專利背景
環氧樹脂是泛指分子中含有兩個或兩個以上環氧基團的有機化合物,凡分子結構中含有環氧基團的高分子化合物統稱為環氧樹脂,除個別外,它們的相對分子質量都不高。環氧樹脂的分子結構是以分子鏈中含有活潑的環氧基團為其特徵,環氧基團可以位於分子鏈的末端、中間或成環狀結構。由於分子結構中含有活潑的環氧基團,使它們可與多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶的具有三向網狀結構的高聚物。
由於環氧樹脂中有獨特的環氧基以及羥基、醚鍵等活潑性基團和極性基團,因而具有很優異的性能,因此固化後的環氧樹脂具有良好的物理、化學性能,其優異性能主要體現在:①粘接性能好,環氧樹脂對金屬和非金屬材料的表面具有優異的粘接強度;②力學性能高,並且介電性能良好;③固化及變定收縮率小,製品尺寸穩定性好,硬度高,柔韌性較好;④工藝性好;⑤穩定性好,對鹼及大部分溶劑穩定。因而廣泛套用於國防、國民經濟各領域,做澆注、浸漬、層壓料、粘接劑、塗料等用途之用。
市面上的環氧樹脂產品多為由雙酚A(2,2-二(4-羥基苯基)丙烷)製備環氧樹脂的傳統工藝所得,其產品性能較高,以市售E—44型號環氧樹脂為例,其環氧值能達到0.4—0.45,產品黏度為25000—40000毫帕·秒。但是上述製備環氧樹脂的傳統工藝所使用的雙酚A不僅價格昂貴且具有毒性,因此尋找其它環保、低成本的環氧樹脂的製備方法一直是該領域的研究熱點。由於木質素分子結構中含有大量的酚羥基、
醇羥基、
甲氧基、
羧基、各種醚鍵以及共軛雙鍵等活性基團,因此,以木質素為原料在環氧樹脂合成中的套用已經受到了研究學者的廣泛關注。
2016年8月2日之前,已經有研究開始利用木質素直接環氧化反應合成環氧樹脂,或者木質素經改性後再合成環氧樹脂這兩種合成工藝,並且取得了一定的研究成果,此外通過木質素衍生物與環氧樹脂共混改性亦取得了一定的研究進展。木質素是自然界中唯一能提供可再生芳香基化合物的非石油資源,其廣泛存在於高等植物中,與纖維素和半纖維素粘結在一起形成植物的主要結構,是自然界中含量僅次於纖維素的第二大可再生資源,每年以5×1010的速度可再生,是一種極富工業價值的有機原料。在植物水解和製漿造紙工業等纖維素相關產業中,木質素通常以副產物的形式大量產出,如造紙黑液中含木質素約20—30%。但到2016年8月2日為止,超過95%的分離木質素的回收就是經濃縮後被燒掉,一方面無法再利用造成了資源的極大浪費,另一方面含木質素工業廢水的排放也會對環境造成嚴重的不良影響。因此,利用分離木質素製備環氧樹脂工藝的提出和工業化,對環氧樹脂製備及木質素的再利用均具有極高的工業和經濟價值。
但是,2016年8月2日之前利用木質素直接進行環氧化反應獲得環氧樹脂存在產物組分複雜,環氧值較低,產品性能不高的缺點,通常來說,直接環氧化反應木質素利用率在50%以下,且反應不易控制,最終產物環氧樹脂環氧值在0.2—0.3之間,基本不具有利用價值;而利用木質素改性後再合成環氧樹脂的方法,一般是對木質素進行酚化或磺化改性,通過酚化改性後的木質素,改性木質素產物酚羥基有所提升,其最終合成的環氧樹脂環氧值最高可達到0.4左右,但由於改性過程中改性試劑通常是昂貴且劇毒物質,所以將其替代雙酚A並無實際意義,而且木質素磺化改性對反應條件的控制極為苛刻,並且通常是在150—200℃的高溫下進行,存在一定操作安全隱患,且最終的合成產物環氧樹脂環氧值在0.3左右,樹脂黏度低於20000毫帕·秒。由此可知,這兩種改性後再合成的方法所得的環氧樹脂的性能也沒有得到有效改善。因此,現有直接利用木質素製備環氧樹脂的方法由於其製備方法的局限性和在產品性能上遠遠低於傳統工藝,因此,無法真正實現商業化利用。
如中國專利CN104892897A公開了一種利用木質素製備環氧樹脂的方法,該方法利用
溶液和離子液體[BMIm]Cl對木質素進行氧化改性,再與環氧氯丙烷進行環氧化反應,製得環氧樹脂。又如,中國專利CN103524709A公開了一種以酶解木質素為原料製備環氧樹脂的方法,該方法以酶解木質素為原料並經過羥甲基化改性後與環氧氯丙烷進行環氧化反應,製得環氧樹脂。上述以改性木質素為原料製備環氧樹脂的方法雖然基於現有技術的諸多缺點進行了改進,使得工藝更為簡化且成本降低,而且製得的環氧樹脂收率較高,但是,對於一些有特殊性能要求的環氧樹脂的製備而言,則並未體現出更好的性能,例如對於某些領域中,對阻燃性能要求較高的環氧樹脂的製備則並未表現出其技術優勢。
發明內容
專利目的
《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所要解決的技術問題在於提供一種阻燃型環氧樹脂,以解決木質素為原料製備的環氧樹脂的阻燃性較差的問題。
技術方案
為解決上述技術問題,《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並加入至含有非離子表面活性劑的溶液中進行浸漬預處理;
(2)向經過預處理的木質素物料液中加入至少含有轉谷氨醯胺酶和纖維素酶的酶製劑,於40—60℃溫度下進行酶改性處理,固液分離後得到酶改性處理後的木質素;
(3)取酶改性處理後的木質素與環氧氯丙烷混合,並加入固體鹼性催化劑,於50—70℃溫度下進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
所述步驟(2)中,所述酶製劑包括轉谷氨醯胺酶和纖維素酶,二者的質量比為1—3:1—2。
所述步驟(2)中,所述酶製劑的添加量為所述木質素用量的3—5wt%。
所述步驟(1)中,所述非離子表面活性劑包括脂肪酸聚氧乙烯醚和/或脂肪酸聚氧乙烯酯。
所述非離子表面活性劑與所述木質素的質量比為6—15:100。
所述步驟(3)中,所述固體鹼性催化劑包括矽鋁沸石、鹼金屬氧化物催化劑或鹼土金屬氧化物催化劑。
所述步驟(3)中,所述催化劑的添加量為所述酶改性處理後的木質素與環氧氯丙烷總量的0.5—2wt%。
所述步驟(3)中,所述酶改性處理後的木質素與所述環氧氯丙烷的質量比為2—3:
所述木質素為從微生物酶解植物秸稈製備能源乙醇或功能性多糖的殘渣中分離提取得到的酶解木質素。
《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》還公開了由所述方法製備得到的阻燃型環氧樹脂。
《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述製備阻燃型環氧樹脂的方法,以常見的工業副產品木質素為原料加工,通過篩選的脂肪酸聚氧乙烯醚和/或脂肪酸聚氧乙烯酯的非離子表面活性劑進行預處理改性,並通過至少含有轉谷氨醯胺酶和纖維素酶的酶製劑溶液進行酶改性處理,獲得特定改性處理的木質素進行環氧化反應;同時,《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述方法以固體鹼性催化劑進行環氧化反應的催化,不僅催化劑易得且可循環使用,而且所製備得到的環氧樹脂收率可達到99%以上,並且產物的環氧值和產品的黏度均較高。更重要的是,採用《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述方法製備得到的環氧樹脂,其玻璃化轉變溫度較高,阻燃性能極好,明顯高於現有技術中以一般木質素為原料製備的產品以及雙酚A型環氧樹脂產品,可滿足某些特殊領域中對環氧樹脂阻燃性能的要求。
改善效果
《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述方法優選採用從微生物酶解植物秸稈製備能源乙醇或功能性多糖的殘渣中分離提取得到的酶解木質素為製備原料,由於從植物秸稈製備能源乙醇或功能性多糖的殘渣中提取的酶解木質素具有較高的化學活性,有利於與醛類溶液發生反應製備環氧樹脂,與傳統的製備木質素的方法不同,酶解木質素的提取工藝是讓製備能源乙醇或多糖的殘渣中的木質素溶於溶劑而與其他纖維素分離,然後過濾除去其他纖維素等雜質,因此酶解木質素在製備過程中未經過鹼或亞硝酸鹽的蒸煮,這樣酶解木質素中的灰分含量低,且較好的保留了木質素的化學活性,因此採用酶解木質素作為原料有利於改性製備環氧樹脂,所製得環氧樹脂的化學穩定性及阻燃性能更優。
技術領域
《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》屬於環氧樹脂合成技術領域,具體涉及一種阻燃型環氧樹脂,並進一步公開其製備方法。
權利要求
1.一種阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並加入至含有非離子表面活性劑的溶液中進行浸漬預處理;
(2)向經過預處理的木質素物料液中加入至少含有轉谷氨醯胺酶和纖維素酶的酶製劑,於40—60℃溫度下進行酶改性處理,固液分離後得到酶改性處理後的木質素;
(3)取酶改性處理後的木質素與環氧氯丙烷混合,並加入固體鹼性催化劑,於50—70℃溫度下進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
2.根據權利要求1所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(2)中,所述酶製劑包括轉谷氨醯胺酶和纖維素酶,二者的質量比為1—3:1—2。
3.根據權利要求2所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(2)中,所述酶製劑的添加量為所述木質素原料用量的3—5wt%。
4.根據權利要求3所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(1)中,所述非離子表面活性劑包括脂肪酸聚氧乙烯醚和/或脂肪酸聚氧乙烯酯。
5.根據權利要求4所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述非離子表面活性劑與所述木質素的質量比為6—1:5100。
6.根據權利要求5所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(3)中,所述固體鹼性催化劑包括鹼金屬氧化物催化劑或鹼土金屬氧化物催化劑。
7.根據權利要求6所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(3)中,所述催化劑的添加量為所述酶改性處理後的木質素與環氧氯丙烷總量的0.5—2wt%。
8.根據權利要求7所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述步驟(3)中,所述酶改性處理後的木質素與所述環氧氯丙烷的質量比為2—3:4—6。
9.根據權利要求1—8任一項所述的阻燃型環氧樹脂的製備方法,其特徵在於,所述木質素為從微生物酶解植物秸稈製備能源乙醇或功能性多糖的殘渣中分離提取得到的酶解木質素。
10.由權利要求1—9任一項所述的方法製備得到的阻燃型環氧樹脂。
實施方式
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法以木質素為原料進行製備,具體包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並以常規方法進行雜質預處理去除木質素中的無機鹽雜質,備用;
取處理後的木質素10千克,並加入至質量濃度為3wt%的含有脂肪酸聚氧乙烯醚非離子表面活性劑的溶液20千克中,進行浸漬預處理1—2小時;
(2)向經過上述預處理的木質素物料液中加入質量濃度為10wt%的酶製劑溶液3千克混勻,所述酶製劑溶液含有質量比為1:2的轉谷氨醯胺酶和纖維素酶;控制反應體系於40℃溫度下進行酶改性處理,固液分離得到酶改性處理後的木質素;
(3)取上述酶改性處理後的木質素2千克與環氧氯丙烷4千克混合,自然pH,並加入30克矽鋁沸石固體鹼性催化劑,控制反應體系溫度50℃進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法以木質素為原料進行製備,具體包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並以常規方法進行雜質預處理去除木質素中的無機鹽雜質,備用;
取處理後的木質素10千克,並加入至質量濃度為7.5wt%的含有脂肪酸聚氧乙烯酯非離子表面活性劑的溶液20千克中,進行浸漬預處理1—2小時;
(2)向經過上述預處理的木質素物料液中加入質量濃度為10wt%的酶製劑溶液5千克混勻,所述酶製劑溶液含有質量比為3:1的轉谷氨醯胺酶和纖維素酶;控制反應體系於50℃溫度下進行酶改性處理,固液分離得到酶改性處理後的木質素;
(3)取上述酶改性處理後的木質素3千克與環氧氯丙烷4千克混合,自然pH,並加入
鹼金屬氧化物固體鹼性催化劑,控制反應體系溫度70℃進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法以木質素為原料進行製備,具體包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並以常規方法進行雜質預處理去除木質素中的無機鹽雜質,備用;
取處理後的木質素10千克,並加入至質量濃度為5wt%的含有脂肪酸聚氧乙烯醚非離子表面活性劑的溶液20千克中,進行浸漬預處理1—2小時;
(2)向經過上述預處理的木質素物料液中加入質量濃度為20wt%的酶製劑溶液2千克混勻,所述酶製劑溶液含有質量比為1:1的轉谷氨醯胺酶和纖維素酶;控制反應體系於60℃溫度下進行酶改性處理,固液分離得到酶改性處理後的木質素;
(3)取上述酶改性處理後的木質素2千克與環氧氯丙烷6千克混合,自然pH,並加入160克氧化鋁負載的鈀催化劑(負載量10wt%)固體鹼性催化劑,控制反應體系溫度60℃進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法以木質素為原料進行製備,具體包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並以常規方法進行雜質預處理去除木質素中的無機鹽雜質,備用;
取處理後的木質素10千克,並加入至質量濃度為4wt%的含有脂肪酸聚氧乙烯醚和脂肪酸聚氧乙烯酯(質量比為1:1)非離子表面活性劑的溶液20千克中,進行浸漬預處理1—2小時;
(2)向經過上述預處理的木質素物料液中加入質量濃度為10wt%的酶製劑溶液3.5千克混勻,所述酶製劑溶液含有質量比為3:2的轉谷氨醯胺酶和纖維素酶;控制反應體系於50℃溫度下進行酶改性處理,固液分離得到酶改性處理後的木質素;
(3)取上述酶改性處理後的木質素2.5千克與環氧氯丙烷5千克混合,自然pH,並加入75克矽鋁沸石固體鹼性催化劑,控制反應體系溫度60℃進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法以木質素為原料進行製備,具體包括如下步驟:
(1)取木質素粉碎,並以常規方法進行雜質預處理去除木質素中的無機鹽雜質,備用;
取處理後的木質素10千克,並加入至質量濃度為6wt%的含有脂肪酸聚氧乙烯醚非離子表面活性劑的溶液20千克中,進行浸漬預處理1—2小時;
(2)向經過上述預處理的木質素物料液中加入質量濃度為15wt%的酶製劑溶液3千克混勻,所述酶製劑溶液含有質量比為1:1的轉谷氨醯胺酶和纖維素酶;控制反應體系於50℃溫度下進行酶改性處理,固液分離得到酶改性處理後的木質素;
(3)取上述酶改性處理後的木質素3千克與環氧氯丙烷5千克混合,自然pH,並加入120克矽鋁沸石固體鹼性催化劑,控制反應體系溫度50℃進行環氧化反應,反應結束後將所得混合物經減壓蒸餾除去未反應的環氧氯丙烷,將蒸餾濃縮物水洗至中性,即得所需阻燃型環氧樹脂。
該實施例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法同實施例3,其區別僅在於,所述步驟(1)中,所述木質素為從微生物酶解植物秸稈製備能源乙醇或功能性多糖的殘渣中分離提取得到的酶解木質素。
本對比例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法同實施例5,其區別僅在於,所述木質素經過步驟(1)中的非離子表面活性劑溶液預處理後,不經過步驟(2)中酶製劑的改性處理,而直接進行步驟(3)的環氧化反應。
本對比例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法同實施例5,其區別僅在於,所述步驟(1)中,所述木質素不經過非離子表面活性劑的預處理,而直接進行步驟(2)的酶製劑改性處理及步驟(3)中的環氧化反應。
本對比例所述製備阻燃型環氧樹脂的方法同實施例5,其區別僅在於,所述木質素不經過步驟(1)中的非離子表面活性劑的預處理以及步驟(2)中酶製劑改性處理的步驟,而直接與環氧氯丙烷進行步驟(3)中的環氧化反應。
1、環氧樹脂的收率及環氧值檢測
用分析天平稱量實施例1—6及對比例1—3中製備得到的環氧樹脂的質量,計算環氧樹脂的收率,並利用鹽酸—丙酮滴定法測定環氧樹脂的環氧值,並以現有技術中常規產品E—44環氧樹脂進行對照,具體結果記錄於下表1。
表1環氧樹脂的收率及環氧值檢測結果
編號 | 收率(%) | 環氧值(mo1/克) | 黏度(毫帕·秒) |
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實施例1 | | | |
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實施例2 | | | |
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實施例3 | | | |
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實施例4 | | | |
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實施例5 | | | |
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實施例6 | | | |
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對比例1 | | | |
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對比例2 | | | |
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對比例3 | | | |
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E—44環氧樹脂 | | | |
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從上表1中數據可以看出,《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述以木質素為原料製備阻燃型環氧樹脂的方法,通過特定的非離子表面活性劑和酶製劑對木質素進行酶改性處理,並且精選固體鹼催化劑進行環氧化反應,所製備得到的環氧樹脂收率可達到99%以上,而且產物的環氧值較高。
2、環氧樹脂的阻燃性能
對實施例1—6及對比例1—3中製備得到的環氧樹脂的阻燃性能進行檢測,具體包括:
1、利用現有技術中的DSC法對各實施例製得的環氧樹脂的玻璃化轉變溫度(T克)進行檢測;
2、取實施例1—6及對比例1—3中製備得到的環氧樹脂,並以DDS為固化劑,與製得的環氧樹脂攪拌均勻,並將環氧樹脂塗覆於材料表面,加熱至150℃左右,使有機溶劑揮發,並進行8小時的固化反應,獲得環氧樹脂固化物。根據UL94中的垂直燃燒試驗測試所得環氧樹脂固化物的阻燃等級、是否熔滴,以及有限氧氣指數(LOI值);並且並以現有技術中常規產品E—44環氧樹脂進行對照,結果記錄於下表2。
表2環氧樹脂的阻燃性能結果
編號 | Tg/℃ | 阻燃登記 | 是否熔滴 | 有限氧氣指數/% |
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實施例1 | | | | |
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實施例2 | | | | |
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實施例3 | | | | |
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實施例4 | | | | |
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實施例5 | | | | |
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實施例6 | | | | |
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對比例1 | | | | |
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對比例2 | | | | |
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對比例3 | | | | |
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E—44環氧樹脂 | | | | |
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由上表2數據可知,《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》所述方法製備得到的環氧樹脂,其玻璃化轉變溫度較高,阻燃性能級別較高,明顯高於現有技術中以一般木質素為原料製備的產品以及雙酚A型環氧樹脂產品,可滿足某些特殊領域中對環氧樹脂阻燃性的要求。
顯然,上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例,而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說,在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》創造的保護範圍之中。
榮譽表彰
2021年8月16日,《一種阻燃型環氧樹脂及其製備方法》獲得安徽省第八屆專利獎金獎。