酚化腐植酸改性酚醛泡沫材料的制備與性能分析

汪正安，章祥林，童亞軍，蘇 肖

（安徽建筑工業學院材料與化學工程學院，安徽 合肥230022）

酚化腐植酸改性酚醛泡沫材料的制備與性能分析

汪正安，章祥林＊，童亞軍，蘇 肖

（安徽建筑工業學院材料與化學工程學院，安徽 合肥230022）

以特定工藝制備酚化改性腐植酸（PHA），選擇并優化工藝參數從而制成PHA改性酚醛泡沫材料。采用傅里葉紅外分析、熱失重分析、氮吸附和沖擊強度測試等方法對PHA改性酚醛泡沫材料結構和性能進行了分析。結果表明，當PHA含量為40%（質量分數，下同）時，PHA改性酚醛泡沫材料的沖擊強度為5.7kJ/m2，壓縮強度為0.33MPa，極限氧指數為47%，熱導率為0.038W/（m·K），在400℃時的質量保留率為79.1%，各項性能良好，可以替代部分苯酚制備PHA改性酚醛泡沫材料。

酚醛樹脂；酚化腐植酸；泡沫材料；熱導率

0 前言

酚醛泡沫材料是一種較早被合成和應用的保溫絕熱材料，因其具有優良的保溫、隔熱、難燃、自熄、低煙、低毒、遇火無滴落等性能，被廣泛應用于建筑和石油化工領域。目前，由于礦物資源正在減少，合成酚醛樹脂的重要原料苯酚也受到了產量和價格方面的限制［1］。許多科研工作者均在試圖找到合適的苯酚替代品［2－5］，發展苯酚替代品及其衍生物受到人們的廣泛關注。

我國的腐植酸資源分布非常廣泛，主要存在于褐煤、風化煤、泥炭以及江河湖海中。其中褐煤中腐植酸（HA）含量最大，我國已探明的褐煤儲量為1.3×1012t［6］，而易于開采的褐煤、風化煤、泥炭中的HA含量在10%～80%［7］，儲量非常豐富。

HA是一類含有豐富羥基、羧基、羰基、醌基、氨基等活性基團的天然生物質大分子［8］。因其具有類似苯酚的結構，可用來替代部分苯酚合成酚醛樹脂（PF）。但是，由于HA固有的羥基含量不高，反應活性位點相對較少，因此需要預先對HA進行酚化改性以增加其活性基團，酚化改性后HA大分子會發生部分分解，改變其大分子剛性結構，因而有利于提高產品的韌性。

本文用復配堿溶液提純褐煤獲得HA，再經改性制備出PHA，通過選擇并優化工藝參數制成PHA改性酚醛泡沫材料。同時對該材料的結構、物理性能、力學性能、熱性能以及發泡形態等進行表征與測試。

1 實驗部分

1.1 主要原料

苯酚，化學純，西隴化工股份有限公司；

甲醛水溶液，濃度37%，化學純，湖北大學化工廠；

氫氧化鈉溶液，濃度20%，化學純，天津市大茂化學試劑廠；

二氯甲烷，化學純，上海中試化工總公司；

吐溫－80，化學純，上海蘇懿化學試劑有限公司；

鹽酸，濃度37%，分析純，宿州化學試劑有限公司；

聚乙二醇，1000，化學純，國藥集團化學試劑有限公司；

磷酸，濃度85%，分析純，上海振企化學試劑有限公司；

褐煤，內蒙古扎賚諾爾。

1.2 主要設備及儀器

攪拌數顯恒溫電熱套，SHT，山東鄄城華魯電熱儀器有限公司；

精密定時電動攪拌器，JJ－1，江蘇金壇市榮華儀器制造有限公司；

電熱恒溫鼓風干燥箱，DHG－9101－2SA，上海三發科學儀器有限公司；

電子天平，AL204，梅特勒－托利多儀器；

傅里葉紅外光譜儀，WQF－300，北京第二光學儀器廠；

熱分析儀，TG209F3，耐馳科學儀器商貿有限公司；

孔隙比表面積分析儀，SSA－4200，北京彼奧德電子技術有限公司；

液晶式擺錘沖擊試驗機，HCJ－11－15，吉林省華洋儀器設備有限公司；

電子萬能試驗機，WDS－10，深圳新三思材料檢測有限公司；

氧指數測定儀，HC－2，承德市大加儀器有限公司；

導熱系數測定儀，DD300F，天津弗瑞德可見有限公司。

1.3 樣品制備

PHA制備：按配比3∶1（質量比，下同）取0.5mol/L氫氧化鈉和0.1mol/L焦磷酸鈉制備出復配提取液待用；將褐煤置于60℃恒溫烘箱干燥處理2h，冷卻后稱取一定量置于1000mL三口燒瓶中；用復配提取液萃取，固、液兩相按1∶5稱??；在N2氣氛中緩慢加熱至80℃，連續攪拌反應4h。反應結束后將反應液抽濾，取濾液，將其用20%鹽酸溶液酸析至pH＝1～2。將沉淀物在4000r/min離心機中離心30min，更換蒸餾水重復離心至沉淀物為中性為止，然后將其在恒溫干燥箱里烘干即得HA；將適量HA置于三口燒瓶中，加入定量的NaOH溶液，使HA完全溶解，在N2氣氛中緩慢加熱至90℃，緩慢加入定量苯酚，反應2h后冷卻，進行酸析、離心、洗滌至中性，烘干制得PHA；

PHA改性酚醛樹脂的制備：以苯酚為基準，以HA為變量進行反應參數的選擇與優化；甲醛、苯酚和HA混合物的配比為2.2∶1，按表1分別量取原料，以20%的NaOH溶液作為催化劑，調節pH＝8～9，緩慢升溫至90～100℃，反應1～1.5h；待反應結束后，反應液用酸中和至中性，在70℃進行減壓脫水，固體含量為85%左右停止脫水，樹脂黏度為1.5～2.0Pa·s；

表1 PHA改性酚醛樹脂配方Tab.1 Formulation for PHA modified phenolic resin

PHA改性酚醛泡沫材料的制備：取適量上述樹脂，在高速攪拌條件下，依次加入吐溫－80、二氯甲烷、用37%鹽酸和85%磷酸按2∶1配制的復合固化劑、聚乙二醇快速攪拌5s后迅速倒入已預熱的模具發泡，90℃發泡3h，待泡沫固化完全，即制備出PHA改性酚醛泡沫材料，樣品編號同表1。

1.4 性能測試與結構表征

取2.0g KBr與0.1g PHA改性酚醛泡沫材料混合均勻后壓片至透明狀，進行紅外光譜分析，掃描波數范圍為4400～400cm－1；

熱失重（TG）分析：取6～10mg樣品，N2氛圍，載氣流速20mL/min，以升溫速率10℃/min從常溫升高到800℃，記錄熱失重曲線；

氮吸附實驗：稱取一定量樣品，采用 MD－200樣品前處理器預處理，低壓處理10min，高壓處理30min，處理結束取出樣品稱重，然后利用孔隙比表面積分析儀進行氮吸附測定；

表觀密度按GB/T 6343—1995測定，試樣尺寸為50mm×50mm×50mm；

沖擊強度按GB/T 1043—1993測定，V形缺口，深度為2mm，沖擊速度為3.5m/s，最大沖擊能為15J；

壓縮強度按GB/T 8813—1988測定，壓縮速率為2mm/min；

極限氧指數按GB/T 2406—1993測定，試樣尺寸為100mm×7mm×3mm；

熱導率按GB/T 3399—1982測定，試樣尺寸為300mm×300mm×25mm。

2 結果與討論

2.1 紅外分析

HA改性前后的紅外譜圖如圖1所示，HA在3600～3200cm－1處有強而寬的—OH伸縮振動吸收峰，PHA此處的吸收峰強且寬于HA，表明改性后的—OH是以締合的網狀結構存在。1700～1600cm－1處是羰基反對稱吸收峰。1600～1400cm－1是HA芳香環骨架特征峰，改性后1600cm－1處峰值降低，表明PHA大分子發生降解，1230cm－1處有吸收峰，強度和寬度增加明顯。753cm－1處出現的一個新峰是苯酚的鄰對位與HA上的α－OH縮合反應所致。上述表明，PHA含有更多—OH活性位點，有利于HA替代部分苯酚與甲醛進行縮聚反應。

圖1 HA和PHA的紅外譜圖Fig.1 FT－IR spectra for HA and PHA

PHA改性酚醛泡沫材料紅外譜圖如圖2所示，PHA替代部分苯酚所制成的泡沫材料中醚鍵結構明顯。3650cm－1處是—OH（自由）吸收峰，3350cm－1處是—OH（締合）伸縮振動吸收峰，純PF此處吸收峰強而寬，改性后此處吸收峰減弱；3020～2920cm－1是亞甲基吸收峰，改性后變窄，說明亞甲基含量有所降低；1600cm－1是芳環伸縮振動吸收峰，1735cm－1處有較弱的吸收峰，是—C O伸縮振動吸收峰，改性后強寬有所增加；1260cm－1有強酯基吸收峰的；1087cm－1處是醚鍵CH2—O—CH2吸收峰，改性后峰強度劇增；1000cm－1處是ArCH2—OH伸縮振動吸收峰，吸收較強；840～750cm－1是Ar—H吸收峰，其強度大幅增加表明苯環上有鄰對位取代，說明HA在PHA改性酚醛樹脂里以是化學鍵結合形式存在的。

圖2 PHA改性酚醛泡沫材料的紅外光譜圖Fig.2 FT－IR spectra of PHA modified phenol－formaldehyed foams

2.2 TG分析

從圖3（a）可以看出，隨著PHA加入量的不同，改性酚醛泡沫材料的耐熱性能出現不同變化，但變化范圍不大。3＃樣品在500℃以前質量保留率略低于純PF，500℃以后其質量保留率反而略高于純PF。7＃樣品質量保留率也僅僅略低于純PF。在400℃時，純PF質量保留率為80.2%，3＃、5＃和7＃樣品的質量保留率分別為80.0%、79.1%和77.3%，最大降幅2.9%。當溫度升高到800℃時，1＃、3＃、5＃和7＃樣品的質量保留率分別為46.2%、50.0%、48.3%和44.1%，最大降幅為2.1%，其中3＃的質量保留率比純PF高3.8%。

從圖3（b）可以看出，樹脂熱失重主要分為3個階段：第一階段，從常溫到230℃是吸收的游離水、苯酚和甲醛等小分子揮發，同時樹脂苯環上的氫與羥甲基縮合也脫去一定量的水，從而形成體型結構；第二階段，溫度在230～400℃之間是樹脂內部緩慢的脫水反應，此時，亞甲基和羥基之間發生固化、交聯、脫水反應，因而失重；第三階段，溫度在400～800℃之間，樹脂大分子發生分解，生成CO、CO2、H2O、CH4和 H2等物質。

2.3 氮吸附測試

從圖4可以看出，該等溫線屬于Ⅱ型等溫線，說明PHA改性酚醛泡沫材料體具有連續、完整、復雜的孔結構。曲線前部分上升緩慢，是由于單分子層吸附向多分子層吸附過度所致，當相對壓力P/P0接近1.0時，曲線劇增，這是因為較大的孔中發生了毛細凝聚造成吸附量急劇增大，同時，毛細凝聚也會影響脫附曲線的形狀。

圖3 不同含量PHA改性酚醛泡沫的TG和DTG曲線Fig .3 TG and DTG curves for purePF and PF modified with different content of PHA

圖4 40%PHA改性酚醛泡沫材料的脫附等溫曲線Fig.4 Isothermal curves for 40%PHA modified foam

從圖5可以看出，40%PHA改性酚醛泡沫材料的孔半徑主要集中在0～10nm之間，且0～4nm尤為密集，因此絕大部分泡孔都是小孔和中孔，孔體積較小且分布較均勻，說明PHA改性酚醛泡沫材料內具有分布較為均勻的納米孔結構。雷世文等［9］的研究發現，泡沫體具有均勻分布的納米孔結構會有效降低其熱導率。因此，PHA改性酚醛泡沫材料所具有的納米孔結構會對降低熱導率有一定效果。

圖5 40%PHA改性酚醛泡沫材料的BJH吸附孔體積分布圖Fig.5 The absorption pore size distribution of 40%PHA modified PF foam

2.4 PHA含量對改性酚醛泡沫材料性能的影響

從表3可知，隨著PHA含量的增加，PHA改性酚醛泡沫材料的表觀密度和熱導率逐漸增加。這是因為，隨著表觀密度的增加，泡孔尺寸和孔隙率逐漸減小，泡孔均勻性有所改善。在表觀密度增大的同時，逐漸增厚的泡孔壁熱導率將提高。PHA改性酚醛泡沫材料的沖擊強度、壓縮強度、極限氧指數均呈現先增長后下降的趨勢。而當PHA含量在40%以下，熱導率均能達到一個較好水平；當PHA含量增加到60%時，其各項性能均下降明顯。因為HA是剛性大分子，所以純化HA和降低其剛性大分子結構也將是提高PHA改性酚醛泡沫材料的熱性能和脆性的一個重要手段。

表3 PHA改性酚醛泡沫材料的各項性能Tab.3 Performance of PHA modified PF foam

3 結論

（1）PHA所含有的—OH數明顯高于純HA，證明HA酚化改性可以增加其活性官能團，有利于其改性酚醛泡沫材料；PHA在酚醛泡沫材料中是以化學鍵結合形式存在，表明PHA部分替代苯酚參與縮合反應是可取的；

（2）PHA改性酚醛泡沫材料的各項性能均能滿足酚醛泡沫材料生產需要，PHA含量在40%以下時效果較好。

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Preparation and Property Analysis of Phenolied Humic Acid Modified Phenol－formaldehyde Foams

WANG Zhengan，ZHANG Xianglin＊，TONG Yajun，SU Xiao
（School of Materials Science and Chemical Engineering，Anhui University of Architecture，Hefei 230022，China）

Phenolized humic acid（PHA）was used in the preparation of phenol－formaldehyde foam.The structure and properties of the foam were characterized using Fourier infrared spectroscopy，thermogravimetric，nitrogen adsorption，and impact testing.When the loading of PHA was 40%，an impact strength of 5.7kJ/m2，a compression strength of 0.33MPa，a limited oxygen index of 47%，a thermal conductivity coefficient of 0.038W/（m·K），and a carbon residue at 400℃of 79.1%were obtained.

phenol resin；phenolized humic acid；foam；thermal conductivity

TQ323.1

B

1001－9278（2011）09－0070－05

2011－06－14

＊聯系人，zhangxiangl＠yahoo.com.cn