酚醛泡沫的制備和性能研究

1、酚醛泡沫塑料制備和性能研究字體大?。捍?| 中 | 小 2010-10-15 09:52 - 閱讀：381 - 評(píng)論：0 【作者】孫中心 王雷 李東風(fēng)【機(jī)構(gòu)】長春工業(yè)大學(xué)生物工程學(xué)院,吉林長春130012【刊名】塑料工業(yè), 2007(8): 46-49【關(guān)鍵詞】酚醛泡沫 塑料 發(fā)泡【文摘】研究了酚醛泡沫制備工藝中一些參數(shù)條件對(duì)泡沫體性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：泡沫體的密度隨發(fā)泡劑的用量增大而減??；表面活性劑的最適合用量為樹脂質(zhì)量的5；固化劑的用量為樹脂質(zhì)量的4-6時(shí)可以達(dá)到發(fā)泡和固化同步的效果。泡沫體的吸水率與泡沫體的密度相關(guān)。力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明：泡沫體的壓縮強(qiáng)度隨泡沫體的密度增大而增大。熱重分

2、析結(jié)果表明：泡沫體具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性能。   傳統(tǒng)的隔熱保溫材料如聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫等遇火容易燃燒，且燃燒時(shí)產(chǎn)生的濃煙和有毒、有害氣體對(duì)人類造成嚴(yán)重的危害。近幾年來，火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)巨大損失。因此許多部門在使用隔熱材料時(shí)，不但考慮其隔熱性能，同時(shí)也考慮其使用的綜合性能。酚醛泡沫塑料是一種新型隔熱材料，具有輕質(zhì)、低毒、難燃、低煙、隔熱、耐高低溫等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。酚醛泡沫在高溫或遇火情況下，表面發(fā)生炭化對(duì)內(nèi)層起到保護(hù)作用，因此能保持良好的隔熱性能。由于一些技術(shù)和質(zhì)量的原因，我國實(shí)行了工業(yè)化生產(chǎn)酚醛泡沫的廠家并不多，因此探索酚醛泡沫的

3、工業(yè)化生產(chǎn)條件并提高泡沫體的各種性能對(duì)節(jié)能和環(huán)保等事業(yè)具有重要意義。目前酚醛泡沫的生產(chǎn)主要是采用可發(fā)性酚醛樹脂與發(fā)泡劑、固化劑和其他助劑經(jīng)過快速攪拌混合澆鑄加熱發(fā)泡，在60-70的條件下經(jīng)過一段時(shí)間熟化后得到泡沫體。本實(shí)驗(yàn)研究了酚醛泡沫體制備過程中一些條件參數(shù)對(duì)泡沫體性能的影響。通過力學(xué)試驗(yàn)和熱重分析測試了泡沫體的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性能。    1 實(shí)驗(yàn)部分    1.1 主要原料    苯酚、甲醛、鹽酸、硫酸：工業(yè)級(jí)，市售；正戊烷：分析純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；吐溫-80：分析純，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所

4、；氫氧化鈉：分析醇，北京化工廠。    1.2 主要儀器    電子天平：AL204型，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱：SKFE01型，湖北省黃石市醫(yī)療器械廠；電動(dòng)攪拌器：JJ-I型，金壇市江南儀器廠；電子萬能試驗(yàn)機(jī)：WDS-10型，深圳三思公司；熱重分析儀：EXSTAR6000型，精工盈司電子有限公司。    1.3 可發(fā)泡性酚醛樹脂合成    將苯酚/甲醛按一定的物質(zhì)的量比加入裝配有冷疑器、電動(dòng)攪拌器和溫度計(jì)的三頸燒瓶中，開動(dòng)攪拌器并對(duì)燒瓶水浴加熱

5、，待瓶內(nèi)混合物到一定溫度后加入一定量氫氧化鈉作為催化劑，繼續(xù)加熱到一定溫度并保持一段時(shí)間后停止加熱，用冷水浴使混合物迅速降溫至70以下，再用稀鹽酸中和混合物至pH=6.5-7.4，減壓脫水至合適黏度即得到可發(fā)泡性酚醛樹脂。樹脂質(zhì)，量指標(biāo)如下：固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：88%；黏度：2.5-3.5Pa·s(25)；游離酚含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：5%-8%。    1.4 酚醛泡沫的制備    將一定比例的樹脂、發(fā)泡劑、表面活性劑、固化劑高速攪拌混合后放在50-80的恒溫室內(nèi)發(fā)泡一段時(shí)間，固化成型后得到酚醛泡沫。發(fā)泡工藝配方見表1。

6、0;   表1 制備酚醛泡沫配方    Tab 1 Formulation for phenolic foam原料用量/質(zhì)量份酚醛樹脂(自制)100表面活性劑(土溫-80)0-10發(fā)泡劑(正戊烷)6-14固化劑(無機(jī)酸)2-8    1.5 泡沫性能測試    表觀密度：測定標(biāo)準(zhǔn)GB/T6343-1986(1995)；吸水率：測定標(biāo)準(zhǔn)GB/T8810-1988(2005)；壓縮強(qiáng)度：測定標(biāo)準(zhǔn)GB/T8813-1988，試驗(yàn)機(jī)速度2mm/min；熱重分析：N2氣氛中，

7、N2氣流速20mL/min，升溫速率為10/min，溫度范圍50-800。    2 結(jié)果與討論    2.1 表觀密度    圖1(略)為發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫密度的影響。從圖1可以看出：泡沫體的密度隨發(fā)泡劑用量的增大而減小。發(fā)泡劑用量過大，容易造成空隙過大，泡沫體出現(xiàn)穿孔，從而導(dǎo)致泡沫體吸水性增大，力學(xué)性能降低，而且泡沫穿孔后隔熱性能也會(huì)降低，發(fā)泡劑用量過少，則樹脂發(fā)泡程度低，泡沫體密度大，既增加成本又降低隔熱性能。發(fā)泡劑用量為8-12份時(shí)可以得到不同密度、閉孔率高且熱性能好的泡沫體。  

8、;  表面活性劑的作用是減小酚醛樹脂及各原料組分之間的界面張力，有利于發(fā)泡劑等各組分充分均勻地混合在液相酚醛樹脂中，有利于得到均勻的泡沫體。本實(shí)驗(yàn)使用土溫-80作為表面活性劑。表面活性劑對(duì)泡沫體密度的影響見圖2(略)。從圖2可以看出，當(dāng)樹脂中不添加表面活性劑時(shí)，泡沫體的密度顯然比添加了部分表面活性劑的泡沫體密度大，而且泡沫體非常不均勻。這是因?yàn)闃渲旧碛休^大的表面張力且通常不能與烴類相溶，所以不添加表面活性劑時(shí)，發(fā)泡劑很難或不能均勻分散在樹脂中，導(dǎo)致發(fā)泡不均勻。隨著表面活性劑的用量加大，泡沫體的密度減小，但是當(dāng)表面活性劑用量超過某一量時(shí)，泡沫體的密度又呈現(xiàn)上升趨勢，該結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的

9、類似。這是因?yàn)楸砻婊钚詣┯昧窟^度導(dǎo)致樹脂混合液黏度過小，發(fā)泡劑不能被樹脂包裹而過早逸出，其結(jié)果相當(dāng)于減少了發(fā)泡劑的用量，所以泡沫體密度又出現(xiàn)上升趨勢。圖2表明當(dāng)表面活性劑用量為5份時(shí)得到的泡沫體密度最小，說明這是一個(gè)極限用量，這時(shí)的樹脂和發(fā)泡劑等組分達(dá)到了最充分混合的狀態(tài)，因此可以確定這個(gè)量就是表面活性劑的最佳用量。    固化劑也叫固化催化劑。它是引發(fā)和促進(jìn)樹脂發(fā)生交聯(lián)的推動(dòng)力，熱固性酚醛樹脂通常用有機(jī)和無機(jī)酸類物質(zhì)作為固化劑。有機(jī)酸類固化劑增塑性好，但是通常成本較高；無機(jī)酸類催化力強(qiáng)，固化速度快，價(jià)格低廉，但是過多的無機(jī)酸類殘留在泡沫體中對(duì)金屬的腐蝕性較大。因

10、此一些研究人員選用各種混合酸作為固化劑?？紤]到工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)際，本實(shí)驗(yàn)選用無機(jī)酸作固化催化劑。圖3(略)顯示了固化劑的用量與泡沫體密度的關(guān)系。從圖3可以看出，固化劑的最適合用量為4-6份，這時(shí)樹脂發(fā)泡和固化同步進(jìn)行，發(fā)泡劑能充分膨脹，泡沫也能及時(shí)固化得到均勻細(xì)膩的泡沫體；當(dāng)固化劑用量低于樹脂質(zhì)量的2%時(shí)，樹脂不能及時(shí)固化，發(fā)泡劑從樹脂中過早逸出或發(fā)生合泡，導(dǎo)致塌泡或發(fā)泡失敗。隨著固化劑用量增大，樹脂發(fā)泡和固化逐漸達(dá)到同步，泡沫體也越來越均勻，密度逐漸減小，當(dāng)固化劑用量達(dá)到或超過6份時(shí)，雖然得到微孔結(jié)構(gòu)更細(xì)膩的泡沫體，但固化與發(fā)泡不能同步且固化過快，發(fā)泡劑不能充分膨脹，因而導(dǎo)致泡沫體密度逐漸增大，

11、不僅增加成本而且過多的無機(jī)酸殘留在泡沫體中會(huì)造成對(duì)金屬等的腐蝕作用。    2.2 泡沫體的吸水率    酚醛泡沫塑料是一種具有閉孔結(jié)構(gòu)的低密度微孔泡沫材料，具有很多優(yōu)秀的性能，吸水量的大小直接影響其絕熱性能。表2列出了不同密度的泡沫體的吸水率，可以看到泡沫體的吸水率隨著密度的增大而略有減小。這是因?yàn)榕菽呐菘捉Y(jié)構(gòu)對(duì)泡沫的吸水率有很大影響，泡孔大、開孔率高、粗糙，吸水率就大；相反，吸水率就小。程鈺等研究發(fā)現(xiàn)泡沫的吸水率隨容重的變化而變化，容重越大，泡孔越細(xì)密，吸水率越小，但變化量并不大。影響比較大的還是制備泡沫的配方、工藝等。

12、0;   表2 泡沫體吸水率與泡沫體密度的關(guān)系    Tab 2 Relationship between water absorption and density of fome泡沫密度/kg·m-345.4359.8867.3170.6784.11吸水率/%4.322.652.062.011.05    2.3 泡沫的力學(xué)性能    泡沫體的壓縮試驗(yàn)曲線如圖4(略)。泡沫體的壓縮強(qiáng)度與密度的關(guān)系可以從圖5(略)看出，壓縮強(qiáng)度隨著泡沫體密度的增大而增大。

13、因?yàn)樵谂菽闹苽溥^程中，樹脂交聯(lián)固化越完全、閉孔率越高，泡沫體的微孔結(jié)構(gòu)越均勻，泡沫體對(duì)外加壓力能夠充分分散表現(xiàn)出其壓縮強(qiáng)度也相應(yīng)越高。圖4曲線表明泡沫體在外加壓力產(chǎn)生5%壓縮形變時(shí)發(fā)生交聯(lián)體剛性結(jié)構(gòu)破壞，這說明了純酚醛泡沫體具有固有脆性較大的缺點(diǎn)，因此對(duì)酚醛泡沫需要進(jìn)行增韌改性才能有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。    2.4 熱重分析    圖6(略)是酚醛泡沫體TG和DTG曲線。從TG曲線可以看出，酚醛泡沫體在171-286溫度范圍內(nèi)損失質(zhì)量5.5%，這是泡沫體中的水分和小分子的揮發(fā)氣體逸出，失重曲線下降緩慢，交聯(lián)的泡沫體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并沒有破壞

14、。在溫度為381時(shí)泡沫體的降解速率達(dá)到一個(gè)高峰，失重11%，這主要是酚醛泡沫體中的醚橋鍵斷裂轉(zhuǎn)變成更穩(wěn)定的甲撐橋鍵同時(shí)釋放出甲醛和水等小分子所致，這是泡沫體的第一步降解。從381-478失重曲線又趨于平緩，可能是表面活性劑等添加組分的分解揮發(fā)或泡沫體本身降解非常緩慢，這充分說明第一步降解后形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這也證明酚醛泡沫交聯(lián)體的剛性結(jié)構(gòu)具有良好的熱穩(wěn)定性。從478開始，泡沫體降解又逐漸加快，在613時(shí)達(dá)到第二次降解速率高峰，失重約27%，這主要是一些甲橋鍵的斷裂使網(wǎng)狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)破壞，泡沫體發(fā)生分解失重，大分子網(wǎng)狀鏈降解成更小更穩(wěn)定的鏈分子，同時(shí)釋放一些小分子失重。這些結(jié)果和文獻(xiàn)報(bào)道相類似。泡

15、沫體在804時(shí)失重43%，因此，可以看出酚醛泡沫具有很好的熱穩(wěn)定性能。DTG曲線可以更直觀地反映酚醛泡沫體的降解速率變化情況：泡沫體的降解主要發(fā)生在兩個(gè)階段，曲線上的兩個(gè)峰頂正好對(duì)應(yīng)于TG圖中的兩個(gè)主要最大失重速率溫度；而且曲線中兩個(gè)峰的面積也正比于樣品對(duì)應(yīng)的質(zhì)量變化。這些結(jié)果充分證明酚醛泡沫具有很好的熱穩(wěn)定性能，在各種領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是阻燃和保溫等領(lǐng)域。    3 結(jié)論    酚醛泡沫的制備參數(shù)條件對(duì)泡沫體的性能有很大影響。隨著發(fā)泡劑用量越大，泡沫體密度減小，泡沫體吸水率增大，泡沫體壓縮強(qiáng)度降低；表面活性劑用量為5份時(shí)達(dá)到最佳的均泡效果；固化劑用量為樹脂質(zhì)量的4-6份時(shí)樹脂固化和發(fā)泡可達(dá)到同步，得到均勻、細(xì)膩、閉孔率高的泡沫體。熱重分析得知泡沫體第一次發(fā)生降解的溫度在280，同時(shí)生成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，主要降解溫度在613，在804時(shí)失重43%，泡沫體具有良好的耐熱性能。  參考文獻(xiàn)(11條)1. 黃發(fā)榮.焦楊聲 酚醛樹脂及其應(yīng)用 20042. 殷榮忠.山永年.毛乾聰 酚醛樹脂及其應(yīng)用 19943. 吳瞬英.徐敬一 泡沫塑料成型 1