1. 研究目的与意义
自从20世纪60年代德国bayer公司开发了第一代紫外光同化涂料以来，光固化涂料在技术上不断成熟，原材料、品种、性能也不断发展。早期的光固化涂料主要应用于木器涂装，而现在所适用的基材已扩展至纸张、塑料、金属、石材、水泥、织物、皮革等。光固化树脂同时也在不同领域被得以广泛应用，如光固化涂料、光固化油墨、光固化保护套、光固化胶粘剂、光刻胶以及目前发展形势火热的光固化3d打印树脂等。光固化涂料由于其高效和节能等优点，目前在全球涂料界发展迅速，其应用也越来越广泛。但与此同时，传统的石油化工也带来了一系列的环境问题。发展绿色可再生的光固化树脂成为工业发展的方向。由于生物基来源的广泛性以及其自身的可再生性，目前在全世界范围内，生物基材料受到越来越多研究者的关注。光固化环氧大豆油丙烯酸酯由于其原料的可再生性，符合绿色发展原则。
近年来，利用天然资源，研究开发新型环保材料已经成为国内外材料领域的发展动向。在日渐紧张的环境压力下，我国大力提倡节能减排、绿色以及环保。逐渐完善的世界环保法规以及人们越来越高的环保、健康意识，传统挥发性溶剂树脂的发展必将被绿色环保型树脂逐渐取代。uv固化树脂以其节能、低污染、高效率和适合连续化大生产等优点，在今后几年中必将高速发展。作为天然甘油三酸酯分子组成的一种大豆油，资源在世界各地都很丰富。环氧化后的大豆油具有优良的热稳定性、光稳定性、耐溶剂性、低温柔韧性，从而赋予制品良好的机械性能、耐候性及电性能，使之成为一种理想的化工原料，应用于阳离子光固化环氧豆油涂料体系、uv自由基光固化环氧豆油涂料体系及其它涂料体系中。uv自由基光固化环氧豆油涂料体系中预聚物大部分是环氧豆油丙烯酸酯，其粘度低、对皮肤刺激性小、具有良好的柔性和流平性，恰好可以弥补双酚a型及酚醛型坏氧丙烯酸醋预聚物粘度高、固化膜柔性不足的缺点，应用前景十分广阔。因此，制备出性能稳定的的环氧豆油丙烯酸酯预聚物。研究探讨其光固化工艺具有重要的现实意义。
光固化树脂是一种受一定波长光线照射后，光引发树脂的感光基团能在较短的时间内迅速发生物理和化学变化的高分子物质。这些可能位于分子链链端、侧基、侧链或链上的感光基团，如不饱和双键或者环氧基等，赋予了光固化树脂以光敏特性。在特定波长光线的照射下，树脂能够按照自由基聚合或者阳离子聚合的方式，在这些结构部位发生反应，分子量增大，从粘稠的溶液状态转化为固化膜状态。
2. 研究内容和预期目标
| 其主要内容包括合成路线、合成配方、合成工艺、生产设备、设备参数的选择和设计，并进行了物料衡算、废料处理、环境保护说明和经济核算，绘制详细的工艺流程图、物料平衡图和设备装置图，从而实现对年产1000吨光固化环氧大豆油丙烯酸酯的工程设计。 研究原料物理化学性质与合成工艺条件之前的关系，设计并优化光固化环氧丙烯酸酯的生产工艺。 综上所述，本课题以年产1000吨光固化环氧大豆油丙烯酸酯为主要内容，设计其整个生产流程。本设计使用生物基环氧大豆油为反应原料，通过环氧大豆油与丙烯酸的酯化开环加成反应，研究原料物理化学性质与合成工艺条件之前的关系，设计并优化光固化环氧丙烯酸酯的生产工艺。
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3. 研究的方法与步骤
| 研究方法： 丙烯酸分子具有双键和羧基结构，能够作为有机合成树脂的原材料，如本设计中，丙烯酸分子中的羧基结构可以和环氧大豆油的环氧基进行酯化反应生成环氧大豆油丙烯酸酯。丙烯酸与环氧大豆油进行开环反应的实质是羧基和环氧基进行的酯化反应。从理论上来讲, 环氧基摩尔数: 羧基摩尔数应为1：1，但由于环氧豆油中有几个环氧基位于分子链的中间，受空间位阻的影响，反应活性较低，不能完全反应，因此为保证反应的环氧基与羧基比为1：1，环氧基的投料量应稍微过量。结果表明:环氧豆油丙烯酸醋的最佳制备工艺为环氧基:梭基(摩尔比)=1.1:1反应温度为110℃，反应时间8h，催化剂为三苯基磷，阻聚剂为对甲氧基苯酚，所得产物中丙烯酸的转化率达95%以上。
工艺流程： 本设计的工艺流程主要分为3部分，即主要的开环酯化反应，酸值测定以及后续的过滤和罐装。 （1）开环反应 环氧大豆油和三苯基膦计量加入高位槽，计量输送到反应釜内，这个过程中由于大豆油的挥发，产生废气G1。由于反应的放热效应，因此采用隔膜泵把丙烯酸和对甲氧基苯酚逐渐泵入反应釜中，以控制反应放热均匀。控制相应加入速度并且反应釜开启搅拌。开启加热使釜内温度保持在105 -115oC左右。整个反应进行5个小时左右。反应过程中由于丙烯酸挥发，会产生废气G2。 （2）酸值测定判断反应终点 由于根据反应环氧基与羧基1：1反应，所以当酸反应完时即为反应终点。从反应开始时计时，每30分钟从反应釜底部取料口取料进行酸值测定。根据氢氧化钠标准溶液OH-与反应物料—COOH的酸碱中和反应，指示剂酚酞变色确定滴定终点，判断反应进行程度。 酸值测量反应式：
本设计的酸值设定为1g取样样品所消耗氢氧化钠的质量。当反应体系的酸值低于5mgNaOH/g样品时，反应结束，环氧大豆油和丙烯酸反应完全。 从t=0开始，每隔30分钟从反应釜下方取样20-30g左右，然后量取1g左右取样样品（记为m1 g）溶于50-100g丙酮中，加入1-2滴酚酞指示剂，利用先配好的1mol/L的NaOH乙醇溶液标定。滴定时边反应边摇晃，滴定终点时溶液由无色变粉红色，静置30秒不褪色，即为反应终点。酸值计算公式为： A = V * 40 / m1 其中A表示酸值，其单位为mgNaOH/g样品；V表示滴定m1 g样品所消耗的标准溶液的体积，其单位为ml；40表示NaOH的摩尔质量，其单位为g/mol；m1为溶于丙酮中的样品质量。滴定标准NaOH乙醇溶液为1mol/L。 （3）过滤和罐装 反应结束后待其降温到60°C左右后，用袋式过滤器过滤。过滤过程中产生的物料残留以及杂质记为X1。后再进行罐装，罐装过程中损失的产品记为X2。冷却、过滤和罐装等整个反应后续流程约进行3个小时，因此生产每批次物料约花费8小时。
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4. 参考文献
| [1]陈赛艳,文静,王金茹,卢蓉,周末.环氧大豆油丙烯酸酯的合成工艺[J].包装工程,2019,40(11):117-122. [2]蔡娟. 光固化环氧豆油丙烯酸酯的制备及性能研究[D].西北工业大学,2006. [3] Chang C, Lu K. Epoxy acrylate UV/PU dual‐cured wood coatings[J]. Journal of Applied PolymerScience, 2010, 115(4):2197-2202. [4]张秀云,邓建国,黄奕刚,周华燕.UV固化环氧大豆油丙烯酸酯的合成研究[J].中国油脂,2011,36(01):45-49. [5]杨建文,曾兆华,王志明,等.紫外光固化水性涂料的发展概况[J].信息记录材料, 2001, 2(1):32-35. [6]杨建文,曾兆华,陈用烈.光固化涂料及应用[M].化学工业出版社, 2004. [7]Chen Z,Chisholm B, Patani R, Wu J, Fernando S, Jogodzinski K, Webster D. Soy-basedUV-curable thiol-Ene coatings. Journal of Coatings Technology and Research2010;7:603–13. [8]BoileauS, Mazeaud-Henri B, Blackborow R. Reaction of functionalized thiols witholigoisobutenes via free-radical addition. Some new routes to thermoplastic crosslinkablepolymers. European Polymer Journal 2003;39:1395–404. [9]颜萍,陈文求,徐祖顺.UV固化环氧大豆油丙烯酸酯的合成及反应物物料比对其性能的影响研究[J].湖北大学学报(自然科学版),2014,36(01):95-98 102.
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5. 计划与进度安排
| 5．具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）
1、2022.03.01～2022.03.18：查阅文献，了解课题背景，初步设计实验，完成开题报告。2、2022.03.19～2022.04.14：开展初步实验，进行工业原理和原材料选择的探索。3、2022.04.15～2022.05.14：进行工艺流程的设计。4、2022.05.15～2022.05.31：反应釜设计和厂房设计。
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