酚醛樹脂復(fù)合材料在軌道交通車輛上的應(yīng)用

張國玉 王 雷

(中車長春軌道客車股份有限公司沖壓件分公司，130062，長春//第一作者，高級(jí)工程師)

酚醛樹脂復(fù)合材料是通過酚醛樹脂預(yù)浸料、泡沫預(yù)浸料及紙蜂窩三者熱壓復(fù)合而成的“三明治”復(fù)合材料，其主要特點(diǎn)為耐腐蝕、密度輕及高阻燃性。目前,以酚醛樹脂為基體的“三明治”復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)為“酚醛樹脂復(fù)合材料”)作為輕質(zhì)、防火的保溫材料，主要應(yīng)用于車輛的內(nèi)部裝飾，如窗板、頂板等。隨著我國對(duì)高性能保溫材料的需求逐漸增大，酚醛樹脂復(fù)合材料將會(huì)在軌道交通領(lǐng)域獲得突破性的發(fā)展。

1 酚醛樹脂復(fù)合材料試制

酚醛樹脂復(fù)合材料的主要原材料，如表1所示。

表1 主要試制原材料

酚醛樹脂復(fù)合材料試制的主要設(shè)備及儀器，如表2所示。

表2 主要設(shè)備及儀器

酚醛樹脂復(fù)合材料的試制流程為：開工點(diǎn)檢→材料鋪疊→熱壓合成→取出料件→釋放應(yīng)力→測(cè)試性能。

酚醛樹脂復(fù)合材料采用GB 6343—1986《泡沫塑料和橡膠 表觀密度的測(cè)定》進(jìn)行成品密度測(cè)試，采用ABD 0031《空客飛機(jī)標(biāo)準(zhǔn)：燃燒煙霧和氣體毒性要求》進(jìn)行燃燒性能測(cè)試，采用ISO 178—2010《塑料彎曲強(qiáng)度測(cè)試》及BS EN 2243-3—2005《蜂窩板剝離強(qiáng)度測(cè)試》進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試。

2 “三明治”復(fù)合材料在軌道交通車輛上的應(yīng)用

2.1 酚醛樹脂復(fù)合材料的性能

1) 氧指數(shù)。材料的臨界氧指數(shù)是其難燃性的表征[1]。臨界氧指數(shù)值越大，越不易燃燒，難燃性越好。一般認(rèn)為氧指數(shù)>27.0%屬難燃材料。表3為酚醛樹脂復(fù)合材料的阻燃性。由表3可知，酚醛樹脂復(fù)合材料的臨界氧指數(shù)高達(dá)45.0%，說明該材料的隔熱、阻燃性能較為優(yōu)秀。其主要原因是，酚醛樹脂分子中含有大量苯環(huán)，碳原子的比例較高，在高溫下易于碳化，因此其臨界氧指數(shù)較高。

表3 酚醛樹脂復(fù)合材料的阻燃性

2) 燃燒性能。 酚醛樹脂復(fù)合材料的燃燒性能如表4所示。

表4 酚醛樹脂復(fù)合材料的燃燒性能

3) 機(jī)械性能。酚醛樹脂復(fù)合材料的機(jī)械性能如表5所示。

表5 酚醛樹脂復(fù)合材料的機(jī)械性能

4) 酚醛樹脂復(fù)合材料的低密度為36.33 kg/m3。

2.2 熱壓時(shí)間對(duì)酚醛樹脂復(fù)合材料性能的影響

為了研究熱壓時(shí)間變化對(duì)酚醛樹脂復(fù)合材料性能的影響，在熱壓溫度不變的條件下，改變熱壓時(shí)間進(jìn)行試制，其結(jié)果見表6。

由表6可以看出，隨著熱壓時(shí)間的延長，酚醛樹脂的固含量逐漸增大。酚醛樹脂熱壓復(fù)合在短時(shí)間內(nèi)，甲醛和苯酚主要發(fā)生加成反應(yīng)，生成大量的羥甲基苯酚，因此熱壓復(fù)合時(shí)間為0.7 h，得到的樹脂不能形成微泡結(jié)構(gòu)[2]；隨著熱壓復(fù)合時(shí)間的延長，苯酚與羥甲基發(fā)生縮聚反應(yīng)，導(dǎo)致分子量增大，樹脂的黏度和固含量隨之增大，樹脂的活性降低。熱壓復(fù)合時(shí)間控制在1.1～1.4 h時(shí)，樹脂中的固含量較為合適，表面性能良好。其原因是，酚醛縮和反應(yīng)屬于逐步聚合反應(yīng)，在反應(yīng)中逐步形成大分子鏈條，且產(chǎn)物分子量隨時(shí)間的延長而增大。綜上所述，選用熱壓復(fù)合時(shí)間為1.1～1.4 h，酚醛樹脂材料性能較好。

表6 不同反應(yīng)時(shí)間合成的酚醛樹脂材料性能

圖1為酚醛樹脂紅外譜圖。由圖1可知，波數(shù)為834 cm-1和766 cm-1處是苯環(huán)上對(duì)位和鄰位亞甲基C-H的特征吸收峰；2 760～2 890 cm-1處小寬雙峰，是-CH2-的伸縮振動(dòng)吸收峰；1 589 cm-1和1 456cm-1處則是苯環(huán)C=C雙鍵的振動(dòng)吸收峰；3 218 cm-1處的寬峰是酚醛樹脂中-OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)吸收峰，該段平滑過渡，表明酚醛樹脂中含有大量的-OH基團(tuán)締合。

圖1 酚醛樹脂紅外譜圖

2.3 熱壓溫度對(duì)酚醛樹脂復(fù)合材料性能的影響

熱壓溫度對(duì)酚醛樹脂體系的反應(yīng)速度及表面質(zhì)量有著重要的影響。隨著熱壓溫度的逐漸增加，得到各種表面質(zhì)量的復(fù)合材料。熱壓溫度低于50 ℃時(shí)，樹脂固化速度與反應(yīng)劑汽化速度無法同步，導(dǎo)致復(fù)合材料的表面質(zhì)量不均勻，甚至出現(xiàn)大泡孔；熱壓溫度為80～100 ℃時(shí)，樹脂固化速度和反應(yīng)劑汽化速度相匹配，可以得到表面質(zhì)量細(xì)膩均勻的復(fù)合材料；熱壓溫度高于100 ℃時(shí)，反應(yīng)劑汽化速度超過樹脂固化速度，導(dǎo)致樹脂包裹不住氣泡，相鄰泡孔之間容易并孔而形成大泡孔，制備的復(fù)合材料出現(xiàn)泡孔粗大、泡孔有空洞的現(xiàn)象。因此，熱壓溫度應(yīng)控制在80～100 ℃。

2.4 調(diào)整生產(chǎn)工藝對(duì)酚醛樹脂復(fù)合材料的影響

改進(jìn)料件的鋪疊工藝可以提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。例如，和諧號(hào)列車的托板因改變鋪疊工藝，減少了泡沫預(yù)浸料3/4的使用量，同時(shí)提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1) 酚醛樹脂復(fù)合材料的臨界氧指數(shù)達(dá)45.0%,且在明火燃燒過程中未出現(xiàn)熔化、滴落、卷曲等現(xiàn)象，火焰中表面逐漸結(jié)碳。

2) 酚醛樹脂材料在熱壓反應(yīng)過程中隨時(shí)間的延長，樹脂的固含量逐漸增大；反應(yīng)時(shí)間控制在1.1～1.4 h時(shí)，樹脂的固含量較為合適，復(fù)合材料的表面性能良好。

3) 酚醛樹脂的熱壓時(shí)間對(duì)反應(yīng)速度有重要影響。隨著熱壓溫度的改變，復(fù)合材料的表面質(zhì)量有所不同。熱壓溫度為80～100 ℃時(shí)，可以得到表面質(zhì)量細(xì)膩均勻的復(fù)合材料。

4) 改進(jìn)的生產(chǎn)工藝可以提高酚醛樹脂的產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本。