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关于聚乙二醇对酚醛树脂泡沫增韧效果的分析

2020-07-04顾婉娜

中国科技纵横 2020年11期
关键词:聚乙二醇

顾婉娜

摘 要:应用多聚甲醛与苯酚制备酚醛树脂,再对酚醛树脂展开发泡实验研究,将质量不同和相对分子质量的聚乙二醇作为变量,当酚醛树脂进入脱水阶段时,加入聚乙二醇,从而实验获得改性后的酚醛树脂。加入发泡剂和固化剂等物质,酚醛树脂泡沫在发泡后能够得到良好的增韧效果。对酚醛树脂泡沫进行力学性能参数研究,探究酚醛树脂泡膜的增韧效果达到最佳时,聚乙二醇的质量与相对分子质量情况,进而了解酚醛树脂的结构。

关键词:聚乙二醇;酚醛树脂泡沫;增韧效果

0 引言

当前酚醛树脂发泡材料在保温隔热防火领域内有着良好的应用效果,分析各类原料对酚醛树脂发泡的影响,经过实验研究,对材料进行合理设计,确定聚乙二醇的添加量,从而找出最佳水平组合。酚醛树脂泡沫在发泡过程中需要用到乳化剂、发泡剂、增韧剂等原料,分析酚醛树脂发泡的最佳配比,有利于强化酚醛树脂泡沫的增韧效果。

1 酚醛树脂泡沫概述

1.1 酚醛树脂泡沫

酚醛泡沫是一种难燃且具有保温功能的材料,其导热系数比较低。酚醛泡沫在燃烧时只会表面发生碳化,不会产生熔融滴落物,但会有少量的烟气产生。酚醛树脂的耐热性能较强,拥有优异的耐溶剂性能。近几年,在建筑保温和隔热领域内,人们对酚醛泡沫材料进行了广泛关注。但当前国内生产的酚醛泡沫在技术上还不够成熟,产品容易分化,吸水率较高,且生产成本不低,这导致建筑施工时无法广泛应用以酚醛泡沫为原料的外墙保温材料。制备酚醛泡沫的基础原料就是酚醛树脂,这是一种人工合成的树脂材料,已经具有百年的应用历史,由于酚醛树脂价格低廉,制成工业产品后有着较高的力学强度,在耐热、绝缘、阻燃方面拥有良好的应用特点,可以将酚醛树脂用于汽车、电子、住宅、电气等行业中。但酚醛树脂在应用时也存在缺点,酚羟基与亚甲基容易被氧化,导致酚醛树脂的耐热性受影响,固化后的酚醛树脂芳核间由亚甲基相连,这一结构容易导致刚性基团的密度过大,酚醛树脂无法抵御外界冲击,韧性不强。因此,提高酚醛树脂的韧性和耐热性是人们研究的重点[1]。

1.2 酚醛树脂的分类

一般情况下,常见的酚醛树脂主要有热塑性酚醛树脂与热固性酚醛树脂。酚醛泡沫在应用中具有绝热、难燃以及耐腐蚀的特点,可在石油化工、建筑施工以及交通运输中广泛应用。其中,热塑性酚醛树脂属于线性结构,拥有可溶可熔的特点,将酚醛树脂材料加热后,材料不会固化,只有加入一定剂量的固化剂后,热塑性酚醛树脂才能固化。热固性酚醛树脂材料需要经历三个阶段:甲阶段PF是线性可溶可熔酚醛树脂;乙阶是少量交联半可熔可熔酚醛树脂;丙阶为交联不溶不熔酚醛树脂。一般情况下,合成的热固性酚醛树脂多数被控制在前两个阶段,以此保证酚醛树脂在加工中能够流动,不加入固化剂,通过加热即能达到固化的效果,但丙阶的热固性酚醛树脂却难以进行加工。

1.3 发泡剂的作用

发泡剂就是使物质成孔的材料,可以被划分为三种类型,即化学类发泡剂、物理类发泡剂、表面活性剂。其中,化学发泡剂是气体加热分解后可以释放二氧化碳与氮气,并在聚合物内产生细孔的化合物。物理类发泡剂是细孔通过某类物质的物理形态转化,经过压缩气体膨胀、固体溶解、液体挥发而产生。发泡剂表面活性较高,可以降低液体张力,形成单个气泡后再组成泡沫。在酚醛发泡中加入物理发泡剂,引入空气后加入表面活性剂,进而产生泡沫,通过升温释放气体,并在受热的情况下生成小气泡孔,让原本的实心材料成为多孔状的海绵物质。酚醛树脂中的发泡剂实际上就是物理性发泡剂,化学发泡剂主要有碳酸钠和碳酸氢钠等,目前人们常用的发泡剂主要为卤代脂肪烃,该材料主要是氟利昂,容易对大气臭氧层造成破坏,目前已经被多个国家禁止使用。为了寻找卤代脂肪烃的替代品,人们在其基本组成和配比下进行发泡剂量的调整。

2 聚乙二醇对酚醛树脂泡沫增韧效果分析

2.1 实验过程

2.1.1 酚醛树脂合成

实验过程中主要需要用到PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000、苯酚、多聚甲醛、聚山梨酯-80、苯磺酸、盐酸、氢氧化钡等材料。需要用到的仪器设备主要有电子天平、集热式恒温加热器、磁力搅拌器、电动式搅拌电机、傅里叶变换红外光谱仪、万能试验机、水浴加热回流冷凝管。酚醛树脂的制备需要经过一定的流程,将苯酚、多聚甲醛、氢氧化钡经过冷凝回流,缩聚后出料。酚醛树脂的合成需要经过几点步骤:(1)在试剂瓶内加入苯酚晶体,将其放在40℃水浴锅内加热,直到苯酚晶體全部融化。(2)使用电子天平称量94.11g的液态苯酚,将其放在500ml三口烧瓶内,使用集热式恒温加热磁力搅拌器,将三口烧瓶放在水浴锅内,再用铁夹将三口烧瓶固定住。(3)打开水浴锅的开关,将温度调节到45℃左右,将搅拌子放入三口烧瓶内,调节转速为每分钟20r,插入回流冷凝管进行冷凝。(4)使用电子天平称量八水合氢氧化钡,为了确定用量,可使用苯酚4%质量的八水合氢氧化钡,放入三口烧瓶中搅拌均匀,等待晶体溶解,再调节温度到70℃,恒温后产生反应,加入1.6mol多聚甲醛49.6g,需加热4小时。加入多聚甲醛后,液体逐渐变得浑浊,同时会有白色颗粒状的多聚甲醛在苯酚溶液中漂浮,反应后这些颗粒物将会被溶解,液体颜色加深,从原有的浅黄色逐渐转为深黄棕色。反应时间越长,酚醛树脂液体将转为透明,且液体粘度越来越大,并变为深红棕色[2]。

2.1.2 酚醛树脂泡沫制备

将酚醛树脂、发泡剂、酸固化剂、表面活性剂经过搅拌发泡,固化后形成酚醛树脂泡沫。关于酚醛树脂发泡时所有试剂的用量,具体如:酚醛树脂20g;聚山梨酯-80 1.5g;二氯甲烷2.4g;含80%水溶液的苯磺酸1.0g;含80%水溶液的对苯磺酸1.2g;盐酸1.0g。按照提前配置的比例称取试剂,将称量后的酚醛树脂、发泡剂、固化剂倒入烧杯内,搅拌至混合状态。计时开始,记录酚醛树脂和发泡剂等混合液的起泡时间与泡沫最高点时间,直到发泡终了阶段后停止计时。计时期间应测量反应温度,当泡沫高度超过杯口时插入3cm深的热电偶,将最高温度记录为反应温度。这时,固化之后的酚醛树脂泡沫就是制备成功的成品。强力搅拌作用下,混合液体放热的同时粘度加大,液体颜色从透明变为红棕色,再变为黄色,随着酚醛树脂泡沫的固化,物质放热的同时有起泡产生,导致发泡剂汽化,而酚醛树脂体积开始膨胀,经过一段时间后酚醛树脂泡沫又从棕黄色变为红色[3]。

2.1.3 改性酚醛树脂泡沫制备

选择热固性酚醛树脂材料,在酚醛树脂制备完成后的5分钟内加入增韧剂,按照苯酚质量分数确定增韧剂PEG的加入量,最多不宜超过4%。改性酚醛树脂泡沫的发泡过程和纯酚醛泡沫的制备方法一样,而增韧剂PEG的加入量情况如:改性酚醛树脂加入0.5%的PEG时,需要94.11g苯酚、0.47gPEG600、0.47gPEG1000、0.47gPEG2000、0.47gPEG4000;改性酚醛树脂加入1%的PEG时,需要94.11g苯酚、0.94gPEG600、0.94gPEG1000、0.94gPEG2000、0.94gPEG4000;改性酚醛树脂加入2%的PEG时,需要94.11g苯酚、1.88gPEG600、1.88gPEG1000、1.88gPEG2000、1.88gPEG4000;改性酚醛树脂加入3%的PEG时,需要94.11g苯酚、2.82gPEG600、2.82gPEG1000、2.82gPEG2000、2.82gPEG4000;改性酚醛树脂加入4%的PEG时,需要94.11g苯酚、3.77gPEG600、3.77gPEG1000、3.77gPEG2000、3.77gPEG4000。

2.2 实验结果分析

分析PEG对酚醛树脂泡沫的改性影响,四种不同型号的PEG增韧酚醛树脂发泡时间变化趋势比较接近。随着PEG的加入量增加,酚醛树脂发泡时间先下降,再上升。当PEG的加入量是2%的时候,酚醛树脂的发泡时间最低,只有49.1s。当PEG的加入量超过2%时,此时PEG黏度增加,阻碍酚醛树脂的发泡过程,所以酚醛树脂的发泡时间也会有所增加。经过比较分析得知,PEG1000的酚醛树脂发泡时间最佳,在60s左右,没有过大的变化幅度,这与PEG1000分子链适中有关,PEG1000和酚醛树脂之间有着较好的相容性,对酚醛树脂不会产生过大的活性影响,因此酚醛树脂的发泡时间是最稳定的。

正常情况下,酚醛树脂泡沫固化时间为60s。这几种型号的PEG增韧酚醛树脂固化时间变化趋势相近,PEG用量增加后,酚醛树脂的固化时间先上升再下降。当PEG用量为2%时,酚醛树脂的固化时间在60s左右,最多不超过70s。在固化时间方面,PEG1000的固化时间不会产生过大波动,基本处于50s左右。

通过PEG对酚醛树脂发泡倍数的影响分析,四种类型PEG增韧酚醛树脂泡沫发泡倍数变化趋势相近。PEG用量增加后,发泡倍数先上升后下降,当PEG加入量是2%时,酚醛树脂的发泡倍数最大,可达20.7倍。相比较而言,PEG1000的发泡倍数相对稳定,没有过大的变化幅度,一直处于13.2倍左右,最多不超过16.1倍。

分析PEG对密度的影响。四种类型的PEG增韧酚醛树脂泡沫密度比较接近,随着PEG的用量增加,酚醛树脂泡沫密度先减少再增加。当PEG的加入量为2%时,酚醛树脂泡沫的密度最低,只有45.2mg/cm3。相比较而言,PEG1000的密度比较温度,处于55mg/cm3左右,最多不超过70mg/cm3。由于这几种PEG酚醛树脂泡沫质量一样,因此密度和酚醛树脂发泡的倍数之间呈反比关系。

分析PEG对粉化率的影响。随着PEG添加量的增加,酚醛树脂泡沫塑料粉化率下降,当PEG加入量为2%时,酚醛树脂塑料粉化率最小,只有2%。随着PEG加入量的不断增加,酚醛树脂塑料的粉化率开始升高,出现这一情况的原因与PEG粘度小有关,且PEG和酚醛树脂之间有着较好的相容性,酚醛树脂固化成型时容易和酚醛树脂形成互穿的交联网络,柔性分子链与刚性酚醛低分子链能够串联在一起,表观相对摩尔质量有所增加,而酚醛树脂泡沫塑料粉化程度降低。当PEG加入量超过2%时,PEG年度提升,和酚醛树脂之间的相容性开始边长,酚醛树脂泡沫体变得不再均匀,甚至有塌泡的情况出现。

3 结语

总而言之,实验中应用多聚甲醛、苯酚等原料制作酚醛树脂,选择不同质量和相对分子质量的聚乙二醇,对酚醛树脂泡沫展开增韧改性研究。通过聚乙二醇改性酚醛树脂力学性能研究,应用傅里叶红外光谱仪了解酚醛树脂泡沫的增韧改性效果,当PEG1000加入量是2%时,酚醛树脂泡沫的增韧效果达到最佳,在后期各行业领域应用时可以此作为参考。

參考文献

[1] 肖力光,刘刚,李媛,等.酚醛泡沫塑料性能的研究[J].吉林建筑工程学院学报,2013(2):1-3.

[2] 韩啸,蔡然,唐鑫,等.常温下酚醛树脂的可发性研究[J].应用化工,2010(3):397-400.

[3] 云智勉,尹美娟,周亮.腰果酚改性酚醛树脂的UV光固化研究[J].广东化工,2009(6):110+259-260.

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