酚醛樹脂泡沫產品節能及增強抗拉強度研究

顧婉娜

摘 要：酚醛樹脂泡沫產品在當前的建筑外墻保溫施工中得到廣泛應用，對其性能進行優化提升值得重點探究。基于此，本文在明確酚醛樹脂泡沫產品特性與節能情況的基礎上，展開了酚醛樹脂泡沫產品增強抗拉強度的實驗，提出了一種提升酚醛樹脂泡沫產品抗拉強度的優化方案，為相關從業人員提供參考。

關鍵詞：酚醛樹脂泡沫產品;節能性;抗拉強度

0 引言

現階段，綠色環保理念深入人心，政府對節能減排工作的重視程度與投入力度加大，推動著外墻保溫行業的迅速發展。在建筑節能中，建筑外墻環保占據著重要地位，其中，保溫材料為核心內容。在選擇建筑外墻保溫材料時，除了要考慮其保溫性能與節能性能，還要對其質量、安全性進行綜合考量。相比較來說酚醛樹脂泡沫產品的節能性與抗火焰穿透性更好，值得重點應用與探究。為了進一步提升產品的應用優勢，對其抗拉強度進行增強極為必要。

1 酚醛樹脂泡沫產品概述

1.1 酚醛樹脂類型

根據苯酚與甲醛摩爾比、反應條件情況，酚醛樹脂在合成中需要用到不同種類的催化劑，常見的酚醛樹脂主要有兩大類型，即線性熱塑性酚醛樹脂和熱固性酚醛樹脂。其中，熱塑性酚醛樹脂是控制酚醛之間的摩爾比，在酸性催化劑的應用下經過縮聚而生成，熱塑性酚醛樹脂加工時需要使用堿性的固化劑，經過酸性催化劑與堿性固化劑的中和反應，實現酚醛樹脂的固化成型。常用到的堿性催化劑主要有氫氧化鈉和氨水。甲醛在酸性條件下產生碳離子，苯環間通過亞甲基連接，形成線性酚醛樹脂。因此，熱塑性酚醛樹脂經常以固態的形式出現。熱固性酚醛樹脂的合成機理如：苯酚在堿性環境中成為苯氧負離子，與甲醛反應生成鄰位或對位羥甲基苯酚，并與甲醛反應生成三羥甲基苯酚。在縮合反酚醛樹脂下生成可發性酚醛樹脂[1]。

1.2 酚醛泡沫的特性分析

酚醛泡沫一般指以酚醛樹脂為基體，通過加入發泡劑、固化劑、表面活性劑，在發泡劑汽化和酚醛樹脂固化的過程中，經過發泡劑氣體分散而產生的泡沫材料。性能上，酚醛樹脂泡沫具有良好的防火和保溫優勢[2]。分析酚醛樹脂泡沫的特性，具體如下：

（1）酚醛樹脂泡沫具有較好的阻燃性。酚醛分子內存在苯酚環，泡沫體燃燒時會產生亞甲基自由基，該物質被苯酚環吸附并產生泡沫結構，且泡沫結構內的含碳量很高，減少物質揮發程度，突出酚醛樹脂泡沫的絕熱效果。純的酚醛樹脂泡沫氧指數為40，可作為B1級阻燃材料應用。（2）酚醛樹脂泡沫具有較強的絕熱性。任何物質的理化性質主要由物質的內在結構所決定，將酚醛樹脂泡沫和聚苯乙烯泡沫進行對比，發現酚醛樹脂泡沫閉孔率很高，傳熱介質之間可以相互隔離，流傳通道被阻斷，對流傳熱降低?；谶@一情況，酚醛樹脂泡沫的隔熱能力很強，導熱率最低只有0.022W/（m·K）。（3）酚醛樹脂泡沫具有優異的吸音性能。正是因為這一特點，當前建筑行業施工中經常將酚醛樹脂泡沫材料用于墻體施工。酚醛樹脂泡沫密度較低，吸引系數在中頻、高頻區接近巖棉板的效果，且比其他泡沫塑料更有效。此外，酚醛樹脂泡沫有著防潮和抗彎曲變形的特點，目前被廣泛應用于建筑施工和交通運輸領域內，已作為一種吸聲材料使用。

1.3 酚醛樹脂泡沫產品的節能情況

從節能的角度來看，酚醛樹脂泡沫低煙低毒，不會對人體產生危害，也不會對生態環境造成污染。酚醛樹脂由碳氫氧三元素組成，酚醛樹脂泡沫在高溫環境下分解時會有少量一氧化碳產生，但人們可通過有效的措施避免一氧化碳有毒氣體的逸出。不僅如此，酚醛樹脂泡沫材料在燃燒時不會產生過多的煙霧，與傳統泡沫材料相比，酚醛樹脂泡沫具有良好的節能特點。酚醛樹脂的使用溫度范圍廣，在-196℃-200℃間不會收縮或催化，是暖通制冷工程中最理想的絕熱材料。憑借著酚醛樹脂泡沫的高閉孔率和低導熱系數，材料隔熱性能良好，且具有抗水性與水蒸氣滲透性，是當前行業內常用的保溫節能材料。由于酚醛具有苯環結構，所以尺寸穩定，防腐抗老化。在生產工藝發泡中不用氟利昂做發泡劑符合國際環保標準，符合國家綠色環保要求。故此，酚醛超級復合板是最理想的防火、絕熱、節能、美觀的環保綠色保溫材料。

2 酚醛樹脂泡沫產品增強抗拉強度的實驗研究

2.1 酚醛樹脂泡沫產品的制備

酚醛樹脂泡沫產品的制備原理是應用功能甲醛和苯酚在堿性環境下，通過維持環境溫度參數，讓有機物發生反應的模式，反應環境的溫度為70到110℃。傳統的制備過程中，對于制備系統的要求較為苛刻，會產生過多的環境污染物。本文探討的酚醛樹脂泡沫產品制備中，將原有制備方法中的甲醛水溶液使用多聚甲醛替代，使用該物質和甲醛水溶液形成醛源，在之后的反應中可以直接使用，由于反應物的含水量大幅下降，所以無需通過后續的脫水工作獲得產物。

（1）各類反應物的類型：1）苯酚，選用的苯酚為分析純。2）多聚甲醛，選擇的工業級高純度產品。3）氫氧化鈉，選擇工業級產品。4）氫氧化鋇。5）N，N-二甲基乙醇胺，采用工業級別產品。（2）反應設備，包括加熱磁力攪拌機、電子天平等。（3）采用新型工藝獲取產品，方法是確定多聚甲醇和苯酚的配比之后稱取，和甲醇水溶液共同放置于帶有攪拌器、溫度計以及攪拌器的燒瓶中，升高溫度到40℃，之后加入氫氧化鋇和N，N-二甲基乙醇胺配置的催化劑，升溫到55℃并維持30min，之后升溫到70℃，并向其中加入氫氧化鈉溶液，反應30min，之后加入剩余的氫氧化鈉溶液，升溫到85℃并維持120min，反應之后降溫到75℃并加入尿素。

2.2 酚醛樹脂泡沫的抗拉強度測定

選取規格為100mm×100mm×50mm的酚醛泡沫作為試驗樣本，將其固定在試驗平臺上。其后，利用CMT-4204型萬能試驗儀對泡沫樣本進行拉伸處理，具體設備參數為5mm/min，觀察酚醛樹脂泡沫斷裂的最大值。以3個樣本/組的周期進行多次檢測，并取每組的試驗均值進行對比評價，具體試驗標準為《軟質泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定標準》（GB T 6344-2008）[3]。在酚醛樹脂泡沫抗拉強度的測定時間中，抗拉強度、斷裂拉伸率主要可通過：與兩個公式運算得出。

其中，為泡沫樣本的抗拉強度，單位為kPa;為泡沫樣本的最大荷載量，單位為N;為樣本試驗前的橫截面積，單位為mm2;為泡沫樣本試驗測得的斷裂拉伸率，以百分比形式表示;為樣本斷裂處拉伸后的標準距離，單位為mm;為樣本斷裂處試驗前的標準距離，單位為mm。

需要注意的是，為了保證抗拉強度的測定精準性，應對酚醛樹脂泡沫的質量進行幾點把控：（1）應保證泡沫樣本的結構完整、表面平整，無易發生拉伸斷裂的縫隙、孔洞、破損等情況;（2）通常情況下，生產后72h以內的酚醛樹脂泡沫不應作為試驗樣本，以免引起質量不穩定而影響試驗結果;（3）在試驗前，同組樣本應置于室溫23℃左右、濕度50%左右的環境中16h以上，以確保各樣本的狀態一直，具有試驗均值與對比值的運算價值。

2.3 酚醛樹脂泡沫抗拉強度的提升

通過前文分析可知，酚醛樹脂泡沫的抗拉強度還可以得到進一步提高，如果無法保證前度，那么酚醛樹脂泡沫會出現脫粉掉渣等情況，繼而威脅到產品的生產和銷售，嚴重的情況下，還會造成安全隱患，在后期使用過程中出現事故。通過在酚醛樹脂泡沫中加入增韌劑的方式來提高抗拉強度，需要注意的是，需要在合成過程和發泡過程中分別加入不同的增韌劑，在合成過程中加入的增韌劑成分為丙三醇，在發泡過程中加入的增韌劑為多個有機和無機酸酯的復配物，從而盡可能的提高酚醛樹脂泡沫的抗拉強度[4，5]。

（1）在可發性酚醛樹脂中加入以丙三醇為主的增韌劑。按照酚醛樹脂泡沫產品的制備步驟，在合成階段中加入少量的丙三醇，需要注意的是，丙三醇的加入時間要在可發性酚醛樹脂在55℃環境中保溫60分鐘后。加入后，繼續按照原有步驟完成制備，此時完成了第一階段的強化。（2）在酚醛樹脂發泡過程中加入多個有機和無機酸酯的復配物增韌劑，分別稱為：增韌劑1、2。將制備好的樹脂按照固定的制備步驟，完成發泡，此時分別稱取沒有加入增韌劑的酚醛樹脂以及改性后的酚醛樹脂各50g，再加入穩泡劑后，再分別加入一定量的增韌劑1、2，繼續按照原有的步驟，完成酚醛樹脂發泡產品的制備。

在此基礎上，進一步測試酚醛樹脂泡沫的抗拉強度，根據實際的數據顯示，隨著兩次增韌劑的加入，抗拉伸強度得到大幅度提升。以增韌劑2為例，隨著加入量的提高，酚醛樹脂泡沫的抗拉伸強度也得到了大幅度提高，當添加量到了6%時，抗拉伸強度超過了規定的0.08MPa。當添加量達到了8%時，抗拉伸強度相對降低。從實驗中還會發現如果單純增加有機或者無機酸酯，會導致酚醛樹脂泡沫燃燒放熱量性能的增加，從而在一定程度上導致該產品的助燃性降低。因此，在實際生產過程中必須要采用有機和無機酸酯的復配物，并且二者之間的比例，在提高酚醛樹脂泡沫抗拉強度的同時，盡可能降低增韌劑對其他元素的影響。根據具體的情況來看，加入了增韌劑后的酚醛樹脂泡沫抗拉伸強度明顯提高，強度可以達到0.109MPa，已經超出了行業標準要求的0.08MPa。丙三醇作為增韌劑在酚醛樹脂泡沫生產制備的合成環節加入，發揮著交聯劑的作用，通過增加酚醛樹脂交聯密度的方式，來提高酚醛樹脂泡沫的抗拉伸強度。在制備酚醛樹脂泡沫的過程中，僅提高抗拉伸強度是不夠的，還需要在改性的過程中，避免增韌劑對其他性能造成負面影響。作為建筑外墻保溫施工過程中的主要保溫防火材料，還需要對性能改善進行深層次研究，確保其可以充分發揮出自身性能，提高建筑的安全性。

3 結語

綜上所述，酚醛樹脂泡沫產品有著較好的節能特性，且其阻燃性、絕熱性、吸引性、抗火焰穿透性更強，在外墻保溫中更為適用。為了進一步增強其應用性能，在明確酚醛樹脂泡沫產品現有強度的基礎上，展開了增韌劑的優化制備，以達到提升產品抗拉強度的效果，為酚醛樹脂泡沫產品的制備提供了參考，也為建筑工程提供了更廣的材料選擇范圍。

參考文獻

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[3] GB T 6344-2008，軟質泡沫聚合材料拉伸強度和斷裂伸長率的測定標準[S].

[4] 孫中心，王雷，李東風.酚醛泡沫塑料制備和性能研究[J].塑料工業，2007（8）：46-49.

[5] 劉新民，郭慶杰.可發性酚醛樹脂的合成及性能研究[J].塑料工業，2007（5）：4-8.