鄭家妍, 儲(chǔ)呈浩, 孫豐文*

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 國(guó)家林業(yè)局竹材工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)(泗陽(yáng))楊木加工利用技術(shù)研究院， 江蘇 泗陽(yáng) 223700)

·研究報(bào)告——生物質(zhì)材料·

楊木粉制備泡沫的工藝研究

鄭家妍1, 儲(chǔ)呈浩2, 孫豐文1*

(1. 南京林業(yè)大學(xué) 國(guó)家林業(yè)局竹材工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學(xué)(泗陽(yáng))楊木加工利用技術(shù)研究院， 江蘇 泗陽(yáng) 223700)

以楊木粉為原料，通過(guò)液化制成液化樹(shù)脂，再對(duì)液化樹(shù)脂采用中低溫發(fā)泡法制備發(fā)泡材料，系統(tǒng)地考慮了液化樹(shù)脂黏度和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、發(fā)泡溫度以及表面活性劑、固化劑、發(fā)泡劑用量和種類等因素對(duì)制備工藝的影響。結(jié)果表明：適宜的發(fā)泡條件為楊木粉液化樹(shù)脂黏度為6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75 %，發(fā)泡溫度75 ℃，以吐溫-80與OP-10(質(zhì)量比1∶1)復(fù)配作為表面活性劑，以正戊烷為發(fā)泡劑，1,4-丁內(nèi)酯為固化劑，用量都在8 %～12 %，該條件下發(fā)泡過(guò)程穩(wěn)定，制得的泡沫泡孔細(xì)膩，均勻，閉孔率高，表觀質(zhì)量好，泡沫的表觀密度小(0.12～0.16 g/cm3)并且發(fā)泡倍率高(5～8倍)。

楊木液化；泡沫材料 ;制備工藝

泡沫材料于1940年被世人所知，具有諸多優(yōu)異的性能，如能量吸收性能、低密度、吸聲性能等，在各種行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。隨著節(jié)能減排的提出以及我國(guó)對(duì)建筑材料要求的提高，傳統(tǒng)的粘土磚墻體材料由于容重大、抗震性能差、能耗高已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展需求，特別是近年來(lái)地震、火災(zāi)等災(zāi)害的頻頻發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、抗震、阻燃的新型環(huán)保多功能墻體材料具有廣闊的應(yīng)用空間和市場(chǎng)價(jià)值。泡沫材料具有綜合成本低、輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、保溫、隔音等特點(diǎn)，可應(yīng)用于包裝緩沖材料、隔熱保溫材料、隔音吸波材料、建筑結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域[1]，可滿足當(dāng)前對(duì)墻體材料的要求。目前應(yīng)用較多的泡沫材料有聚氨酯、聚苯乙烯、酚醛泡沫材料等，主要來(lái)源為石油，然而石油資源是不可再生資源，隨著人類的開(kāi)發(fā)使用，總有一天會(huì)消耗殆盡。因此，許多研究人員正在積極地尋找可代替的資源，而生物質(zhì)就是可代替資源之一，并且也是唯一可以轉(zhuǎn)化成液態(tài)燃料以及其他化工原料的可再生碳資源[2-3]。以生物質(zhì)為原料開(kāi)發(fā)的泡沫材料除上述優(yōu)點(diǎn)外還具有低成本、可降解和可再生的巨大優(yōu)勢(shì)[4]。生物質(zhì)在泡沫材料的改性和制備方面也有著重要的意義。在生物質(zhì)泡沫材料中，又以酚醛泡沫應(yīng)用最廣泛，酚醛泡沫已成為泡沫塑料中發(fā)展最快的品種之一，國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)都相當(dāng)活躍，英國(guó)、西歐及中東各國(guó)都指定建筑設(shè)計(jì)中選用酚醛泡沫作為隔熱保溫材料[5]。酚醛泡沫的研究已深入到利用生物質(zhì)中的酚類部分代替苯酚制備生物質(zhì)甲階酚醛樹(shù)脂，通過(guò)發(fā)泡工藝制備生物質(zhì)酚醛泡沫[6]，或在發(fā)泡共混過(guò)程中加入生物質(zhì)材料如木粉、竹粉等，從而減低成本，改善性能，減少對(duì)石油資源的依賴[7-8]。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)資源的研究很多，不過(guò)這些研究都只存在于實(shí)驗(yàn)室中，還沒(méi)有應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)價(jià)值。本研究主要的目的是在降低經(jīng)濟(jì)成本的基礎(chǔ)上，制備出具有良好性能，且在市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)能力的泡沫材料，從而實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室向市場(chǎng)的延伸。我國(guó)速生楊木具有適應(yīng)性廣、生長(zhǎng)速度快等特點(diǎn)，速生楊木資源豐富，但楊木結(jié)構(gòu)疏松、材質(zhì)相對(duì)較差，應(yīng)用方面受到較大的限制，本研究以楊木粉液化制備的發(fā)泡型樹(shù)脂作為研究對(duì)象，利用中低溫發(fā)泡法制備環(huán)境友好型泡沫材料，可減輕石油化工產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)也開(kāi)發(fā)了楊木的新用途。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探索開(kāi)發(fā)出一種高效、經(jīng)濟(jì)的生物質(zhì)泡沫材料制備工藝，適應(yīng)現(xiàn)代化生產(chǎn)，同時(shí)開(kāi)辟了木材資源高效利用的新途徑，對(duì)速生楊木的開(kāi)發(fā)利用也具有重要意義。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1材料、試劑與儀器

楊木粉：取江蘇省泗陽(yáng)縣近郊工廠加工剩余的楊木屑，通過(guò)高速粉碎機(jī)粉碎成28～50 μm的楊木粉，放入105 ℃的干燥箱內(nèi)密閉干燥12 h后備用。正戊烷、石油醚、二氯甲烷、 1,4-丁內(nèi)酯、對(duì)甲苯磺酸(67 %)、磷酸、吐溫-80、乳化劑OP-10、十二烷基苯磺酸鈉、硅油，均為分析純；蓖麻油，化學(xué)純。

1.2泡沫材料的制備

1.2.1楊木粉液化制液化樹(shù)脂 將油浴鍋啟動(dòng)，設(shè)定溫度為135 ℃，在帶有機(jī)械攪拌、冷凝管、溫度計(jì)的四口燒瓶中加入4 %液化劑聚乙二醇-400和60 %苯酚、4 %催化劑濃硫酸，啟動(dòng)攪拌器，將液化劑和催化劑混合均勻后，按液固比1.5向其中加入楊木粉，進(jìn)行液化反應(yīng)，反應(yīng)120 min，在常溫下冷卻，得到液化物。

將水浴鍋啟動(dòng)，設(shè)定溫度為85 ℃，按甲醛與液化物物質(zhì)的量比值1.2和氫氧化鈉與液化物物質(zhì)的量比值0.5，將液化物、甲醛和氫氧化鈉加入到帶有機(jī)械攪拌、冷凝管、溫度計(jì)的四口燒瓶中，反應(yīng)120 min，得到液化樹(shù)脂。

1.2.2液化樹(shù)脂中低溫發(fā)泡制泡沫 取一定量的楊木粉液化樹(shù)脂倒入250 mL的燒杯中，然后加入一定比例的發(fā)泡劑正戊烷、表面活性劑吐溫-80/OP-10、固化劑1,4-丁內(nèi)酯，在燒杯中快速攪拌，使之均勻，接著將燒杯中混合物倒入已經(jīng)涂好硅油脫模劑的模具中，然后放入到設(shè)置好溫度的烘箱中，熟化2 h后，取出，脫模，冷卻，備用。

1.3檢測(cè)方法

1.3.1泡沫的發(fā)泡倍率 發(fā)泡倍率即為樹(shù)脂發(fā)泡前后的體積(用尺子測(cè)量計(jì)算出來(lái)的)之比，發(fā)泡后的樹(shù)脂體積除以發(fā)泡前的樹(shù)脂體積得到發(fā)泡倍率。

1.3.2泡沫性能的測(cè)定 根據(jù)GB/T 6343—2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度測(cè)定》測(cè)定表觀密度；根據(jù)GB/T 8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)方法》測(cè)定壓縮強(qiáng)度；根據(jù)GB/T 8810—2005《硬質(zhì)泡沫塑料吸水率的測(cè)定》測(cè)定吸水率。

1.3.3液化樹(shù)脂固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定 根據(jù)GB/T 14074—2006《木材膠黏劑及其樹(shù)脂檢測(cè)方法》測(cè)定液化樹(shù)脂固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1液化樹(shù)脂對(duì)泡沫性能的影響

液化樹(shù)脂的黏度和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)對(duì)泡沫性能產(chǎn)生影響。黏度過(guò)高，則不能很好的與發(fā)泡劑、固化劑等均勻混合，且流動(dòng)性差，會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡困難，泡孔不均勻細(xì)膩。樹(shù)脂的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，水分含量高時(shí)，在發(fā)泡和熟化過(guò)程中水分蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致泡孔破裂，使泡沫的開(kāi)孔率高、導(dǎo)熱系數(shù)增大，提高固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以改善泡沫的絕熱性能和表觀質(zhì)量，但固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，樹(shù)脂黏度增高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)泡操作困難。通過(guò)控制不同的反應(yīng)時(shí)間，制得黏度和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的樹(shù)脂將其按8 %的發(fā)泡劑正戊烷(以樹(shù)脂質(zhì)量計(jì)，下同)、10 %的表面活性劑吐溫-80/OP-10(質(zhì)量比1∶1，下同)、10 %的固化劑1,4-丁內(nèi)酯發(fā)泡配方與其他組分混合均勻后，迅速倒入模具內(nèi)，放入75 ℃烘箱內(nèi)發(fā)泡，通過(guò)測(cè)量試樣的發(fā)泡倍率、表觀密度分析樹(shù)脂黏度和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)泡沫性能的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 不同樹(shù)脂的發(fā)泡情況Table 1 Foam situation of different resin

由表1可知，隨著固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)和黏度的增加，泡沫材料密度先減小后增加而發(fā)泡倍率先增大后減小。當(dāng)樹(shù)脂固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)小時(shí)，水分大，發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生熱量，使得固化不完全，同時(shí)樹(shù)脂中殘留的水氣化，泡沫開(kāi)孔率高，表觀質(zhì)量差。固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)大時(shí)，體系黏度太大，攪拌困難，各相混合不均勻，泡沫表面束縛力強(qiáng)，氣化不完全，發(fā)泡倍率低，密度大，表觀質(zhì)量差。固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在75 %時(shí)表觀質(zhì)量最好，此時(shí)樹(shù)脂黏度為6 000 mPa·s,泡沫的發(fā)泡倍率也達(dá)到最大，密度最小。綜上所述，楊木粉液化樹(shù)脂的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在75 %為宜。

2.2發(fā)泡溫度對(duì)泡沫性能的影響

溫度直接影響了發(fā)泡速度和固化速度，對(duì)泡沫性能的影響明顯。采用黏度為6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75 %的發(fā)泡型樹(shù)脂，按8 %的發(fā)泡劑正戊烷、10 %的表面活性劑吐溫-80/OP-10、10 %的固化劑1,4-丁內(nèi)酯配方制備泡沫體，考察發(fā)泡溫度對(duì)泡沫的起泡時(shí)間、終止時(shí)間、表觀質(zhì)量、發(fā)泡倍率、表觀密度和壓縮強(qiáng)度的影響，結(jié)果如表2、圖1和圖2所示。

表2 發(fā)泡溫度對(duì)泡沫的影響

由表2可知，隨著發(fā)泡溫度的升高，泡沫的起泡時(shí)間和終止時(shí)間都縮短。當(dāng)溫度達(dá)到85 ℃時(shí)，發(fā)泡劑氣化速度快，導(dǎo)致樹(shù)脂無(wú)法包裹住氣泡易逃逸，使相鄰泡孔合并形成大孔，泡孔粗大不均勻。發(fā)泡溫度低于70 ℃，樹(shù)脂固化時(shí)間長(zhǎng)，固化產(chǎn)生的熱量達(dá)不到發(fā)泡劑氣化所需要的熱量，導(dǎo)致部分發(fā)泡劑揮發(fā)出去，使泡沫表觀質(zhì)量差。當(dāng)溫度在70～75 ℃，樹(shù)脂的發(fā)泡速度和固化速度相匹配，表觀質(zhì)量好。

由圖1和圖2可知，隨著溫度升高，泡沫密度逐漸降低，在75 ℃后趨于平穩(wěn)，而發(fā)泡倍率與溫度成正比關(guān)系。就泡沫壓縮強(qiáng)度而言，隨著溫度升高，強(qiáng)度降低，在75 ℃后下降趨勢(shì)趨于平緩。綜合考慮，以75 ℃作為液化樹(shù)脂的發(fā)泡溫度最為適宜，此條件下泡沫的表觀質(zhì)量較好，同時(shí)密度和壓縮強(qiáng)度也可滿足泡沫體的應(yīng)用需要。

圖1 發(fā)泡溫度對(duì)泡沫密度和發(fā)泡倍率的影響Fig. 1 Effect of foaming temperature on density and expanison ratio of foam

圖2 發(fā)泡溫度對(duì)泡沫壓縮強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of foaming temperature on compressive strength of foam

2.3表面活性劑對(duì)泡沫性能的影響

表面活性劑在發(fā)泡體系中能降低樹(shù)脂的表面張力，使親水性和疏水性相差很大的原料乳化成為均勻的體系，增加互溶性，穩(wěn)定發(fā)泡過(guò)程。同時(shí)表面活性劑對(duì)泡沫的表觀質(zhì)量、表觀密度、壓縮強(qiáng)度等性能都有較大的影響。表面活性劑有離子型(包括陰離子型和陽(yáng)離子型)和非離子型兩大類。一般采用的陰離子表面活性劑為十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)，非離子型表面活性劑如聚氧乙烯失水山梨醇醋(吐溫-80)、硅氧烷基環(huán)氧雜環(huán)共聚物，長(zhǎng)鏈烷基酚的聚環(huán)氧烷烴等[9]。表面活性劑的種類和加入量對(duì)泡沫的成型過(guò)程以及泡沫的性能有著重要的影響。

2.3.1表面活性劑種類 以SDBS、吐溫-80與OP-10(質(zhì)量比1∶1)、蓖麻油3種表面活性劑，采用黏度6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)75 %的液化樹(shù)脂按表面活性劑用量8 %、發(fā)泡劑正戊烷8 %、固化劑1,4-丁內(nèi)酯10 %配方在75 ℃下發(fā)泡，制備考察不同表面活性劑對(duì)泡沫性能的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同表面活性劑對(duì)泡沫性能的影響

由表3可知，加入陰離子表面活性劑SDBS的樹(shù)脂發(fā)泡速度遠(yuǎn)大于固化速度，發(fā)泡倍率很大，泡沫過(guò)度膨脹，形狀不規(guī)則，泡孔不均勻，蓖麻油作為表面活性劑制備的泡沫孔徑不一，且開(kāi)孔率高。采用吐溫-80/OP-10復(fù)合表面活性劑制得的泡沫綜合性能較好，泡孔均勻細(xì)膩。故選擇吐溫-80與OP-10復(fù)配表面活性劑最為合適。

2.3.2表面活性劑用量 以吐溫-80與OP-10(質(zhì)量比為1∶1)復(fù)配表面活性劑，考察表面活性劑用量對(duì)泡沫起泡時(shí)間、終止時(shí)間及表觀質(zhì)量、發(fā)泡倍率、表觀密度、壓縮強(qiáng)度、吸水率的影響，結(jié)果如表4、圖3和圖4所示。

表4 表面活性劑吐溫-80/OP-10用量對(duì)發(fā)泡情況的影響

由表4可知，隨著表面活性劑用量的增加，泡沫的起泡時(shí)間減小，終止時(shí)間略有波動(dòng)，表面活性劑用量在8 %～10 %時(shí)泡沫表觀質(zhì)量達(dá)到最佳。當(dāng)表面活性劑用量過(guò)大，體系中的表面張力變得很小，發(fā)泡劑的氣泡容易從體系中逃逸出去，導(dǎo)致塌泡，泡孔不均勻，表觀質(zhì)量差。

圖3 表面活性劑用量對(duì)泡沫表觀密度和發(fā)泡倍率的影響Fig. 3 Effect of surfactant dosage on density and expansion ratio of foam

圖4 表面活性劑用量對(duì)泡沫壓縮強(qiáng)度和吸水率的影響Fig. 4 Effect of surfactant dosage on compressive strength and water absorption of foam

由圖3和圖4可知，隨著表面活性劑用量的增加，吸水率增大，而壓縮強(qiáng)度先減小后增加。這是由于在表面活性劑用量很少時(shí)，樹(shù)脂未完全發(fā)泡，泡體硬，吸水率低，表面活性劑用量過(guò)多時(shí)，泡孔不均勻，結(jié)構(gòu)粗糙，導(dǎo)致吸水率較大。因此綜合考慮，吐溫-80與OP-10復(fù)配型表面活性劑的用量在8 %～10 %最為適宜。

2.4發(fā)泡劑對(duì)泡沫性能的影響

2.4.1發(fā)泡劑種類 液化樹(shù)脂中殘留的水分和甲醛有發(fā)泡的作用，但是要制備泡孔結(jié)構(gòu)優(yōu)良的泡沫材料，發(fā)泡劑不可或缺。酚醛樹(shù)脂發(fā)泡一般選用低沸點(diǎn)的液態(tài)有機(jī)發(fā)泡劑，其在樹(shù)脂中容易分散，可改善泡孔結(jié)構(gòu)[10]?，F(xiàn)在一般采用無(wú)氟液態(tài)發(fā)泡劑，如異戊烷、正戊烷、環(huán)己烷等，但烷烴發(fā)泡劑易燃，必須采取嚴(yán)格的消防措施。氯代烴如二氯甲烷、氯仿、四氯化碳，因化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、易于產(chǎn)生氣體而受到重視，其中最常用的是二氯甲烷。低沸點(diǎn)的醚類、酮類也可用作發(fā)泡劑[11]。在發(fā)泡溫度75 ℃,液化樹(shù)脂黏度6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)75 %條件下選擇正戊烷、二氯甲烷、石油醚3種發(fā)泡劑，按發(fā)泡劑用量為6 %、表面活性劑吐溫-80/OP-10用量10 %、固化劑1,4-丁內(nèi)酯10 %配方發(fā)泡，通過(guò)考察各種發(fā)泡劑對(duì)泡沫的表觀質(zhì)量、表觀密度的影響，從而選擇最適宜的發(fā)泡劑，結(jié)果如表5所示。

表5 不同發(fā)泡劑對(duì)泡沫的影響

從泡沫的表觀質(zhì)量來(lái)看，發(fā)泡劑正戊烷的發(fā)泡效果要比二氯甲烷和石油醚的發(fā)泡效果好。正戊烷的發(fā)泡過(guò)程較穩(wěn)定，因此選擇正戊烷為液化樹(shù)脂發(fā)泡材料的發(fā)泡劑。

2.4.2發(fā)泡劑用量 發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫性能影響重大，發(fā)泡劑用量過(guò)少或過(guò)多發(fā)泡效果都不好，采用黏度為6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)75 %的液化樹(shù)脂按發(fā)泡劑正戊烷、表面活性劑吐溫-80/OP-10 10 %、固化劑1,4-丁內(nèi)酯10 %配方在75 ℃下發(fā)泡，考察發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫起泡時(shí)間、終止時(shí)間、表觀質(zhì)量、表觀密度、發(fā)泡倍率、壓縮強(qiáng)度和吸水率的影響，從而得出最合適的發(fā)泡劑用量,結(jié)果如表6、圖5和圖6。

表6 發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫的影響

由表6可知，隨著發(fā)泡劑用量的增大，起泡時(shí)間隨之減少，而終止時(shí)間卻隨之增加，發(fā)泡劑用量適中(8 %～12 %)時(shí)表觀質(zhì)量最好。當(dāng)發(fā)泡劑用量超過(guò)12 %后，泡孔不均勻，這是由于發(fā)氣量增大，產(chǎn)生的泡孔較多，易破裂，形成較大的泡孔，導(dǎo)致孔徑不一甚至塌泡。當(dāng)發(fā)泡劑用量小于6 %時(shí)，發(fā)泡劑少發(fā)氣量少，固化速度快，樹(shù)脂發(fā)泡不完全。在發(fā)泡劑用量達(dá)到8 %～12 %時(shí)，表觀質(zhì)量好，泡孔均勻細(xì)膩。

圖5 發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫表觀密度和發(fā)泡倍率的影響Fig. 5 Effect of foaming agent dosage on density and expansion ratio of foam

圖6 發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫壓縮強(qiáng)度和吸水率的影響Fig. 6 Effect of foaming agent dosage on compressive strength and water absorption of foam

由圖5和圖6可知，隨著發(fā)泡劑用量的不斷增加，泡沫的表觀密度和壓縮強(qiáng)度不斷下降，而發(fā)泡倍率與吸水率增加。綜合考慮，選擇發(fā)泡劑用量為10 %最為適宜。

2.5固化劑對(duì)泡沫性能的影響

2.5.1固化劑種類 固化劑的作用在于激勵(lì)放熱反應(yīng)，促進(jìn)發(fā)泡體系的固化，使泡沫成型定型，對(duì)泡沫的性能影響較大[12]。酚醛泡沫制備時(shí)采用的固化劑主要為酸類催化劑，分為有機(jī)酸與無(wú)機(jī)酸兩大類。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外采用芳香族磺酸與無(wú)機(jī)酸復(fù)配作為制備酚醛泡沫的固化劑[13]。楊木粉液化樹(shù)脂羥甲基含量高、活性大，含有酚醇物質(zhì)和多元醇類物質(zhì)性質(zhì)并不等同于酚醛樹(shù)脂，有研究表明有機(jī)酯可以促進(jìn)這類生物質(zhì)樹(shù)脂的固化反應(yīng)[14]。在發(fā)泡溫度75 ℃,液化樹(shù)脂黏度6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)75 %條件下，采用無(wú)機(jī)酸磷酸、有機(jī)酸對(duì)甲苯磺酸、有機(jī)酯1,4-丁內(nèi)酯3種固化劑，按發(fā)泡劑正戊烷8 %、表面活性劑吐溫-80/OP-10 10 %、固化劑10 %配方發(fā)泡，探討不同種類固化劑對(duì)泡沫的固化時(shí)間(即不粘手時(shí)間)和表觀質(zhì)量的影響，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 固化劑種類對(duì)泡沫的影響

由表7可知，從表觀質(zhì)量上分析，對(duì)比3種固化劑，磷酸與對(duì)甲苯磺酸的固化速度與發(fā)泡速度不匹配，導(dǎo)致發(fā)泡效果差，而1,4-丁內(nèi)酯在堿性條件下可以很好地促進(jìn)液化樹(shù)脂在中低溫條件下快速固化，且固化速度與發(fā)泡速度相匹配，制得的泡沫泡孔均勻細(xì)膩，表面干燥，固化時(shí)間適中，發(fā)泡效果更好。故選擇以1,4-丁內(nèi)酯作為楊木粉液化樹(shù)脂制備泡沫的固化劑。

2.5.2固化劑用量 在發(fā)泡溫度75 ℃，樹(shù)脂黏度和固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)6 000 mPa·s和75 %、發(fā)泡劑正戊烷用量8 %、表面活性劑吐溫-80/OP-10 10 %條件下，以1,4-丁內(nèi)酯為固化劑，考察固化劑用量對(duì)泡沫起泡時(shí)間、終止時(shí)間、表觀質(zhì)量和表觀密度、發(fā)泡倍率、壓縮強(qiáng)度、吸水率的影響，從而確定最適宜的固化劑用量，結(jié)果如表8、圖7和圖8。

表8 固化劑用量對(duì)泡沫性能影響

由表8可知，隨著固化劑用量的增加，起泡時(shí)間波動(dòng)較小，終止時(shí)間卻隨之減小，固化劑用量在8 %～12 %時(shí)，泡孔均勻細(xì)膩，表觀質(zhì)量好。由圖7和圖8可知，固化劑用量在8 %～12 %范圍內(nèi)，泡沫表觀密度與壓縮強(qiáng)度以及發(fā)泡倍率和吸水率無(wú)明顯差異，泡沫綜合性能好；當(dāng)固化劑用量超過(guò)12 %以后，密度和壓縮強(qiáng)度顯著增加，主要原因是固化劑過(guò)量，導(dǎo)致固化速度過(guò)快，發(fā)泡劑并沒(méi)完全膨脹，發(fā)泡倍率低，硬度大，吸水率降低。綜上所述，選擇固化劑的用量為8 %～12 %為宜。

圖7 固化劑用量對(duì)泡沫表觀密度和發(fā)泡倍率的影響Fig. 7 Effect of curing agent dosage on density and expansion ratio of foam

圖8 固化劑用量對(duì)泡沫壓縮強(qiáng)度和吸水率的影響Fig. 8 Effect of curing agent dosage on compressive strength and water absorption of foam

2.6驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

在75 ℃下，采用黏度為6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75 %的液化樹(shù)脂，以吐溫-80和OP-10(質(zhì)量比1∶1)復(fù)配作為表面活性劑、正戊烷作為發(fā)泡劑、1，4-丁內(nèi)酯為固化劑，用量均為8 %～10 %，進(jìn)行發(fā)泡驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，制得的泡沫表觀質(zhì)量較好，泡孔細(xì)膩均勻，閉孔率高，表觀密度為0.12～0.16 g/cm3，發(fā)泡倍率為5～8倍，壓縮強(qiáng)度為0.32～0.50 MPa,吸水率為4.2 %～8.7 %。

3 結(jié) 論

以楊木粉液化樹(shù)脂為原料，采用中低溫發(fā)泡法制備發(fā)泡材料，研究了樹(shù)脂性能、發(fā)泡溫度、表面活性劑、發(fā)泡劑和固化劑種類及用量對(duì)樹(shù)脂性能的影響。結(jié)果表明：適宜的發(fā)泡條件為樹(shù)脂黏度6 000 mPa·s、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)75 %，發(fā)泡溫度75 ℃，以吐溫-80與OP-10按質(zhì)量比1∶1復(fù)配作為表面活性劑，以正戊烷為發(fā)泡劑，1,4-丁內(nèi)酯為固化劑，用量都在8 %～12 %。此工藝下制得泡沫材料表觀質(zhì)量較好，泡孔細(xì)膩均勻，表觀密度為 0.12～0.16 g/cm3，發(fā)泡倍率為5～8倍，壓縮強(qiáng)度為0.32～0.50 MPa，吸水率為4.2 %～8.7 %。

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Production Process of Resinous Foam Material Made From Poplar Wood Powder

ZHENG Jiayan1, CHU Chenghao2, SUN Fengwen1

With poplar wood powder as raw material, the liquefied resin was prepared by liquefaction experiment system and then the resin was used to foam by low temperature foaming system. In addition，the effects of foaming temperature, viscosity and solid mass fraction of resin, surfactant, curing agent and foaming agent dosage and kinds on preparation process were studied. The results showed that the appropriate viscosity of resin was about 6 000 mPa/s with the solid mass fraction of 75 % and the foaming temperature was set at 75 ℃, with Twain-80 and OP-10(mass ratio of 1∶1) as surfactant,n-pentane as foaming agent and 1,4-butyrolactone as curing agent at the dosages of 8 %-12 %. Under these conditions, the foaming process was stable and the pore of foaming material was fine and even. What’s more, the foaming material had high percentage of close area, good surface quality, low density(0.12-0.16 g/cm3) and high foaming ratio(5-8).

poplar liquefication;foaming material;production process

TQ35

A

1673-5854(2017)05-0015-08

(1. Bamboo Engineering Research and Development Center of State Forestry Administration,Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China； 2. Nanjing Forestry University(Siyang) Poplar Wood Processing and Utilization Technology Research Institute, Siyang 223700, China)

10.3969/j.issn.1673-5854.2017.05.003

2016- 07- 07

江蘇省科技支撐計(jì)劃(BE2012425)；江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新基金項(xiàng)目(BY2011013)

鄭家妍(1989— )，女，江蘇南京人，碩士，主要研究方向?yàn)槟静母男怨に?/p>

*通訊作者：孫豐文，男，研究員，主要從事木材科學(xué)與技術(shù)研究；E-mail:sunfw2188@163.com。