輕質(zhì)阻燃酚醛泡沫材料的制備與構(gòu)效關(guān)系研究(摘要)

馬玉峰 (1.中國林業(yè)科學研究院，北京 100091;2.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所，江蘇 南京 210042)

針對可發(fā)性酚醛樹脂及酚醛泡沫存在的問題，本文作者采用新型不脫水工藝，直接合成了固含量在70%～85%的可發(fā)性高固含甲階酚醛樹脂。分析了甲醛/苯酚(F/P)物質(zhì)的量之比和催化劑種類對樹脂性能的影響;討論了酚醛泡沫制備工藝，建立了酚醛泡沫表觀密度-力學性能模型;采用木質(zhì)纖維表面處理方法制備纖維復合酚醛泡沫;采用無鹵阻燃系統(tǒng)制備阻燃改性的酚醛泡沫;采用酸化處理方法制備無機復合酚醛泡沫。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:

1.高固含甲階酚醛樹脂的制備及性能研究 采用NaOH為催化劑，研究了F/P物質(zhì)的量之比對高固含甲階酚醛樹脂性能的影響。研究表明，當F/P物質(zhì)的量之比2.0時，樹脂的性能較優(yōu)。黏度為2 567 mPa·s，固體含量為79.25%，凝膠時間為725 s，游離苯酚含量為3.01%，游離甲醛含量為0.86%，羥甲基濃度為36.56%。樹脂在600℃殘?zhí)苛侩S著F/P物質(zhì)的量之比的增加而逐漸降低。固化動力學分析表明，低F/P物質(zhì)的量之比的高固含甲階酚醛樹脂擁有較高的Ea值。并且5種樹脂的固化反應級數(shù)都為非整數(shù)。

2.催化劑對酚醛樹脂及泡沫性能的影響 采用氫氧化鋇(Ba(OH)2)、三乙胺［(C2H5)3N］和氫氧化鈉(NaOH)為催化劑，研究催化劑對樹脂性能的影響。研究表明，3種催化劑的催化效率依次為:NaOH＞(C2H5)3N＞Ba(OH)2。以NaOH為催化劑制備的酚醛樹脂和泡沫的性能較優(yōu)。以其為催化劑制備的酚醛樹脂的黏度為8 625 mPa·s，固體含量為79.88%，游離苯酚和甲醛分別為3.36%、0.5%，凝膠時間為397 s，殘?zhí)苛?900℃)為59.31%;泡沫的壓縮及彎曲強度分別為0.24 MPa、0.39 MPa，掉渣率為11.1%，極限氧指數(shù)為44.5%，初始分解溫度為107℃，泡孔直徑維持在100～200 μm的范圍內(nèi)。

3.酚醛泡沫的制備工藝及其密度-力學性能模型研究 采用聚山梨酯-80為表面活性劑、石油醚為發(fā)泡劑、混合酸為固化劑制備酚醛泡沫，研究表面活性劑、發(fā)泡劑和固化劑的添加量對酚醛泡沫性能的影響。研究表明，適宜的表面活性劑、發(fā)泡劑添加量分別為樹脂質(zhì)量的10%和5%，適宜的固化劑為以鹽酸/磷酸/對甲苯磺酸/水復配的酸固化劑，且適宜的添加量為樹脂質(zhì)量的15%。建立的酚醛泡沫密度-力學性能模型指數(shù)值基本接近于簡化的Gibson-Ashby公式中的指數(shù)。

4.酚醛泡沫發(fā)泡模型分析 采用聚山梨酯-80為表面活性劑、石油醚為發(fā)泡劑、混合酸為固化劑制備酚醛泡沫。通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到的不同表面活性劑添加量、發(fā)泡劑、固化劑及發(fā)泡溫度與發(fā)泡速度和泡沫平均泡孔直徑的關(guān)系模型，對于酚醛泡沫制備工藝條件的優(yōu)化具有一定的指導意義。

5.無鹵阻燃劑協(xié)同阻燃酚醛泡沫復合材料性能研究 采用多聚磷酸銨(APP)為阻燃劑，季戊四醇(PER)為成炭劑，氧化鋅(ZnO)、三氧化鉬(MoO3)、氯化亞銅(CuCl2)、氯化亞錫(SnCl2)為協(xié)效劑，分別組成4種阻燃系統(tǒng)，研究協(xié)同阻燃系統(tǒng)對復合泡沫的阻燃性能的影響。研究表明，4種阻燃系統(tǒng)均能顯著提高復合酚醛泡沫的氧指數(shù)，復合酚醛泡沫的極限氧指數(shù)基本都維持在73%左右，而阻燃系統(tǒng)對復合泡沫的熱穩(wěn)定性影響不是很顯著。4種阻燃體系復合酚醛泡沫的熱釋放速率、平均熱釋放、總熱釋放、有效燃燒熱、耗氧量、總氧消耗、一氧化碳產(chǎn)量和一氧化碳產(chǎn)率顯著降低，但是比消光面積和總煙產(chǎn)率卻顯著提高。阻燃系統(tǒng)在泡沫中的阻燃機理是屬于氣相阻燃機理。在所有阻燃系統(tǒng)中，APP/PER/ZnO是一種比較適合作為酚醛泡沫阻燃改性的阻燃系統(tǒng)。

6.纖維表面改性及其復合酚醛泡沫性能研究 采用堿、偶聯(lián)劑和堿與偶聯(lián)劑復合處理的方法對木質(zhì)纖維進行表面改性，制備纖維復合酚醛泡沫，研究纖維改性對酚醛泡沫性能的影響。研究表明，處理后的纖維復合泡沫的強度都較未處理纖維復合泡沫有不同程度的提高，尤其以氫氧化鈉與硅烷偶聯(lián)劑A-171復合處理方法和硅烷偶聯(lián)劑KH-792處理方法處理后的纖維復合泡沫的各項性能較優(yōu)。處理后的纖維復合泡沫的極限氧指數(shù)較未處理纖維復合泡沫都有不同程度的降低。

7.無機復合酚醛泡沫制備及性能研究初探 采用15%磷酸對粉煤灰和膨潤土進行酸化處理，制備無機復合酚醛泡沫，研究無機材料酸化處理及其添加量對復合酚醛泡沫性能的影響。研究表明，酸化處理后的無機材料復合泡沫的強度都較未酸化處理的無機材料復合泡沫有不同程度的提高，經(jīng)過酸化處理的無機復合泡沫的泡孔較小，泡孔分布較為均勻，尤其酸化處理的粉煤灰復合泡沫的各項性能較優(yōu)。但無機復合泡沫的極限氧指數(shù)較酚醛泡沫都有不同程度的降低。

高固含甲階酚醛樹脂;泡沫材料;纖維改性;無鹵阻燃;發(fā)泡模型