建筑保溫材料用酚醛泡沫的改性與性能

潘　雯

（重慶工商職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 400030）

建筑保溫材料用酚醛泡沫的改性與性能

潘雯

（重慶工商職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 400030）

在苯酚、甲醛的聚合體系中添加硼酸和碳纖維，通過(guò)正己烷發(fā)泡劑的方法制備了硼改性和碳纖維復(fù)合的酚醛泡沫材料。利用傅立葉變換紅外光譜儀、微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)儀、沖擊試驗(yàn)機(jī)、熱失重分析儀等對(duì)酚醛泡沫的結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)性能和抗氧化性能進(jìn)行表征與分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)表面活性劑吐溫80的用量為4%～6%，發(fā)泡劑正己烷的用量為5%左右時(shí)，酚醛泡沫具有均一的孔結(jié)構(gòu)和較高的表觀密度；在反應(yīng)體系中添加硼酸和碳纖維可改善酚醛泡沫材料的性能，添加7.2%含量的硼使得酚醛樹(shù)脂具有最高的抗氧化性能，添加30%含量的碳纖維增強(qiáng)了酚醛泡沫材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，其值分別達(dá)到132 MPa和52 kJ/m2。

酚醛樹(shù)脂；表面活性劑；發(fā)泡劑；碳纖維；建筑保溫

酚醛泡沫是通過(guò)對(duì)液態(tài)的由甲醛和苯酚經(jīng)堿催化條件下發(fā)生縮聚得到的熱固相酚醛樹(shù)脂中添加發(fā)泡劑、固化劑和其它改性試劑，通過(guò)控制反應(yīng)溫度，發(fā)泡制備得到的［1］。在建筑外墻保溫材料應(yīng)用領(lǐng)域中，酚醛泡沫塑料具有優(yōu)良的抗燃燒性、耐高溫性能和保溫性能等，成為研究的熱點(diǎn)和使用的首選材料［2］。酚醛泡沫的阻燃性能好于聚氨酯泡沫等其它有機(jī)保溫材料，其極限氧指數(shù)可到40%～60%，燃燒級(jí)別為B1級(jí)難燃材料～A級(jí)不燃材料。25 mm厚度以上的酚醛泡沫板，經(jīng)1 700℃的火焰噴射10 min左右，只發(fā)生無(wú)火焰的灼燒和阻燃，泡沫板不會(huì)被燒穿，只是表面發(fā)生炭化，能夠有效地防止火災(zāi)的發(fā)生和蔓延。酚醛泡沫結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩狀，孔結(jié)構(gòu)由閉孔和開(kāi)孔兩種類(lèi)型。通常使用閉孔率來(lái)表征酚醛泡沫的閉孔和開(kāi)孔情況，這一數(shù)值的高低影響材料的導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率，閉孔率越高其泡沫內(nèi)部的靜止空氣越多，保溫性能越好［3］。同時(shí)，泡沫孔結(jié)構(gòu)的大小和孔徑分布也會(huì)影響其結(jié)構(gòu)力學(xué)方面的如壓縮、彎曲和拉伸性能，是影響酚醛泡沫材料性能的關(guān)鍵因素［4-6］。但是酚醛泡沫的脆性大，容易掉渣，導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度較差［7-10］，同時(shí)，為了進(jìn)一步提高酚醛泡沫的耐熱性能，均需要對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性處理，以制備力學(xué)性能和耐熱性?xún)?yōu)異的酚醛泡沫材料。

筆者在苯酚、甲醛的聚合體系中添加硼酸和碳纖維，通過(guò)正己烷發(fā)泡劑的方法制備了硼改性和碳纖維復(fù)合的酚醛泡沫材料。利用傅立葉變換紅外光譜（FTIR）儀、微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)儀、沖擊試驗(yàn)機(jī)、熱失重（TG）分析儀等對(duì)酚醛泡沫的結(jié)構(gòu)特性、力學(xué)性能和抗氧化等性能進(jìn)行表征與分析。

1 　實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

苯酚、甲醛、硼酸、氫氧化鈉、吐溫80、正戊烷、硫酸、對(duì)甲基苯磺酸：國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

碳纖維：上海華誼集團(tuán)華原化工有限公司。

1.2 主要設(shè)備及儀器

FTIR儀：TENSOR27型，安和盟天津科技發(fā)展有限公司；

微控電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：RGD-5型，瑞格儀器有限公司；沖擊試驗(yàn)機(jī)：XJU-23型，瑞格儀器有限公司；TG分析儀：STA449C型，德國(guó)耐馳儀器有限公司。

1.3 試樣制備

將酚醛樹(shù)脂倒入反應(yīng)釜中，加入一定量的硼酸，并且加入表面活性劑吐溫80以及發(fā)泡劑正戊烷，攪拌均勻，加入固化劑硫酸和對(duì)甲基苯磺酸（1∶1質(zhì)量比，質(zhì)量濃度均為50%），然后采用一定溫度進(jìn)行發(fā)泡和固化并脫模，制備得到酚醛泡沫材料。在酚醛樹(shù)脂中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維，采用相同的制備方法，即可得到碳纖維增強(qiáng)酚醛泡沫材料。

2 　結(jié)果與討論

2.1 表面活性劑對(duì)酚醛泡沫的影響

保持正戊烷用量為12%，固化劑用量為20%，溫度為70℃，考查吐溫80用量（2%，4%，6%，8%，10%）對(duì)酚醛泡沫表觀密度和壓縮強(qiáng)度的影響，表1為不同表面活性劑含量時(shí)酚醛泡沫的表觀密度和壓縮強(qiáng)度。通常通過(guò)降低表面張力來(lái)改善物料之間的相容性，提高物料的分散均勻性。

表1　 不同表面活性劑含量時(shí)酚醛泡沫的表觀密度和壓縮強(qiáng)度

從表1可以看出，當(dāng)表面活性劑含量為2%時(shí)，酚醛樹(shù)脂各物料之間的表面張力較大，固化過(guò)程中泡沫的穩(wěn)定性較低，會(huì)發(fā)生泡沫破裂，酚醛泡沫的表觀密度較大（為38.5 kg/m3）。增加表面活性劑的量，當(dāng)其含量為4%～6%時(shí)，酚醛樹(shù)脂與其它添加劑之間的表面張力變小，各物料的分散性較好，體系中泡沫成核穩(wěn)定，充分發(fā)泡，并且泡沫均勻，表觀密度降低到31.5～32 kg/m3；當(dāng)表面活性劑含量為8%～10%時(shí)，表觀密度略有降低，過(guò)多的表面活性劑起到了發(fā)泡劑的作用。隨著表面活性劑含量的增多，表觀密度降低，同時(shí)其壓縮強(qiáng)度也降低。從表1可見(jiàn)，當(dāng)表面活性劑含量高于6%以上時(shí)，壓縮強(qiáng)度明顯降低，說(shuō)明過(guò)多的表面活性劑含量，會(huì)導(dǎo)致泡沫強(qiáng)度明顯降低，而且浪費(fèi)原料。當(dāng)表面活性劑含量在4%～6%時(shí)，壓縮強(qiáng)度基本維持在145 kPa左右，說(shuō)明表面活性劑充分起到了分散反應(yīng)體系組分的作用，泡沫孔徑分布均勻，壓縮強(qiáng)度也較高。綜上所述，當(dāng)表面活性劑用量在4%～6%時(shí)，體系各反應(yīng)組分分散性良好，泡沫結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，因而具有優(yōu)異的表面密度和壓縮強(qiáng)度。

2.2 發(fā)泡劑對(duì)酚醛泡沫的影響

保持固化劑用量為20%、溫度為70℃、吐溫80用量為6%，考查發(fā)泡劑正己烷的用量對(duì)酚醛泡沫表觀密度和壓縮強(qiáng)度的影響，如圖1所示。

圖1　 不同發(fā)泡劑用量時(shí)酚醛泡沫表觀密度和壓縮強(qiáng)度

從圖1可以看出，發(fā)泡劑用量與酚醛泡沫的表觀密度和壓縮強(qiáng)度呈一定的線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)發(fā)泡劑用量增加到10%以上時(shí)，酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和表觀密度明顯下降，發(fā)泡劑越多，在酚醛樹(shù)脂發(fā)泡初期形成的氣泡越多，由于氣液界面的表面張力較大，從而導(dǎo)致部分氣泡的破裂，酚醛泡沫的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，因而其壓縮強(qiáng)度明顯降低。從圖中曲線(xiàn)看見(jiàn)，發(fā)泡劑用量在5%左右時(shí)，制備的酚醛泡沫材料具有較高的壓縮強(qiáng)度和合適的表觀密度。

2.3 硼添加對(duì)酚醛泡沫抗氧化性的影響

硼元素具有良好的抗氧化性能，因而在酚醛樹(shù)脂中添加硼元素，可以有效提高酚醛泡沫的抗氧化性和抗燃燒性能［11-12］。采用硼酸作為硼源，引入酚醛樹(shù)脂的聚合反應(yīng)，硼酸參與的酚醛樹(shù)脂聚合反應(yīng)一般經(jīng)過(guò)酯化反應(yīng)得到中間體硼酸脂，進(jìn)一步經(jīng)過(guò)聚合反應(yīng)生成線(xiàn)型大分子聚合物。

保持正戊烷用量為12%、固化劑用量為20%、吐溫80用量為6%、溫度為70℃，在反應(yīng)體系中添加不同量的硼酸，制備不同硼含量的硼改性酚酸樹(shù)脂泡沫。圖2為硼改性酚醛樹(shù)脂的FTIR譜圖，從圖2可以看出，1 310 cm-1處為B—O的伸縮振動(dòng)峰，1 009～1 118 cm-1為B—C的伸縮振動(dòng)峰，證明硼元素成功引入聚合體系。進(jìn)一步考察硼改性酚醛樹(shù)脂的抗氧化性能。表2為硼酚醛樹(shù)脂中硼含量與熱性能的關(guān)系。

圖2　 不同硼含量改性酚醛樹(shù)脂的FTIR譜圖

表2　 硼酚醛樹(shù)脂中硼含量與熱失重性能的關(guān)系

從表2可以看出，隨著硼含量的增加，酚醛泡沫失重10%～35%的溫度逐漸升高，當(dāng)硼含量為7.2%時(shí)，其失重溫度最高。對(duì)比樣品的高溫殘?zhí)抠|(zhì)量百分比，可見(jiàn)當(dāng)硼含量為7.2%時(shí)，其950℃的殘?zhí)柯蕿?7.2%。結(jié)合失重溫度和高溫殘?zhí)柯蕦?duì)比，可以看出使用硼對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性，有效提高了酚醛泡沫的抗氧化性能，從而可以有效保證酚醛泡沫在建筑保溫領(lǐng)域的使用安全性能。

2.4 碳纖維對(duì)酚醛泡沫韌性的影響

保持正戊烷用量為12%、固化劑用量為20%、吐溫80用量為6%、溫度為70℃，在反應(yīng)體系中添加不同量的碳纖維，利用碳纖維的韌性和摩擦性能，提高酚醛樹(shù)脂的抗彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。表3為不同碳纖維含量時(shí)碳纖維增強(qiáng)酚醛泡沫復(fù)合材料的力學(xué)性能［13-15］。從表3數(shù)據(jù)可以看出，碳纖維改性后，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨著碳纖維含量的增加而升高，當(dāng)復(fù)合物中碳纖維含量為30%時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到132 MPa。碳纖維在酚醛樹(shù)脂中可以起到分散應(yīng)力的作用，從而增強(qiáng)了酚醛樹(shù)脂的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)復(fù)合材料中碳纖維含量為30%，其沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值52 kJ/m2。沖擊強(qiáng)度表征了酚醛樹(shù)脂的抗沖擊能力，當(dāng)在酚醛樹(shù)脂中添加碳纖維時(shí)，由于碳纖維之間的相對(duì)滑動(dòng)性，可以吸收更多的沖擊能，因而提高了酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。

表3　 不同碳纖維含量時(shí)碳纖維增強(qiáng)酚醛泡沫材料的力學(xué)性能

3 　結(jié)論

（1）優(yōu)化酚醛泡沫材料反映體系的組分比例，當(dāng)表面活性劑用量在4%～6%時(shí)，體系各反應(yīng)組分分散性良好，泡沫結(jié)構(gòu)均勻穩(wěn)定，因而具有優(yōu)異的表面密度和壓縮強(qiáng)度。

（2）當(dāng)發(fā)泡劑用量在5%左右時(shí)，制備的酚醛泡沫具有高的壓縮強(qiáng)度和合適的表觀密度。

（3）用硼對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性，有效提高了酚醛泡沫的抗氧化性能，提高酚醛泡沫的使用安全性能。

（4）在酚醛樹(shù)脂反應(yīng)體系中，添加碳纖維，當(dāng)碳纖維含量為30%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均達(dá)到最高值，說(shuō)明碳纖維的添加，可以有效提高酚醛泡沫的力學(xué)性能。

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杜邦高性能材料事業(yè)部全球最大共混工廠在深圳投產(chǎn)

杜邦公司高性能材料事業(yè)部位于廣東省深圳市光明新區(qū)的工程塑料共混工廠不久前正式開(kāi)業(yè)。該工廠是杜邦在全球范圍內(nèi)規(guī)模最大的共混工廠，投產(chǎn)后將進(jìn)一步提高杜邦高性能材料事業(yè)部的產(chǎn)能。

該工廠生產(chǎn)的系列杜邦產(chǎn)品包括：Zytel?尼龍樹(shù)脂、Crastin?聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯PBT樹(shù)脂、Delrin?均聚聚甲醛樹(shù)脂、拜牢?（Bynel?）粘合樹(shù)脂、凡事邦?（Fusabond?）樹(shù)脂等多元化產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要服務(wù)于中國(guó)及亞太地區(qū)的汽車(chē)、工業(yè)、消費(fèi)及包裝市場(chǎng)。

作為全球最先進(jìn)的共混工廠，光明新區(qū)新工廠擁有最新的共混技術(shù)及多項(xiàng)創(chuàng)新，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，也可以保證產(chǎn)品一貫的高品質(zhì)。值得一提的是，在擠出設(shè)備研發(fā)階段，杜邦公司與制造商密切合作，并開(kāi)發(fā)出一套創(chuàng)新解決方案，加快了不同產(chǎn)品系列之間的切換，從而更加靈活地滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)更短交付周期的需求。

“這項(xiàng)投資表明了我們滿(mǎn)足客戶(hù)日益增長(zhǎng)的需求的決心和承諾。新工廠的產(chǎn)能更高、面對(duì)客戶(hù)需求的變化更加靈活、反應(yīng)速度更快。這些技術(shù)的進(jìn)步將為客戶(hù)提供更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，并鞏固了我們?cè)诩皶r(shí)、迅速向客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品方面的領(lǐng)先地位。”杜邦高性能材料事業(yè)部全球總裁石睿（Randy Stone）先生表示。

新工廠在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了后續(xù)產(chǎn)能擴(kuò)充，是杜邦在全球制造網(wǎng)絡(luò)中規(guī)模最大的共混工廠。除了配備提高產(chǎn)量和效率的更大的擠出設(shè)備，新工廠從原料倉(cāng)到擠出機(jī)的全自動(dòng)化水平也得以提高，降低了生產(chǎn)過(guò)程中交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而最大程度減少可能出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，并確保了產(chǎn)品的統(tǒng)一和質(zhì)量的穩(wěn)定。此外，新廠在產(chǎn)品包裝方面也實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。

“中國(guó)是杜邦高性能材料事業(yè)部最大的市場(chǎng)，而亞洲是我們業(yè)務(wù)增長(zhǎng)最快的地區(qū)。新的共混工廠是我們?cè)谥袊?guó)和亞洲的一項(xiàng)重大投資，完善了杜邦全球的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)并體現(xiàn)了杜邦對(duì)市場(chǎng)的承諾。早在27年前，杜邦就在深圳開(kāi)始了我們?cè)谥袊?guó)的發(fā)展。我們一直致力于通過(guò)不斷發(fā)展杜邦的科技創(chuàng)新能力，為中國(guó)積極推進(jìn)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)?！倍虐罟緛喬珔^(qū)總裁蘇孝世（Tony Su）先生表示。

（工程塑料網(wǎng)）

Modification and Properties of Phenolic Foam for Insulation of Building’s Wall

Pan Wen
（Chongqing industry and commerce， Career Academy， School of architecture and engineering， Chongqing 400030， China）

Adding boric acid and carbon fiber into the polymerization system of phenol-formaldehyde，the phenolic resin foam composites of boron modified and carbon nanofibers composited were synthesized by hexane blowing method. The structural characteristics，mechanical properties and oxidation resistance of phenolic resin foam were analyzed by Fourier transform infrared spectrometer，impact testing machine，micro controlled electronic universal tester and thermalgravimetric analyzer. Research results indicate that when the surfactant Tween 80 content is 4%～6% and the blowing agent hexane additive amount is 5%，the phenolic resin has a uniform cell structure and higher apparent density. In the reaction system adding boric acid and carbon nanofibers can improve the performance of phenolic resin foam，when the boric acid’s additive amount is 7.2%，the phenolic resin presents the highest oxidation resistance. Adding 30% carbon fibers can increase the bending strength and impact strength of the phenolic resin foam，the value reach 132 MPa and 52 kJ/ m2respectively.

phenolic resin；surfactant；blowing agent；carbon fiber；building insulation

TQ323.1

A

1001-3539（2016）09-0100-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.09.022

聯(lián)系人：潘雯，講師，主要從事建筑保溫材料研究及相關(guān)工程管理工作

2016-06-27