CN109734923A - 一种生物基柔性环氧树脂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,具体方法如下:步骤一,桐油经催化水解得到桐油酸;步骤二,桐油通过酯交换反应得到桐酸甲酯;步骤三,将桐油酸、桐酸甲酯与丙烯腈在催化剂的作用下通过乳液聚合,得到无规羧基桐腈橡胶;步骤四,马来海松酸型环氧树脂在催化剂作用下接枝无规羧基桐腈橡胶,得到生物基柔性环氧树脂。本发明制备的生物基柔性环氧树脂以可再生的松香、桐油为原材料,制得的生物基柔性环氧树脂兼具有长脂肪链和环状结构,使其在改善韧性的同时仍具有较高的强度。并且本发明中以可再生材料取代石化材料,减少了石化材料的应用。
Description
技术领域
本发明属于环氧树脂技术领域,具体涉及一种生物基柔性环氧树脂的制备方法。
背景技术
随着石油资源的日益枯竭及环境的日益恶化,国家扩大对可再生资源应用及“环境友好”理念的推广。因此,越来越多的行业正在加大可再生材料的应用。
环氧树脂由于具有良好的物理、化学性能而被广泛应用,但传统的环氧树脂由双酚A合成,石化材料用量大。为了改变这种现状,出现了各种生物基环氧树脂,马来海松酸型环氧树脂便是其中较为成熟的一种。
但新的问题随之而来。马来海松酸型环氧树脂以我国资源丰富的松香为原料,因此其含有松香的多环结构。且相对于传统的双酚A型环氧树脂来说,马来海松酸型环氧树脂具有更多环氧官能度。这些原因都使固化后的马来海松酸型环氧树脂具有刚性大,质脆、易断裂等缺点。因此,对马来海松酸型环氧树脂进行增韧显得尤为重要。
发明内容
解决的技术问题:为了提高马来海松酸型环氧树脂的柔韧性及减少石化原料的使用,本发明公开了一种生物基柔性环氧树脂的制备方法。以桐油催化水解得到的桐油酸,桐油甲酯化得到桐酸甲酯,与丙烯腈通过乳液聚合得到无规羧基桐腈橡胶。最后马来海松酸型环氧树脂接枝无规羧基桐腈橡胶,得到生物基柔性环氧树脂。该生物基柔性环氧树脂合成成本低、柔韧性好且原料可再生。
技术方案:一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,步骤如下:步骤1,桐油经催化水解得到桐油酸;步骤2,桐油通过酯交换反应后分离纯化得到桐酸甲酯;步骤3,水浴加热下,桐油酸、桐酸甲酯与丙烯腈在引发剂和乳化剂的作用下乳液聚合,经破乳凝聚、洗涤、干燥后得到无规羧基桐腈橡胶;步骤4,马来海松酸型环氧树脂在催化剂作用下接枝无规羧基桐腈橡胶,得到生物基柔性环氧树脂。
步骤1中催化水解步骤为:将桐油和去离子水以质量比3:1加入到高压反应釜中,以氧化锌为催化剂,用量为桐油的5wt.%,反应釜内气压为0.7-1MPa,反应温度为180℃,反应时间为3h。
步骤2中酯交换反应步骤为:在水浴加热条件下,桐油与甲醇按质量比100:27混合,并在催化剂KOH作用下反应,催化剂用量为桐油的3wt.%,反应温度为70℃,反应时间为1.5h。
步骤2中分离纯化步骤为:产物经分液洗涤得到桐酸甲酯粗产品后,旋蒸提纯桐酸甲酯,旋蒸温度为75℃。
步骤3中桐油酸、桐酸甲酯与丙烯腈质量比为3:3:4,引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵,用量为桐油酸、桐酸甲酯和丙烯腈总质量的0.4wt.%,乳化剂为油酸钾,用量为单体总量的1wt.%-3wt.%,水浴温度为70℃,反应时间为10h。
步骤3中用NaCl破乳凝聚,用量为单体总量的18wt.%,用90℃去离子水洗涤凝胶,用量为凝胶的2-3倍。用真空干燥箱干燥无规羧基桐腈橡胶粗产品,真空干燥箱设定温度为75℃。
步骤4中,马来海松酸型环氧树脂与无规羧基桐腈橡胶质量比为10:(1-5),所用催化剂为三苯基膦,催化剂用量为马来海松酸型环氧树脂的0.1wt.%-0.2wt.%,反应温度为130℃,反应时间为3h。
有益效果:1.本发明的基体树脂马来海松酸型环氧树脂以松香为原料,且合成的无规羧基桐腈橡胶以桐油为原料,减少了石化原料的应用,可在一定程度上减轻石油资源短缺危机。2.制备的生物基柔性环氧树脂同时含有刚性基团和柔性基团,在保证环氧树脂较高的机械强度之下具有优秀的柔韧性能。3.制备的生物基柔性环氧树脂中刚性基团和柔性基团含量具有可控性,通过对其含量的改变可控调节环氧树脂的力学性能,从而拓宽了传统环氧树脂的应用领域。
附图说明
图1为按照实施例1制得的无规羧基桐腈橡胶,其红外测试结果图;
图2为按照实施例1制得的无规羧基桐腈橡胶,其高温凝胶色谱测试结果图,其数均分子量为13899。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步阐述说明,并非对本发明进行限制。
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入200g桐油、54g甲醇以及6gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g引发剂溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18g NaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠和过硫酸铵中的任意一种。
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,10g(或20g/30g/40g/50g)无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.15g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例1
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入200g桐油、54g甲醇以及6g KOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,10g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.15g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例2
步骤一,往1L的高压反应釜中加入400g桐油、134g去离子水以及20g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入210g桐油、56.7g甲醇以及6.3gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入20gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,5g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.15g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例3
步骤一,往1L的高压反应釜中加入450g桐油、150g去离子水以及22.5g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入220g桐油、60g甲醇以及6.6gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.45g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,15g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.16g,133℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例4
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入210g桐油、56.7g甲醇以及6.3gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入20gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,25g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.17g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例5
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入240g桐油、64.8g甲醇以及7.2gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,35g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.15g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例6
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入220g桐油、59.4g甲醇以及6.6gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.42g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入16gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,30g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.15g,130℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例7
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入200g桐油、54g甲醇以及6gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,45g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.18g,133℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例8
步骤一,往1L的高压反应釜中加入400g桐油、134g去离子水以及20g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入210g桐油、56.7g甲醇以及6.3gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入20gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,40g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.16g,132℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例9
步骤一,往1L的高压反应釜中加入450g桐油、150g去离子水以及22.5g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入220g桐油、60g甲醇以及6.6gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.45g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,50g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.20g,133℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
实施例10
步骤一,往1L的高压反应釜中加入420g桐油、140g去离子水以及21g氧化锌,设定反应温度为180℃,反应3h之后得到桐油酸;
步骤二,在500mL三口烧瓶中加入210g桐油、56.7g甲醇以及6.3gKOH,水浴70℃下反应1.5h。反应完全之后将产物移入500mL分液漏斗中静置,分层后取上层液。在分液漏斗中用70℃去离子水反复洗涤产物5次,得到桐酸甲酯粗产品。将桐酸甲酯粗产品进行旋蒸除水,旋蒸温度为75℃,旋蒸至产物清澈透明为止;
步骤三,在500mL三口烧瓶中加入桐油酸30g、桐酸甲酯30g、丙烯腈40g、油酸钾2g及去离子水210g,通入N2,70℃水浴加热下,使反应体系乳化均匀。取0.4g过硫酸铵溶于30mL去离子水中,溶解完全后加入反应体系中,反应10h之后加入18gNaCl,反应体系发生凝聚。取出凝胶,用90℃去离子水清洗5次,得到无规羧基桐腈橡胶粗产品。将得到的无规羧基桐腈橡胶粗产品置于70℃真空干燥箱干燥,直至水分除尽;
步骤四,在250mL三口烧瓶中加入100g马来海松酸型环氧树脂,50g无规羧基桐腈橡胶,加入三苯基膦0.2g,133℃油浴加热3h之后得到生物基柔性环氧树脂。
生物基柔性环氧树脂拉伸测试结果如下:
表中EP-TTJ5,EP-TTJ15,EP-TTJ25,EP-TTJ35,EP-TTJ45表示100份马来海松酸型环氧树脂中分别添加5、15、25、35、45份无规羧基桐腈橡胶。
Claims (7)
1.一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤如下:
步骤1,桐油经催化水解得到桐油酸;
步骤2,桐油通过酯交换反应后分离纯化得到桐酸甲酯;
步骤3,水浴加热下,桐油酸、桐酸甲酯与丙烯腈在引发剂和乳化剂的作用下乳液聚合,经破乳凝聚、洗涤、干燥后得到无规羧基桐腈橡胶;
步骤4,马来海松酸型环氧树脂在催化剂作用下接枝无规羧基桐腈橡胶,得到生物基柔性环氧树脂。
2.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤1中催化水解步骤为:将桐油和去离子水以质量比3:1加入到高压反应釜中,以氧化锌为催化剂,用量为桐油的5wt.%,反应釜内气压为0.7-1MPa,反应温度为180℃,反应时间为3h。
3.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤2中酯交换反应步骤为:在水浴加热条件下,桐油与甲醇按质量比100:27混合,并在催化剂KOH作用下反应,催化剂用量为桐油的3 wt.%,反应温度为70℃,反应时间为1.5h。
4.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤2中分离纯化步骤为:产物经分液洗涤得到桐酸甲酯粗产品后,旋蒸提纯桐酸甲酯,旋蒸温度为75℃。
5.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤3中桐油酸、桐酸甲酯与丙烯腈质量比为3:3:4,引发剂为过硫酸钾、过硫酸钠或过硫酸铵,用量为桐油酸、桐酸甲酯和丙烯腈总质量的0.4wt.%,乳化剂为油酸钾,用量为单体总量的1wt.%-3wt.%,水浴温度为70℃,反应时间为10h。
6.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤3中用NaCl破乳凝聚,用量为单体总量的18wt.%,用90℃去离子水洗涤凝胶,用量为凝胶的2-3倍;用真空干燥箱干燥无规羧基桐腈橡胶粗产品,真空干燥箱设定温度为75℃。
7.根据权利要求1所述一种生物基柔性环氧树脂的制备方法,其特征在于步骤4中,马来海松酸型环氧树脂与无规羧基桐腈橡胶质量比为10:(1-5),所用催化剂为三苯基膦,催化剂用量为马来海松酸型环氧树脂的0.1wt.%-0.2wt.%,反应温度为130℃,反应时间为3h。
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