輕質(zhì)阻燃酚醛泡沫材料的制備與構(gòu)效關(guān)系研究.pdf

1、近年來，我國城市建筑火災(zāi)頻發(fā)，不僅威脅人民生命和財產(chǎn)安全，還產(chǎn)生大量有害煙霧，污染環(huán)境。引發(fā)城市建筑火災(zāi)的主要著火源之一就是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑外墻中的有機保溫材料。建筑材料的阻燃問題已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點。酚醛泡沫作為一種自阻燃型泡沫塑料，在燃燒過程中不會發(fā)生熔融，流滴，亦不會產(chǎn)生大量毒性煙霧，具有難燃、低煙、低毒特性和耐熱性等優(yōu)點，將在建筑領(lǐng)域作為理想的隔熱結(jié)構(gòu)材料而將得到更為廣泛的應(yīng)用。
　　 傳統(tǒng)高固含酚醛樹脂的生產(chǎn)過程中

2、，均采用苯酚及含量為37％左右的甲醛溶液作為反應(yīng)單體，制備的酚醛樹脂（固含量約50％）需經(jīng)過脫水方可達(dá)到可發(fā)性酚醛樹脂對固含量(70～85％)的要求，不可避免地產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水。同時由于酚醛泡沫自身存在的易粉化、生產(chǎn)成本高等缺點，有必要針對可發(fā)性酚醛樹脂及泡沫存在的問題展開研究，解決樹脂生產(chǎn)過程中的廢水問題，開發(fā)性能優(yōu)良的酚醛泡沫。
　　 針對可發(fā)性酚醛樹脂及酚醛泡沫存在的問題，本論文采用先進(jìn)新型不脫水工藝，直接合成固含量在7

3、0～85％的可發(fā)性高固含甲階酚醛樹脂。分析了樹脂制備過程中甲醛/苯酚(F/P)摩爾比、催化劑對可發(fā)性高固含甲階酚醛樹脂性能的影響;討論了酚醛泡沫制備工藝，重點分析了酸固化劑對酚醛泡沫性能的影響，創(chuàng)建了酚醛泡沫表觀密度-力學(xué)性能模型;采用不同的木質(zhì)纖維表面處理方法制備纖維復(fù)合酚醛泡沫;采用無鹵協(xié)同阻燃系統(tǒng)制備復(fù)合酚醛泡沫;采用酸化處理無機材料制備復(fù)合酚醛泡沫。論文主要的研究內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 1.高固含甲階酚醛樹脂的制備及性能

4、研究采用NaOH為催化劑，制備不同F(xiàn)/P摩爾比的高固含甲階酚醛樹脂，研究F/P摩爾比對高固含甲階酚醛樹脂性能的影響。研究表明，當(dāng)F/P=2.0時，樹脂的性能較優(yōu)。粘度為2567mPa·s，固體含量為79.25％，凝膠時間為725s，游離苯酚含量為3.01％，游離甲醛含量為0.86％，羥甲基濃度為36.56％，此時樹脂的熱穩(wěn)定性也是最高的。樹脂在600℃殘?zhí)苛侩S著F/P摩爾比的增加而逐漸降低。固化動力學(xué)分析表明，低F/P摩爾比的高固含甲階

5、酚醛樹脂擁有較高的Ea值。并且五種樹脂的固化反應(yīng)級數(shù)都為非整數(shù)，表明其固化反應(yīng)都是很復(fù)雜的。
　　 2.催化劑對酚醛樹脂及泡沫性能的影響采用氫氧化鋇(Ba(OH)2)、三乙胺((C2H5)3N)和氫氧化鈉(NaOH)為催化劑，制備可發(fā)性高固含甲階酚醛樹脂，研究催化劑對樹脂性能的影響。研究表明，3種催化劑的催化效率依次為:NaOH＞(C2H5)3N＞Ba(OH)2。以NaOH為催化劑制備的酚醛樹脂和泡沫的性能最優(yōu)。以其為催化劑制備

6、的酚醛樹脂的粘度為8625mPa·s，固體含量為79.88％，游離苯酚和甲醛分別為3.36％、0.5％，凝膠時間為397s，900℃時的殘?zhí)苛繛?9.31％。以NaOH為催化劑制備的酚醛泡沫的壓縮及彎曲強度分別為0.24MPa、0.39MPa，掉渣率為11.1％，極限氧指數(shù)為44.5％，初始分解溫度為107℃，900℃時的殘?zhí)苛繛?0.15％，泡孔較小，泡孔分布較為均勻，泡孔直徑維持在100～200μm的范圍內(nèi)。
　　 3.酚醛

7、泡沫的制備工藝及其密度-力學(xué)性能模型研究采用聚山梨酯-80為表面活性劑、石油醚為發(fā)泡劑、混合酸為固化劑制備酚醛泡沫，研究表面活性劑、發(fā)泡劑和混合酸固化劑的添加量對酚醛泡沫性能的影響。研究表明，適宜的表面活性劑添加量樹脂質(zhì)量的10％，適宜的發(fā)泡劑添加量約為樹脂量的5％，適宜的固化劑為以鹽酸/磷酸/對甲苯磺酸/水復(fù)配的6#酸固化劑，且適宜的添加量為樹脂質(zhì)量的15％。建立的酚醛泡沫密度-力學(xué)性能模型指數(shù)值基本接近于簡化的Gibson-Ashb

8、y公式中的指數(shù)，指數(shù)值在1.2352～2.1672范圍內(nèi)，壓縮性能指數(shù)在1.2521～1.4848范圍內(nèi)，彎曲性能指數(shù)在1.2352～2.1672范圍內(nèi)。
　　 4.酚醛泡沫發(fā)泡模型分析采用聚山梨酯-80為表面活性劑、石油醚為發(fā)泡劑、混合酸為固化劑制備酚醛泡沫，研究表面活性劑、發(fā)泡劑和混合酸固化劑的添加量對酚醛泡沫發(fā)泡速度和泡沫平均泡孔直徑的影響。通過實驗數(shù)據(jù)擬合得到的不同表面活性劑添加量、發(fā)泡劑、固化劑及發(fā)泡溫度與發(fā)泡速度的關(guān)

9、系模型，及不同表面活性劑添加量、發(fā)泡劑、固化劑及發(fā)泡溫度與泡沫平均泡孔直徑的關(guān)系模型，可以為酚醛泡沫的應(yīng)用研究提供一定的理論基礎(chǔ)，對于酚醛泡沫制備工藝條件的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。
　　 5.無鹵阻燃劑協(xié)同阻燃酚醛泡沫復(fù)合材料性能研究采用多聚磷酸銨(APP)為阻燃劑，季戊四醇(PER)為成炭劑，氧化鋅(ZnO)、三氧化鉬(MoO3)、氯化亞銅(CuCl2)、氯化亞錫(SnCl2)為協(xié)效劑，分別組成四種協(xié)同阻燃系統(tǒng)并制備復(fù)合酚醛泡

10、沫，研究協(xié)同阻燃系統(tǒng)對復(fù)合泡沫的阻燃性能的影響。研究表明，四種協(xié)同阻燃系統(tǒng)均能顯著提高復(fù)合酚醛泡沫的氧指數(shù)，復(fù)合酚醛泡沫的極限氧指數(shù)基本都維持在73％左右，而阻燃系統(tǒng)對復(fù)合泡沫的熱穩(wěn)定性影響不是很顯著。四種協(xié)同阻燃體系復(fù)合酚醛泡沫的熱釋放速率、平均熱釋放、總熱釋放、有效燃燒熱、耗氧量、總氧消耗、一氧化碳產(chǎn)量和一氧化碳產(chǎn)率顯著降低，但是比消光面積和總煙產(chǎn)率卻顯著提高。阻燃系統(tǒng)在泡沫中的阻燃機理是屬于氣相阻燃機理。在所有阻燃系統(tǒng)中，APP/

11、PER/ZnO是一種比較適合作為酚醛泡沫阻燃改性的阻燃系統(tǒng)。
　　 6.纖維表面改性及其復(fù)合酚醛泡沫性能研究采用堿、偶聯(lián)劑和堿與偶聯(lián)劑復(fù)合處理的方法對木質(zhì)纖維進(jìn)行表面改性，制備纖維復(fù)合酚醛泡沫，研究纖維改性對酚醛泡沫性能的影響。研究表明，處理后的纖維復(fù)合泡沫的強度都較未處理纖維復(fù)合泡沫有不同程度的提高，尤其以氫氧化鈉與硅烷偶聯(lián)劑A-171復(fù)合處理方法和硅烷偶聯(lián)劑KH-792處理方法處理后的纖維復(fù)合泡沫的各項性能較優(yōu)。這說明纖維處

12、理后，纖維表面與樹脂基體之間的界面相容性明顯得到改善。處理后的纖維復(fù)合泡沫的極限氧指數(shù)較未處理纖維復(fù)合泡沫都有不同程度的降低，這說明纖維處理，對阻燃效果是沒有積極意義的。
　　 7.無機復(fù)合酚醛泡沫制備及性能研究初探采用15％磷酸對粉煤灰和膨潤土進(jìn)行酸化處理，制備無機復(fù)合酚醛泡沫，研究無機材料酸化處理及其添加量對復(fù)合酚醛泡沫性能的影響。研究表明，酸化處理后的無機材料復(fù)合泡沫的強度都較未酸化處理的無機材料復(fù)合泡沫有不同程度的提高，