻lmin。將干燥后的植物纖維從烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷卻至室溫時，
5- 9片纖維氈按正交方向疊合排布成纖維板坯，把混合均勻的大豆油基樹脂及添加劑均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，然后移至鋼模中在室溫以及6MPa壓力下冷壓5min，使樹脂滲透入纖維板坯中。然后熱壓機(jī)升溫至70°C在6MPa下預(yù)熱壓5min ;繼續(xù)升溫至160°C，壓力6MPa熱壓30min。熱壓完成后模具隔熱保壓60min,并使之自然冷卻至室溫。
[0020]所述制備過程中，大豆油衍生物與交聯(lián)劑的用量比，按質(zhì)量比為7: 3;植物纖維與大豆油基樹脂混合液的用量比，按照質(zhì)量比為1:1 ;引發(fā)劑的用量為樹脂質(zhì)量的5%。
[0021]實(shí)施例3
原料:植物纖維為大麻纖維(大麻纖維絨支數(shù)為130，平均長度為3cm)，購自安徽銅陵三星麻業(yè)有限公司；大豆油衍生物為環(huán)氧大豆油丙烯酸酯(AESO)(型號:F03 ;粘度(23°C):8000 - 20000cps ;酸值:彡12 mgKOH/g)，購自江蘇利田科技股份有限公司；交聯(lián)劑為斧乙烯基吡咯烷酮(NVP)，購自上海晶純(阿拉丁)實(shí)業(yè)有限公司；引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯(TBPB)，購自西格瑪奧德里奇(上海)貿(mào)易有限公司。
[0022]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料:
大豆油基樹脂的制備過程為:將大豆油衍生物(60g)和交聯(lián)劑(40g)置于圓底燒瓶中，室溫下用磁力攪拌器攪拌15 - 30min后，即得到大豆油基樹脂混合液；大豆油衍生物為AESO ;交聯(lián)劑為NVP ;引發(fā)劑為TBPB。
[0023]復(fù)合材料制備方法:稱取75g大豆油基樹脂混合液和3.75g TBPB,混合后用玻棒攪勻lmin。將干燥后的植物纖維從烘箱中取出后用塑料密封袋包好后待冷卻至室溫時，
5- 9片纖維氈按正交方向疊合排布成纖維板坯，把混合均勻的大豆油基樹脂及添加劑均勻涂敷在纖維板坯的兩表面，然后移至鋼模中在室溫以及6MPa壓力下冷壓5min，使樹脂滲透入纖維板坯中。然后熱壓機(jī)升溫至70°C在6MPa下預(yù)熱壓5min ;繼續(xù)升溫至160°C，壓力6MPa熱壓30min。熱壓完成后模具隔熱保壓60min,并使之自然冷卻至室溫。
[0024]所述制備過程中，大豆油衍生物與交聯(lián)劑的用量比，按質(zhì)量比為3: 2;植物纖維與大豆油基樹脂混合液的用量比，按照質(zhì)量比為1:1 ;引發(fā)劑的用量為樹脂質(zhì)量的5%。
[0025]復(fù)合材料板力學(xué)性能測試:
復(fù)合材料板制成啞鈴型試樣(規(guī)格:長150mm,兩端寬20mm,中間寬1mm,標(biāo)距106mm,厚度3.0mm)以測試?yán)煨阅?；彎曲性能和沖擊強(qiáng)度的測試樣品為長條狀(規(guī)格:80 mmX 10mmX3.0mm)ο拉伸性能測試依據(jù)GB1447-05標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；彎曲性能測試依據(jù)GB1449-05標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行；沖擊強(qiáng)度測試依據(jù)GB/T1043-08。拉伸性能和彎曲性能測試在微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上完成，沖擊強(qiáng)度測試在擺錘沖擊試驗機(jī)上完成。
[0026]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度
由圖1知，與純AESO基復(fù)合材料(拉伸強(qiáng)度為49.46MPa)比較，交聯(lián)劑NVP用量分別為20wt%、30wt%和40wt%的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度為60.65MPa、67.66MPa和82.57MPa,分別提高了 22.62%,36.80%和66.94%。而且，20NVP和30NVP復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與30%苯乙烯復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度(64.12MPa)無顯著差異，但40NVP復(fù)合材料則顯著提高29.64%。
[0027]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的拉伸模量
由圖1知，與純AESO基復(fù)合材料(拉伸模量為1690.69MPa)比較，交聯(lián)劑NVP用量分別為 20wt%、30wt% 和 40wt% 的復(fù)合材料拉伸模量為 2080.96MPa、2217.37MPa 和 2612.30MPa,分別提高了 23.08%,31.15%和54.51%。而且，20NVP和30NVP復(fù)合材料的拉伸模量與30%苯乙烯復(fù)合材料的拉伸模量(2134.57MPa)無顯著差異，但40NVP復(fù)合材料則顯著提高22.38%ο
[0028]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度
由圖2知，與純AESO基復(fù)合材料(彎曲強(qiáng)度為56.67MPa)比較，交聯(lián)劑NVP用量分別為20wt%、30wt%和40wt%的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度為83.46MPa、90.59MPa和100.93MPa,分別提高了 47.27%,59.86%和78.10%。而且，20NVP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度與30%苯乙烯復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度(82.40MPa)無顯著差異，但30NVP和40NVP復(fù)合材料則分別顯著提高9.94%和22.49%ο
[0029]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的彎曲模量
由圖2知，與純AESO基復(fù)合材料(彎曲模量為3799.19MPa)比較，交聯(lián)劑NVP用量分別為 20wt%、30wt% 和 40wt% 的復(fù)合材料彎曲模量為 5423.47MPa、6065.3IMPa 和 6717.44MPa,分別提高了 42.75%,59.65%和76.81%。而且，20NVP復(fù)合材料的彎曲模量與30%苯乙烯復(fù)合材料的彎曲模量(5570.88MPa)無顯著差異，但30NVP和40NVP復(fù)合材料則分別提高8.88%和 20.58%ο
[0030]植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度
由圖3知，交聯(lián)劑的添加并沒有顯著改變植物纖維/大豆油基樹脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度，純AESO基樹脂、添加20wt%St、20wt%NVP、30wt%NVP和40wt%NVP交聯(lián)劑的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度分別為 22.806 kj/m2、24.120 kj/m2、25.344 kj/m2、23.658 kj/m2和 22.762 kj/m2。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料，其特征在于:所述的復(fù)合材料是由以下重量份數(shù)的原料通過熱壓成型工藝制得:植物纖維80 - 100份、大豆油基樹脂80 - 100份、引發(fā)劑3-7份。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料，其特征在于:所述的植物纖維為大麻纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料，其特征在于:所述的引發(fā)劑為過氧化苯甲酸叔丁酯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料，其特征在于:所述的大豆油基樹脂的制備過程為:按重量份數(shù)計，將大豆油衍生物60 - 80份和交聯(lián)劑20 - 40份在室溫下混合后磁力攪拌15 - 30min,即得到大豆油基樹脂；所述的大豆油衍生物為環(huán)氧大豆油丙烯酸酯；所述的交聯(lián)劑為十乙烯基吡咯烷酮。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料的方法，其特征在于:將大豆油基樹脂和引發(fā)劑混合均勻后涂敷在植物纖維板坯的上下表面，通過手工鋪裝模壓成型制得所述的植物纖維增強(qiáng)大豆油基樹脂復(fù)合材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于:具體步驟如下:將大豆油基樹脂和引發(fā)劑混合攪拌0.5 - 2min,均勻涂覆在已干燥的植物纖維板還上下表面,室溫下以5 - 7MPa冷壓.4 - 6min ;保持壓力不變，升溫至60 - 80°C，預(yù)熱壓4 - 6min ;繼續(xù)升溫至150 - 170°C，熱壓.20 - 40min ;隔熱保壓30 - 90min，使之自然冷卻至室溫。
【文檔編號】C08L91/00GK104448846SQ201410839591
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】邱仁輝, 劉文地, 謝天順, 許博皓, 沈云玉 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)