建筑保温材料用酚醛泡沫的改性与性能

潘　雯

（重庆工商职业学院建筑工程学院，重庆 400030）

建筑保温材料用酚醛泡沫的改性与性能

潘雯

（重庆工商职业学院建筑工程学院，重庆 400030）

在苯酚、甲醛的聚合体系中添加硼酸和碳纤维，通过正己烷发泡剂的方法制备了硼改性和碳纤维复合的酚醛泡沫材料。利用傅立叶变换红外光谱仪、微控电子万能试验仪、冲击试验机、热失重分析仪等对酚醛泡沫的结构特性、力学性能和抗氧化性能进行表征与分析。研究结果表明，当表面活性剂吐温80的用量为4%～6%，发泡剂正己烷的用量为5%左右时，酚醛泡沫具有均一的孔结构和较高的表观密度；在反应体系中添加硼酸和碳纤维可改善酚醛泡沫材料的性能，添加7.2%含量的硼使得酚醛树脂具有最高的抗氧化性能，添加30%含量的碳纤维增强了酚醛泡沫材料的弯曲强度和冲击强度，其值分别达到132 MPa和52 kJ/m2。

酚醛树脂；表面活性剂；发泡剂；碳纤维；建筑保温

酚醛泡沫是通过对液态的由甲醛和苯酚经碱催化条件下发生缩聚得到的热固相酚醛树脂中添加发泡剂、固化剂和其它改性试剂，通过控制反应温度，发泡制备得到的［1］。在建筑外墙保温材料应用领域中，酚醛泡沫塑料具有优良的抗燃烧性、耐高温性能和保温性能等，成为研究的热点和使用的首选材料［2］。酚醛泡沫的阻燃性能好于聚氨酯泡沫等其它有机保温材料，其极限氧指数可到40%～60%，燃烧级别为B1级难燃材料～A级不燃材料。25 mm厚度以上的酚醛泡沫板，经1 700℃的火焰喷射10 min左右，只发生无火焰的灼烧和阻燃，泡沫板不会被烧穿，只是表面发生炭化，能够有效地防止火灾的发生和蔓延。酚醛泡沫结构呈现蜂窝状，孔结构由闭孔和开孔两种类型。通常使用闭孔率来表征酚醛泡沫的闭孔和开孔情况，这一数值的高低影响材料的导热系数和吸水率，闭孔率越高其泡沫内部的静止空气越多，保温性能越好［3］。同时，泡沫孔结构的大小和孔径分布也会影响其结构力学方面的如压缩、弯曲和拉伸性能，是影响酚醛泡沫材料性能的关键因素［4-6］。但是酚醛泡沫的脆性大，容易掉渣，导致其力学强度较差［7-10］，同时，为了进一步提高酚醛泡沫的耐热性能，均需要对酚醛树脂进行改性处理，以制备力学性能和耐热性优异的酚醛泡沫材料。

笔者在苯酚、甲醛的聚合体系中添加硼酸和碳纤维，通过正己烷发泡剂的方法制备了硼改性和碳纤维复合的酚醛泡沫材料。利用傅立叶变换红外光谱（FTIR）仪、微控电子万能试验仪、冲击试验机、热失重（TG）分析仪等对酚醛泡沫的结构特性、力学性能和抗氧化等性能进行表征与分析。

1 　实验部分

1.1 主要原材料

苯酚、甲醛、硼酸、氢氧化钠、吐温80、正戊烷、硫酸、对甲基苯磺酸：国药集团化学试剂有限公司；

碳纤维：上海华谊集团华原化工有限公司。

1.2 主要设备及仪器

FTIR仪：TENSOR27型，安和盟天津科技发展有限公司；

微控电子万能试验机：RGD-5型，瑞格仪器有限公司；冲击试验机：XJU-23型，瑞格仪器有限公司；TG分析仪：STA449C型，德国耐驰仪器有限公司。

1.3 试样制备

将酚醛树脂倒入反应釜中，加入一定量的硼酸，并且加入表面活性剂吐温80以及发泡剂正戊烷，搅拌均匀，加入固化剂硫酸和对甲基苯磺酸（1∶1质量比，质量浓度均为50%），然后采用一定温度进行发泡和固化并脱模，制备得到酚醛泡沫材料。在酚醛树脂中添加不同质量分数的碳纤维，采用相同的制备方法，即可得到碳纤维增强酚醛泡沫材料。

2 　结果与讨论

2.1 表面活性剂对酚醛泡沫的影响

保持正戊烷用量为12%，固化剂用量为20%，温度为70℃，考查吐温80用量（2%，4%，6%，8%，10%）对酚醛泡沫表观密度和压缩强度的影响，表1为不同表面活性剂含量时酚醛泡沫的表观密度和压缩强度。通常通过降低表面张力来改善物料之间的相容性，提高物料的分散均匀性。

表1　 不同表面活性剂含量时酚醛泡沫的表观密度和压缩强度

从表1可以看出，当表面活性剂含量为2%时，酚醛树脂各物料之间的表面张力较大，固化过程中泡沫的稳定性较低，会发生泡沫破裂，酚醛泡沫的表观密度较大（为38.5 kg/m3）。增加表面活性剂的量，当其含量为4%～6%时，酚醛树脂与其它添加剂之间的表面张力变小，各物料的分散性较好，体系中泡沫成核稳定，充分发泡，并且泡沫均匀，表观密度降低到31.5～32 kg/m3；当表面活性剂含量为8%～10%时，表观密度略有降低，过多的表面活性剂起到了发泡剂的作用。随着表面活性剂含量的增多，表观密度降低，同时其压缩强度也降低。从表1可见，当表面活性剂含量高于6%以上时，压缩强度明显降低，说明过多的表面活性剂含量，会导致泡沫强度明显降低，而且浪费原料。当表面活性剂含量在4%～6%时，压缩强度基本维持在145 kPa左右，说明表面活性剂充分起到了分散反应体系组分的作用，泡沫孔径分布均匀，压缩强度也较高。综上所述，当表面活性剂用量在4%～6%时，体系各反应组分分散性良好，泡沫结构均匀稳定，因而具有优异的表面密度和压缩强度。

2.2 发泡剂对酚醛泡沫的影响

保持固化剂用量为20%、温度为70℃、吐温80用量为6%，考查发泡剂正己烷的用量对酚醛泡沫表观密度和压缩强度的影响，如图1所示。

图1　 不同发泡剂用量时酚醛泡沫表观密度和压缩强度

从图1可以看出，发泡剂用量与酚醛泡沫的表观密度和压缩强度呈一定的线性关系。当发泡剂用量增加到10%以上时，酚醛泡沫的压缩强度和表观密度明显下降，发泡剂越多，在酚醛树脂发泡初期形成的气泡越多，由于气液界面的表面张力较大，从而导致部分气泡的破裂，酚醛泡沫的骨架结构稳定性降低，因而其压缩强度明显降低。从图中曲线看见，发泡剂用量在5%左右时，制备的酚醛泡沫材料具有较高的压缩强度和合适的表观密度。

2.3 硼添加对酚醛泡沫抗氧化性的影响

硼元素具有良好的抗氧化性能，因而在酚醛树脂中添加硼元素，可以有效提高酚醛泡沫的抗氧化性和抗燃烧性能［11-12］。采用硼酸作为硼源，引入酚醛树脂的聚合反应，硼酸参与的酚醛树脂聚合反应一般经过酯化反应得到中间体硼酸脂，进一步经过聚合反应生成线型大分子聚合物。

保持正戊烷用量为12%、固化剂用量为20%、吐温80用量为6%、温度为70℃，在反应体系中添加不同量的硼酸，制备不同硼含量的硼改性酚酸树脂泡沫。图2为硼改性酚醛树脂的FTIR谱图，从图2可以看出，1 310 cm-1处为B—O的伸缩振动峰，1 009～1 118 cm-1为B—C的伸缩振动峰，证明硼元素成功引入聚合体系。进一步考察硼改性酚醛树脂的抗氧化性能。表2为硼酚醛树脂中硼含量与热性能的关系。

图2　 不同硼含量改性酚醛树脂的FTIR谱图

表2　 硼酚醛树脂中硼含量与热失重性能的关系

从表2可以看出，随着硼含量的增加，酚醛泡沫失重10%～35%的温度逐渐升高，当硼含量为7.2%时，其失重温度最高。对比样品的高温残炭质量百分比，可见当硼含量为7.2%时，其950℃的残炭率为67.2%。结合失重温度和高温残炭率对比，可以看出使用硼对酚醛树脂进行改性，有效提高了酚醛泡沫的抗氧化性能，从而可以有效保证酚醛泡沫在建筑保温领域的使用安全性能。

2.4 碳纤维对酚醛泡沫韧性的影响

保持正戊烷用量为12%、固化剂用量为20%、吐温80用量为6%、温度为70℃，在反应体系中添加不同量的碳纤维，利用碳纤维的韧性和摩擦性能，提高酚醛树脂的抗弯曲强度和冲击强度。表3为不同碳纤维含量时碳纤维增强酚醛泡沫复合材料的力学性能［13-15］。从表3数据可以看出，碳纤维改性后，复合材料的弯曲强度随着碳纤维含量的增加而升高，当复合物中碳纤维含量为30%时，弯曲强度达到132 MPa。碳纤维在酚醛树脂中可以起到分散应力的作用，从而增强了酚醛树脂的弯曲强度。当复合材料中碳纤维含量为30%，其冲击强度达到最大值52 kJ/m2。冲击强度表征了酚醛树脂的抗冲击能力，当在酚醛树脂中添加碳纤维时，由于碳纤维之间的相对滑动性，可以吸收更多的冲击能，因而提高了酚醛树脂复合材料的冲击强度。

表3　 不同碳纤维含量时碳纤维增强酚醛泡沫材料的力学性能

3 　结论

（1）优化酚醛泡沫材料反映体系的组分比例，当表面活性剂用量在4%～6%时，体系各反应组分分散性良好，泡沫结构均匀稳定，因而具有优异的表面密度和压缩强度。

（2）当发泡剂用量在5%左右时，制备的酚醛泡沫具有高的压缩强度和合适的表观密度。

（3）用硼对酚醛树脂进行改性，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）在酚醛树脂反应体系中，添加碳纤维，当碳纤维含量为30%时，复合材料的弯曲强度和冲击强度均达到最高值，说明碳纤维的添加，可以有效提高酚醛泡沫的力学性能。

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杜邦高性能材料事业部全球最大共混工厂在深圳投产

杜邦公司高性能材料事业部位于广东省深圳市光明新区的工程塑料共混工厂不久前正式开业。该工厂是杜邦在全球范围内规模最大的共混工厂，投产后将进一步提高杜邦高性能材料事业部的产能。

该工厂生产的系列杜邦产品包括：Zytel®尼龙树脂、Crastin®聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT树脂、Delrin®均聚聚甲醛树脂、拜牢®（Bynel®）粘合树脂、凡事邦®（Fusabond®）树脂等多元化产品。这些产品主要服务于中国及亚太地区的汽车、工业、消费及包装市场。

作为全球最先进的共混工厂，光明新区新工厂拥有最新的共混技术及多项创新，在提高生产效率的同时，也可以保证产品一贯的高品质。值得一提的是，在挤出设备研发阶段，杜邦公司与制造商密切合作，并开发出一套创新解决方案，加快了不同产品系列之间的切换，从而更加灵活地满足客户对更短交付周期的需求。

“这项投资表明了我们满足客户日益增长的需求的决心和承诺。新工厂的产能更高、面对客户需求的变化更加灵活、反应速度更快。这些技术的进步将为客户提供更优质的产品，并巩固了我们在及时、迅速向客户提供优质产品方面的领先地位。”杜邦高性能材料事业部全球总裁石睿（Randy Stone）先生表示。

新工厂在设计时考虑了后续产能扩充，是杜邦在全球制造网络中规模最大的共混工厂。除了配备提高产量和效率的更大的挤出设备，新工厂从原料仓到挤出机的全自动化水平也得以提高，降低了生产过程中交叉污染的风险，从而最大程度减少可能出现的质量问题，并确保了产品的统一和质量的稳定。此外，新厂在产品包装方面也实现了全自动化。

“中国是杜邦高性能材料事业部最大的市场，而亚洲是我们业务增长最快的地区。新的共混工厂是我们在中国和亚洲的一项重大投资，完善了杜邦全球的生产网络并体现了杜邦对市场的承诺。早在27年前，杜邦就在深圳开始了我们在中国的发展。我们一直致力于通过不断发展杜邦的科技创新能力，为中国积极推进的可持续发展做出贡献。”杜邦公司亚太区总裁苏孝世（Tony Su）先生表示。

（工程塑料网）

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

联系人：潘雯，讲师，主要从事建筑保温材料研究及相关工程管理工作

2016-06-27