酚醛树脂复合材料在轨道交通车辆上的应用

张国玉 王 雷

(中车长春轨道客车股份有限公司冲压件分公司，130062，长春//第一作者，高级工程师)

酚醛树脂复合材料是通过酚醛树脂预浸料、泡沫预浸料及纸蜂窝三者热压复合而成的“三明治”复合材料，其主要特点为耐腐蚀、密度轻及高阻燃性。目前,以酚醛树脂为基体的“三明治”复合材料(以下简为“酚醛树脂复合材料”)作为轻质、防火的保温材料，主要应用于车辆的内部装饰，如窗板、顶板等。随着我国对高性能保温材料的需求逐渐增大，酚醛树脂复合材料将会在轨道交通领域获得突破性的发展。

1 酚醛树脂复合材料试制

酚醛树脂复合材料的主要原材料，如表1所示。

表1 主要试制原材料

酚醛树脂复合材料试制的主要设备及仪器，如表2所示。

表2 主要设备及仪器

酚醛树脂复合材料的试制流程为：开工点检→材料铺叠→热压合成→取出料件→释放应力→测试性能。

酚醛树脂复合材料采用GB 6343—1986《泡沫塑料和橡胶 表观密度的测定》进行成品密度测试，采用ABD 0031《空客飞机标准：燃烧烟雾和气体毒性要求》进行燃烧性能测试，采用ISO 178—2010《塑料弯曲强度测试》及BS EN 2243-3—2005《蜂窝板剥离强度测试》进行机械性能测试。

2 “三明治”复合材料在轨道交通车辆上的应用

2.1 酚醛树脂复合材料的性能

1) 氧指数。材料的临界氧指数是其难燃性的表征[1]。临界氧指数值越大，越不易燃烧，难燃性越好。一般认为氧指数>27.0%属难燃材料。表3为酚醛树脂复合材料的阻燃性。由表3可知，酚醛树脂复合材料的临界氧指数高达45.0%，说明该材料的隔热、阻燃性能较为优秀。其主要原因是，酚醛树脂分子中含有大量苯环，碳原子的比例较高，在高温下易于碳化，因此其临界氧指数较高。

表3 酚醛树脂复合材料的阻燃性

2) 燃烧性能。 酚醛树脂复合材料的燃烧性能如表4所示。

表4 酚醛树脂复合材料的燃烧性能

3) 机械性能。酚醛树脂复合材料的机械性能如表5所示。

表5 酚醛树脂复合材料的机械性能

4) 酚醛树脂复合材料的低密度为36.33 kg/m3。

2.2 热压时间对酚醛树脂复合材料性能的影响

为了研究热压时间变化对酚醛树脂复合材料性能的影响，在热压温度不变的条件下，改变热压时间进行试制，其结果见表6。

由表6可以看出，随着热压时间的延长，酚醛树脂的固含量逐渐增大。酚醛树脂热压复合在短时间内，甲醛和苯酚主要发生加成反应，生成大量的羟甲基苯酚，因此热压复合时间为0.7 h，得到的树脂不能形成微泡结构[2]；随着热压复合时间的延长，苯酚与羟甲基发生缩聚反应，导致分子量增大，树脂的黏度和固含量随之增大，树脂的活性降低。热压复合时间控制在1.1～1.4 h时，树脂中的固含量较为合适，表面性能良好。其原因是，酚醛缩和反应属于逐步聚合反应，在反应中逐步形成大分子链条，且产物分子量随时间的延长而增大。综上所述，选用热压复合时间为1.1～1.4 h，酚醛树脂材料性能较好。

表6 不同反应时间合成的酚醛树脂材料性能

图1为酚醛树脂红外谱图。由图1可知，波数为834 cm-1和766 cm-1处是苯环上对位和邻位亚甲基C-H的特征吸收峰；2 760～2 890 cm-1处小宽双峰，是-CH2-的伸缩振动吸收峰；1 589 cm-1和1 456cm-1处则是苯环C=C双键的振动吸收峰；3 218 cm-1处的宽峰是酚醛树脂中-OH基团的伸缩振动吸收峰，该段平滑过渡，表明酚醛树脂中含有大量的-OH基团缔合。

图1 酚醛树脂红外谱图

2.3 热压温度对酚醛树脂复合材料性能的影响

热压温度对酚醛树脂体系的反应速度及表面质量有着重要的影响。随着热压温度的逐渐增加，得到各种表面质量的复合材料。热压温度低于50 ℃时，树脂固化速度与反应剂汽化速度无法同步，导致复合材料的表面质量不均匀，甚至出现大泡孔；热压温度为80～100 ℃时，树脂固化速度和反应剂汽化速度相匹配，可以得到表面质量细腻均匀的复合材料；热压温度高于100 ℃时，反应剂汽化速度超过树脂固化速度，导致树脂包裹不住气泡，相邻泡孔之间容易并孔而形成大泡孔，制备的复合材料出现泡孔粗大、泡孔有空洞的现象。因此，热压温度应控制在80～100 ℃。

2.4 调整生产工艺对酚醛树脂复合材料的影响

改进料件的铺叠工艺可以提高产品质量、降低成本和劳动强度。例如，和谐号列车的托板因改变铺叠工艺，减少了泡沫预浸料3/4的使用量，同时提高了产品的强度。

3 结论

1) 酚醛树脂复合材料的临界氧指数达45.0%,且在明火燃烧过程中未出现熔化、滴落、卷曲等现象，火焰中表面逐渐结碳。

2) 酚醛树脂材料在热压反应过程中随时间的延长，树脂的固含量逐渐增大；反应时间控制在1.1～1.4 h时，树脂的固含量较为合适，复合材料的表面性能良好。

3) 酚醛树脂的热压时间对反应速度有重要影响。随着热压温度的改变，复合材料的表面质量有所不同。热压温度为80～100 ℃时，可以得到表面质量细腻均匀的复合材料。

4) 改进的生产工艺可以提高酚醛树脂的产品质量、降低生产成本。