木质素基PF泡沫的发泡工艺与性能

魏巍

(潍坊科技学院化工与环境学院，山东寿光 262700)

木质素基PF泡沫的发泡工艺与性能

魏巍

(潍坊科技学院化工与环境学院，山东寿光 262700)

利用低廉的木质素部分取代苯酚制备木质素基酚醛树脂(PF)泡沫，采用正交试验对木质素基PF发泡工艺进行了研究，研究了表面活性剂(吐温–80)用量、发泡剂(正戊烷)用量、发泡温度三个因素对木质素基PF泡沫性能的影响，从而优化发泡工艺。实验结果表明，对木质素基PF泡沫的极限氧指数(LOI)和导热系数影响最大的是发泡温度，而对于压缩强度影响最大的是表面活性剂用量。木质素基PF泡沫的最佳发泡工艺为：表面活性剂(吐温–80)用量为8%、发泡剂(正戊烷)用量为12%，发泡温度为90℃，所得泡沫具有较好的热稳定性，其LOI为39%，压缩强度为0.32 MPa，导热系数为0.025 W／(m·K)。

木质素；酚醛泡沫；发泡工艺；保温材料

酚醛树脂(PF)泡沫具有低导热性、阻燃、高效保温、低吸水性及低烟、无毒等优点，在建筑保温材料行业受到广泛关注[1]，但易脆性、成本高等缺点限制了其推广应用[2–6]。在PF中添加天然橡胶、丁腈橡胶等外部挠性剂，可提高PF泡沫的韧性，但却降低了材料的耐热性。研究表明，在PF及其泡沫的制备过程中采取木质素部分取代苯酚[7–10]，可以改善韧性，降低PF泡沫的成本。木质素具有酚类化合物的性质，且可再生降解，资源储量丰富，是较有前景的苯酚替代物[8]，但在实际工业生产过程中利用较少，这是因为木质素结构复杂，反应活性低，对木质素的研究应用还不够深入[9–15]。为降低PF泡沫成本，利用低廉的木质素部分取代苯酚制备PF泡沫，研究木质素基PF泡沫发泡工艺，考察表面活性剂、发泡剂、发泡温度等因素对PF泡沫性能的影响，以及研究木质素取代苯酚含量对材料耐热性的影响，为木质素基PF泡沫工业生产提供技术参考，同时利于木质素基PF泡沫保温材料的推广应用。

1 实验部分

1.1 主要原材料

苯酚：分析纯，天津市博迪化工有限公司；

木质素：工业品，天津福晨化学试剂厂；

多聚甲醛：分析纯，济南创世化工有限公司；

吐温–80、磷酸、氢氧化钠、正戊烷、浓硫酸、盐酸、对甲苯磺酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 主要仪器与设备

旋转黏度计：NDJ–99型，上海昌吉地质仪器有限公司；

极限氧指数(LOI)仪：Im-YZ2000型，天津英贝尔科技有限公司；

导热系数测定仪：IMDRY3001–X型，天津英贝尔科技有限公司；

万能力学试验机：WDW–10型，扬州华辉检测仪器有限公司；

热重(TG)分析仪：NETZSCH4型，德国耐驰仪器制造有限公司。

1.3 实验方法

(1)木质素基PF的合成。

依次加入一定量的苯酚、浓硫酸和木质素于配有回流冷凝器和搅拌装置的三口烧瓶中，在70℃酚化改性1 h后，加入50%氢氧化钠水溶液，调节pH值至9～10，继续反应30 min，将温度降至50℃，然后加入多聚甲醛的75%，在55～70℃下反应1 h，加入剩余的多聚甲醛，升温至85℃后缩合80 min，最后用稀盐酸中和至pH值为6～7之间，反应到黏度为25 Pa·s左右时冷却出料。苯酚、木质素、多聚甲醛的物质的量之比为1∶0.3∶0.7。实验中木质素取代苯酚质量的30%。

(2)木质素基PF泡沫的制备。

称取100份木质素基PF，依次加入6～10份的吐温–80，8～16份正戊烷，搅拌均匀，再加入15份固化催化剂(其组成为2份对甲苯磺酸、1份磷酸、2份水)，迅速搅拌均匀后倒入发泡模具中，在烘箱(70～90℃)中加热发泡，固化成型后取出冷却，脱模并切割制备测试试样。

笔者选择表面活性剂(吐温–80)用量(为PF质量的6%～10%)、发泡剂(正戊烷)用量(为PF质量的8%～16%)、发泡温度(70～90℃)等三个可变因素，利用正交表L9(34)，因素水平表见表1，以木质素基PF泡沫的LOI、压缩强度和导热系数作为评价指标，考察各因素对木质素基PF泡沫性能的影响，从而优化发泡工艺。

表1 因素水平表

1.4 性能测试

PF黏度测试：测试温度为25℃；

LOI按GB／T 2406.2–2008测试；

导热系数按GB／T 10294–2008测试；

压缩强度按GB／T 8813–2008测试，压缩速率为5 mm／min，每组测试5个样品，取平均值，样品尺寸50 mm×50 mm×50 mm；

TG分析：升温速率为10℃／min，测试范围为50～800℃，气体为高纯氮气，气体流量为50 mL／min。

2 结果与讨论

2.1 发泡工艺对木质酚醛泡沫性能的影响

表2为制备的木质素基PF的性能。

表2 木质素基PF的性能

选取黏度为25 Pa·s的木质素基PF 100份，依次加入6～10份吐温–80，8～16份正戊烷，搅拌均匀。笔者在保持固化催化剂用量为15份、发泡时间为30 min的前提下，考察表面活性剂用量(A)、发泡剂用量(B)、发泡温度(C)三个可变因素在不同水平下对LOI、压缩强度、导热系数的影响，结果列于表3。由表3可以看出，对木质素基PF泡沫的LOI和导热系数的影响顺序是一致的，即发泡温度＞表面活性剂＞发泡剂；而对于压缩强度的影响顺序则是：表面活性剂＞发泡温度＞发泡剂，较优水平为A2B1C3。

表3 正交试验结果

对于木质素基PF泡沫的LOI和导热系数，影响其最大的因素是发泡温度，且二者优化水平是一致的。因为发泡温度决定了PF发泡速度，随着温度升高，树脂发泡速率越快，泡沫密度和强度越小；而表面活性剂能够降低表面张力，促进树脂和其它组分如发泡剂、固化催化剂充分混合，使得泡沫均匀细腻，因此所得PF泡沫压缩强度高。综合考虑，PF发泡的最佳工艺条件为：A2B2C3，即表面活性剂(A)用量为8%、发泡剂(B)用量为12%、发泡温度(C)为90℃，所得PF泡沫的LOI为39%，压缩强度为0.32 MPa，导热系数为0.025 W／(m·K)。

2.2 木质素基PF对发泡体的影响

利用木质素基PF的合成方法制备出不同黏度(5，10，20，30，40，50 Pa·s)的木质素基PF，再根据正交试验结果，按最优发泡工艺条件，考察木质素基PF黏度对发泡的影响。

表4 不同黏度木质素基PF的发泡情况

实验表明，当树脂黏度低于5 Pa·s时，树脂不能发泡；当树脂黏度在5～10 Pa·s时，树脂的活性较高，树脂起泡时间很短，树脂发泡固化时间增大，这是因为泡沫出现烧心现象，内部中空，并且树脂黏度小，难以束缚住气泡，气泡容易溢出形成大孔；当树脂黏度在20～30 Pa·s时，因为黏度大的树脂交联程度大，因此固化时间变短；而当树脂黏度高于30 Pa·s时，难搅拌，树脂发泡率低。这是因为搅拌困难导致物料混合不均匀，高黏度使发泡剂在未完全气化挥发时就固化，因此泡沫膨胀率小。根据表4结果，木质素基PF的黏度在25 Pa·s左右时，泡沫固化成型时间相对较短，泡沫均匀细腻，密度和强度适中，所得泡沫体的表观质量较好。

2.3 木质素基PF泡沫热稳定性分析

不同木质素取代苯酚含量下PF泡沫的TG曲线如图1所示。

图1 不同木质素取代苯酚含量下PF泡沫的TG曲线

由图1可以看出，木质素基PF泡沫的热稳定性随着木质素含量的增加而降低。在第一失重阶段为200℃以内，主要是游离的酚、甲醛以及水分子逸出，PF泡沫失重率在10%左右；第二失重阶段为200～400℃，主要是树脂固化形成的醚键断裂同时释放出水；第三失重阶段为400～600℃，木质素骨架开始降解，并且木质素取代苯酚量多的PF泡沫失重增加；第四失重阶段为600～800℃，泡沫结构在高温下被破坏，泡沫的残留量均在45%以上，说明材料具有很好的热稳定性。

3 结论

(1)正交试验结果证明，对木质素基PF泡沫的LOI和导热系数的影响顺序是：发泡温度＞表面活性剂＞发泡剂；而对压缩强度的影响顺序则是：表面活性剂＞发泡温度＞发泡剂。

(2)确定的木质素基PF最佳发泡工艺为：表面活性剂(吐温–80)用量为8%、发泡剂(正戊烷)用量为12%，发泡温度为90℃，所得木质素基PF泡沫的LOI为39%，压缩强度0.32 MPa，导热系数0.025 W／(m·k)。

(3)木质素基PF的黏度在25 Pa·s左右，泡沫的固化成型时间相对较短，泡沫均匀细腻，密度和强度适中，所得泡沫体的表观质量较好。

(4)木质素基PF泡沫的热稳定性随木质素含量的增加而降低。

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Foaming Process and Properties of Lignin Based PF Foams

Wei Wei
(Chemical Engineering and Environmental College， Weifang University of Science and Technology， Shouguang 262700，China)

Lignin based phenolic resin (PF) foams were prepared by low lignin partial substitution of phenol，the foaming process of lignin based PF foam was studied by the orthogonal experiment. The amount of surfactants (Tween–80)，the amount of foaming agent (n-pentane)，foaming temperature on effects of the properties of lignin based PF foam，so as to optimize the foaming process. The experimental results show that the most important influence on the limit oxygen index (LOI) and thermal conductivity of lignin based PF foams is the foaming temperature，the greatest impact on compressive strength is the amount of surfactant. The optimum foaming process are as follows：the surfactant (Tween–80) content is 8%，the n-pentane content is 12%，the foaming temperature is 90℃，the obtained lignin based PF foam has good thermal stability the LOI is 39%，the compressive strength is 0.32 MPa and thermal conductivity is 0.025 W／(m·K).

lignin；phenolic foam；foaming process；insulation material

TQ323.1

A

1001-3539(2016)12-0068-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.013

联系人：魏巍，硕士，讲师，主要从事化学工程教学与科研工作

2016-09-20