酚醛樹脂泡沫的增韌及阻燃改性分析

　顧婉娜

摘 要：在節能環保政策號召下，建筑行業通過材料創新等節能技術，減少建筑能耗，新型外墻保溫材料的應用為主要節能方式之一。文章以新型外墻保溫材料——酚醛樹脂泡沫為研究對象，以實驗方式，對其增韌改性及阻燃改性進行分析，明確酚醛樹脂泡沫性能改進方案，為企業生產提供參考。

關鍵詞：酚醛樹脂泡沫;增韌;阻燃

中圖分類號：TQ328 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0069-02

0 引言

酚醛樹脂泡沫是將酚醛樹脂為基體，配合發泡劑和表面活性劑等藥劑，通過固化分散過程產生的泡沫材料，具有較強的絕熱性、阻燃性、吸音性及較低的毒性，能夠作為外墻保溫材料。但在使用中表現出脆性大、易粉化等問題，使其在工程中的應用受限。就此，酚醛樹脂泡沫的增韌及阻燃改性成為研究熱點。

1 酚醛樹脂泡沫的增韌改性

針對酚醛樹脂泡沫使用中存在的問題，制造企業可在制備環節添加增韌劑，對酚醛樹脂泡沫進行增韌改性操作，強化其性能。在酚醛樹脂泡沫制備中，增韌劑主要在合成和發泡環節加入[1]。

1.1 酚醛樹脂泡沫的增韌改性過程

1.1.1 制備酚醛樹脂

（1）按照一定比例稱量苯酚、多聚甲醛及甲醛水溶液，將三者置于1000mL三口燒瓶中，在三口燒瓶中配置機械攪拌棒、溫度計及回流冷凝器，將三口燒瓶置于加熱爐上，加熱到40℃后，向三口燒瓶內添加催化劑和氫氧化鈉溶液。其中，催化劑可選用N，N-二甲基乙醇胺或氫氧化鋇，也可同時使用兩種催化劑;氫氧化鈉溶液的添加量為1/3份。（2）繼續加熱三口燒瓶，在達到55℃后，以恒溫狀態反應半小時，再添加同樣劑量的氫氧化鈉溶液，加熱至70℃，以恒溫狀態反應半小時。（3）添加同樣劑量的氫氧化鈉溶液，加熱至85℃，以恒溫狀態反應兩個小時，再將三口燒瓶置于冷水中，冷卻降溫至75℃，添加尿素，以恒溫狀態反應一小時，降溫至室溫，完成酚醛樹脂的制備，裝瓶備用。

1.1.2 制備酚醛樹脂泡沫

酚醛樹脂泡沫是通過固化劑對酚醛樹脂進行固化處理，提高酚醛樹脂的分子量，使其固化成型;再通過發泡劑的氣化作用，將固化樹脂進行填充，形成酚醛樹脂泡沫，實驗室制備流程如下：

（1）稱取上文制備的酚醛樹脂50g，置于500mL的塑料燒杯中，再向燒杯中加入穩泡劑及其他助劑，在低溫狀態下迅速攪拌均勻。（2）添加發泡劑，在低溫狀態下迅速攪拌均勻。（3）添加固化劑，在低溫狀態下迅速攪拌兩分鐘。（4）預熱模具，預熱完成后將混合物倒入，置于烘箱中反應，將烘箱溫度調節為70℃。（5）在觀察烘箱內形成酚醛樹脂泡沫后，將模具取出，進行脫模冷卻處理，獲得酚醛樹脂泡沫材料。

1.1.3 酚醛樹脂泡沫增韌改性

在酚醛樹脂泡沫增韌改性中，改性操作處于酚醛樹脂合成環節與泡沫材料發泡環節。在酚醛樹脂合成環節，加熱至55℃，以恒溫狀態反應半小時環節，更換為以恒溫狀態反應一小時，并在反應后添加丙三醇，再添加同樣劑量的氫氧化鈉溶液，按照同樣流程完成改性酚醛樹脂的制備。在酚醛樹脂發泡環節，將原料更換為改性酚醛樹脂，并在添加穩泡劑時，添加增韌劑，此后按照同樣流程完成改性酚醛樹脂泡沫的制備。

1.2 酚醛樹脂泡沫的增韌改性結果

為明確酚醛樹脂泡沫的增韌改性結果，本文對改性酚醛樹脂泡沫和普通酚醛樹脂泡沫進行拉伸試驗，測量二者拉伸性能。測量結果顯示，改性酚醛樹脂泡沫的拉伸強度更高。可見，添加增韌劑，可有效提升酚醛樹脂泡沫的拉伸性能，實現增韌改性的目標。同時，為明確酚醛樹脂泡沫中增韌劑的最佳添加量，本文設置不同增韌劑添加量，按照上述酚醛樹脂泡沫增韌改性流程，制備酚醛樹脂泡沫，測量其拉伸性能。測量結果顯示，在酚醛樹脂合成環節添加的增韌劑，對酚醛樹脂泡沫的拉伸性能影響不大;在酚醛樹脂泡沫發泡環節添加的增韌劑，與酚醛樹脂泡沫的拉伸性能存在倒U型關系，在增韌劑添加量低于8%時，增韌劑添加量越多，酚醛樹脂泡沫的拉伸強度越大;在增韌劑添加量高于8%時，增韌劑添加量越多，酚醛樹脂泡沫的拉伸強度越小[2]。就此，可以明確酚醛樹脂泡沫發泡環節最佳增韌劑添加量為8%，此時酚醛樹脂泡沫的拉伸強度為0.109MPa，JGJ144-2015中要求的規范拉伸強度為0.08MPa，本文提出的增韌改性方案符合標準要求。

2 酚醛樹脂泡沫的阻燃改性

在酚醛樹脂泡沫阻燃改性中，改性原理是在泡沫材料制備中添加阻燃劑，阻燃劑的合理選擇為改性重點。適用酚醛樹脂泡沫阻燃改性的阻燃劑為無機阻燃劑，常用的無機阻燃劑包括氫氧化鋁、氫氧化鋁和硼酸鋅三種。其中，氫氧化鋁可在酚醛樹脂泡沫制備中發揮消煙、填充及阻燃作用，長期保留在泡沫材料中;氫氧化鎂與氫氧化鋁的功能相同，但其熱穩定性更強，可強化泡沫材料的炭化效果;硼酸鋅具有隔絕空氣、抑制可燃性氣體生成、形成玻璃態無機膨脹層等作用，以此實現阻燃的目的[3]。

2.1 酚醛樹脂泡沫制備

（1）稱取上文制備的酚醛樹脂50g，置于500mL的塑料燒杯中，再向燒杯中加入穩泡劑、阻燃劑及其他助劑，在低溫狀態下迅速攪拌均勻。（2）添加發泡劑，在低溫狀態下迅速攪拌均勻。（3）添加固化劑，在低溫狀態下迅速攪拌兩分鐘。（4）預熱模具，預熱完成后將混合物倒入，置于烘箱中反應，將烘箱溫度調節為70℃。（5）在觀察烘箱內形成酚醛樹脂泡沫后，將模具取出，進行脫模冷卻處理，獲得酚醛樹脂泡沫材料。

在酚醛樹脂泡沫制備中，阻燃劑的添加方案有七種：方案一：添加氫氧化鋁;方案二：添加氫氧化鎂;方案三：添加硼酸鋅;方案四：添加氫氧化鋁和氫氧化鎂;方案五：添加氫氧化鋁和硼酸鋅;方案六：添加氫氧化鎂和硼酸鋅;方案七：添加三種阻燃劑。在上述方案中，每個方案中阻燃劑的總添加量均為酚醛樹脂泡沫的20%，即10g，且實驗中選擇的阻燃劑均為分析純規格，保障實驗結果的準確性。

2.2 酚醛樹脂泡沫阻燃性能分析

為明確不同方案酚醛樹脂泡沫阻燃改性效果，本文通過以下三種方法，分析泡沫材料的阻燃性能[4，5]。

（1）氧指數法。根據GB/T 2406-2009中的氧指數法，測定酚醛樹脂泡沫的氧指數，分析酚醛樹脂泡沫對燃燒的阻止作用。其中，極限氧指數是指將酚醛樹脂泡沫置于O2和N2混合氣體中，酚醛樹脂泡沫保持平衡燃燒狀態的最低氧濃度。在測試時，將酚醛樹脂泡沫置于專用燃燒筒中，在底部通入混合氣體，點燃后調節氧氣濃度，直到火焰前沿處于燃燒筒的標線位置，此時的氧濃度即為極限氧指數，測量三個樣品，取平均值為酚醛樹脂泡沫的氧指數。（2）熱重分析法。在對物質進行加熱或冷卻處理時，在溫度達到某一數值后，物質會出現相應的物理或化學變化，并出現焓變及熱效應。基于該原理，可選擇在一定溫度范圍內不會出現熱效應的物質為參照物，與酚醛樹脂泡沫置于同一溫度環境下，在酚醛樹脂泡沫出現物理或化學變化后，記錄酚醛樹脂泡沫和參照物的溫度差，繪制熱失重曲線，分析酚醛樹脂泡沫的熱穩定性。（3）導熱系數測定。根據GB/T 10294-2008的測定方法，應用便攜式導熱系數儀，測定酚醛樹脂泡沫在室溫條件下的導熱系數，測量三個樣品，取平均值為酚醛樹脂泡沫的導熱系數。在應用上述測量方法測定不同阻燃改性方案的酚醛樹脂泡沫時，測量未阻燃改性的酚醛樹脂泡沫，作為空白對照組。

2.3 酚醛樹脂泡沫阻燃改性成果

2.3.1 氧指數分析結果

根據測量結果，方案一、二、三的氧指數均高于空白對照組，差值在10%-13%的范圍內，方案一的氧指數提升數值最低，因為氫氧化鋁會在200℃時被分解，影響阻燃作用的發揮;方案四、五、六的氧指數高于方案一、二、三，和空白對照組相比，差值在20%左右，方案四和方案五的提升數值更高，這是因為氫氧化鋁的作用溫度在200℃以下，氫氧化鎂和硼酸鋅的作用溫度較高，二者配合使用，在低溫時的阻燃效果不佳;方案七的氧指數提升數值最大，約為50%，可發揮三種阻燃劑的作用，實現協同阻燃，強化酚醛樹脂泡沫的阻燃性。

2.3.2 熱重分析結果

在熱失重曲線中，方案七的分解溫度提升數值最大，酚醛樹脂泡沫的熱穩定提升效果最顯著。在加熱過程中，酚醛樹脂泡沫會產生分解，質量降低。在250℃時，空白對照組的樣品出現顯著失重現象，原因在于助劑的分解。阻燃改性的酚醛樹脂泡沫在250℃時，并未出現顯著失重現象。在空白對照組中，分解溫度為420℃時，酚醛樹脂泡沫的失重達50%;在方案七中，分解溫度為420℃時，酚醛樹脂泡沫的失重量不足40%，分解溫度為516℃時，酚醛樹脂泡沫的失重達50%。可見，在酚醛樹脂泡沫阻燃改性中，方案七的樣品熱穩定性最強。

2.3.3 導熱系數分析結果

根據實驗結果，在添加阻燃劑后，酚醛樹脂泡沫的導熱系數有所增加，出現該現象的原因在于阻燃劑使泡沫破裂，增加結構的開孔數量，提高導熱系數。為解決該問題，本文在酚醛樹脂泡沫制備中，添加可膨脹石墨、氧化石墨烯等材料，降低酚醛樹脂泡沫的導熱系數。分別添加不同試劑，制備酚醛樹脂泡沫材料，測量其導熱系數，測量結果顯示，氧化石墨烯的導熱系數降低效果更好，但其成本較高，考慮到工業化的大量生產需求，建議企業選擇可膨脹石墨。

綜合上述測定結果，添加氫氧化鋁、氫氧化鎂和硼酸鋅作為阻燃劑的方案效果最佳，酚醛樹脂泡沫的阻燃性能最強。同時，為避免酚醛樹脂泡沫的導熱系數較高，需在生產中添加可膨脹石墨，強化酚醛樹脂泡沫的整體性能。

3 結語

綜上所述，在酚醛樹脂泡沫增韌改性中，需在合成環節與發泡環節添加增韌劑，發泡環節的增韌劑添加量為8%時，酚醛樹脂泡沫的拉伸強度最大;在酚醛樹脂泡沫阻燃改性中，需在制備中添加阻燃劑，配合添加氫氧化鋁、氫氧化鎂和硼酸鋅，可有效強化酚醛樹脂泡沫的阻燃性能，本文提供的改性方案可在生產實踐中應用。

參考文獻

[1] 路國忠，趙瑋璇，張宇燕，等.阻燃硬泡聚氨酯（PIR）保溫板生產工藝及產品性能研究[J].墻材革新與建筑節能，2014（5）：52-55.

[2] 胡茂明，華一鴻，李雪，等.催化劑對Resole酚醛樹脂結構與性能的影響[J].熱固性樹脂，2011（6）：20-23.

[3] 余維明.酚醛泡沫在外墻保溫防火中的應用[J].涂裝與電鍍，2011（3）：19-21+18.

[4] 張躍威，陳達.噴涂型酚醛泡沫外墻外保溫系統與實證研究[J].建筑節能，2010（8）：75-77.

[5] 劉威，劉強，周春華，等.高鄰位可發性熱固性酚醛樹脂的合成及表征[J].高分子材料科學與工程，2010（2）：19-21+25.