關于聚乙二醇對酚醛樹脂泡沫增韌效果的分析

顧婉娜

摘 要：應用多聚甲醛與苯酚制備酚醛樹脂，再對酚醛樹脂展開發泡實驗研究，將質量不同和相對分子質量的聚乙二醇作為變量，當酚醛樹脂進入脫水階段時，加入聚乙二醇，從而實驗獲得改性后的酚醛樹脂。加入發泡劑和固化劑等物質，酚醛樹脂泡沫在發泡后能夠得到良好的增韌效果。對酚醛樹脂泡沫進行力學性能參數研究，探究酚醛樹脂泡膜的增韌效果達到最佳時，聚乙二醇的質量與相對分子質量情況，進而了解酚醛樹脂的結構。

關鍵詞：聚乙二醇;酚醛樹脂泡沫;增韌效果

0 引言

當前酚醛樹脂發泡材料在保溫隔熱防火領域內有著良好的應用效果，分析各類原料對酚醛樹脂發泡的影響，經過實驗研究，對材料進行合理設計，確定聚乙二醇的添加量，從而找出最佳水平組合。酚醛樹脂泡沫在發泡過程中需要用到乳化劑、發泡劑、增韌劑等原料，分析酚醛樹脂發泡的最佳配比，有利于強化酚醛樹脂泡沫的增韌效果。

1 酚醛樹脂泡沫概述

1.1 酚醛樹脂泡沫

酚醛泡沫是一種難燃且具有保溫功能的材料，其導熱系數比較低。酚醛泡沫在燃燒時只會表面發生碳化，不會產生熔融滴落物，但會有少量的煙氣產生。酚醛樹脂的耐熱性能較強，擁有優異的耐溶劑性能。近幾年，在建筑保溫和隔熱領域內，人們對酚醛泡沫材料進行了廣泛關注。但當前國內生產的酚醛泡沫在技術上還不夠成熟，產品容易分化，吸水率較高，且生產成本不低，這導致建筑施工時無法廣泛應用以酚醛泡沫為原料的外墻保溫材料。制備酚醛泡沫的基礎原料就是酚醛樹脂，這是一種人工合成的樹脂材料，已經具有百年的應用歷史，由于酚醛樹脂價格低廉，制成工業產品后有著較高的力學強度，在耐熱、絕緣、阻燃方面擁有良好的應用特點，可以將酚醛樹脂用于汽車、電子、住宅、電氣等行業中。但酚醛樹脂在應用時也存在缺點，酚羥基與亞甲基容易被氧化，導致酚醛樹脂的耐熱性受影響，固化后的酚醛樹脂芳核間由亞甲基相連，這一結構容易導致剛性基團的密度過大，酚醛樹脂無法抵御外界沖擊，韌性不強。因此，提高酚醛樹脂的韌性和耐熱性是人們研究的重點[1]。

1.2 酚醛樹脂的分類

一般情況下，常見的酚醛樹脂主要有熱塑性酚醛樹脂與熱固性酚醛樹脂。酚醛泡沫在應用中具有絕熱、難燃以及耐腐蝕的特點，可在石油化工、建筑施工以及交通運輸中廣泛應用。其中，熱塑性酚醛樹脂屬于線性結構，擁有可溶可熔的特點，將酚醛樹脂材料加熱后，材料不會固化，只有加入一定劑量的固化劑后，熱塑性酚醛樹脂才能固化。熱固性酚醛樹脂材料需要經歷三個階段：甲階段PF是線性可溶可熔酚醛樹脂;乙階是少量交聯半可熔可熔酚醛樹脂;丙階為交聯不溶不熔酚醛樹脂。一般情況下，合成的熱固性酚醛樹脂多數被控制在前兩個階段，以此保證酚醛樹脂在加工中能夠流動，不加入固化劑，通過加熱即能達到固化的效果，但丙階的熱固性酚醛樹脂卻難以進行加工。

1.3 發泡劑的作用

發泡劑就是使物質成孔的材料，可以被劃分為三種類型，即化學類發泡劑、物理類發泡劑、表面活性劑。其中，化學發泡劑是氣體加熱分解后可以釋放二氧化碳與氮氣，并在聚合物內產生細孔的化合物。物理類發泡劑是細孔通過某類物質的物理形態轉化，經過壓縮氣體膨脹、固體溶解、液體揮發而產生。發泡劑表面活性較高，可以降低液體張力，形成單個氣泡后再組成泡沫。在酚醛發泡中加入物理發泡劑，引入空氣后加入表面活性劑，進而產生泡沫，通過升溫釋放氣體，并在受熱的情況下生成小氣泡孔，讓原本的實心材料成為多孔狀的海綿物質。酚醛樹脂中的發泡劑實際上就是物理性發泡劑，化學發泡劑主要有碳酸鈉和碳酸氫鈉等，目前人們常用的發泡劑主要為鹵代脂肪烴，該材料主要是氟利昂，容易對大氣臭氧層造成破壞，目前已經被多個國家禁止使用。為了尋找鹵代脂肪烴的替代品，人們在其基本組成和配比下進行發泡劑量的調整。

2 聚乙二醇對酚醛樹脂泡沫增韌效果分析

2.1 實驗過程

2.1.1 酚醛樹脂合成

實驗過程中主要需要用到PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000、苯酚、多聚甲醛、聚山梨酯-80、苯磺酸、鹽酸、氫氧化鋇等材料。需要用到的儀器設備主要有電子天平、集熱式恒溫加熱器、磁力攪拌器、電動式攪拌電機、傅里葉變換紅外光譜儀、萬能試驗機、水浴加熱回流冷凝管。酚醛樹脂的制備需要經過一定的流程，將苯酚、多聚甲醛、氫氧化鋇經過冷凝回流，縮聚后出料。酚醛樹脂的合成需要經過幾點步驟：（1）在試劑瓶內加入苯酚晶體，將其放在40℃水浴鍋內加熱，直到苯酚晶體全部融化。（2）使用電子天平稱量94.11g的液態苯酚，將其放在500ml三口燒瓶內，使用集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，將三口燒瓶放在水浴鍋內，再用鐵夾將三口燒瓶固定住。（3）打開水浴鍋的開關，將溫度調節到45℃左右，將攪拌子放入三口燒瓶內，調節轉速為每分鐘20r，插入回流冷凝管進行冷凝。（4）使用電子天平稱量八水合氫氧化鋇，為了確定用量，可使用苯酚4%質量的八水合氫氧化鋇，放入三口燒瓶中攪拌均勻，等待晶體溶解，再調節溫度到70℃，恒溫后產生反應，加入1.6mol多聚甲醛49.6g，需加熱4小時。加入多聚甲醛后，液體逐漸變得渾濁，同時會有白色顆粒狀的多聚甲醛在苯酚溶液中漂浮，反應后這些顆粒物將會被溶解，液體顏色加深，從原有的淺黃色逐漸轉為深黃棕色。反應時間越長，酚醛樹脂液體將轉為透明，且液體粘度越來越大，并變為深紅棕色[2]。

2.1.2 酚醛樹脂泡沫制備

將酚醛樹脂、發泡劑、酸固化劑、表面活性劑經過攪拌發泡，固化后形成酚醛樹脂泡沫。關于酚醛樹脂發泡時所有試劑的用量，具體如：酚醛樹脂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%水溶液的對苯磺酸1.2g;鹽酸1.0g。按照提前配置的比例稱取試劑，將稱量后的酚醛樹脂、發泡劑、固化劑倒入燒杯內，攪拌至混合狀態。計時開始，記錄酚醛樹脂和發泡劑等混合液的起泡時間與泡沫最高點時間，直到發泡終了階段后停止計時。計時期間應測量反應溫度，當泡沫高度超過杯口時插入3cm深的熱電偶，將最高溫度記錄為反應溫度。這時，固化之后的酚醛樹脂泡沫就是制備成功的成品。強力攪拌作用下，混合液體放熱的同時粘度加大，液體顏色從透明變為紅棕色，再變為黃色，隨著酚醛樹脂泡沫的固化，物質放熱的同時有起泡產生，導致發泡劑汽化，而酚醛樹脂體積開始膨脹，經過一段時間后酚醛樹脂泡沫又從棕黃色變為紅色[3]。

2.1.3 改性酚醛樹脂泡沫制備

選擇熱固性酚醛樹脂材料，在酚醛樹脂制備完成后的5分鐘內加入增韌劑，按照苯酚質量分數確定增韌劑PEG的加入量，最多不宜超過4%。改性酚醛樹脂泡沫的發泡過程和純酚醛泡沫的制備方法一樣，而增韌劑PEG的加入量情況如：改性酚醛樹脂加入0.5%的PEG時，需要94.11g苯酚、0.47gPEG600、0.47gPEG1000、0.47gPEG2000、0.47gPEG4000;改性酚醛樹脂加入1%的PEG時，需要94.11g苯酚、0.94gPEG600、0.94gPEG1000、0.94gPEG2000、0.94gPEG4000;改性酚醛樹脂加入2%的PEG時，需要94.11g苯酚、1.88gPEG600、1.88gPEG1000、1.88gPEG2000、1.88gPEG4000;改性酚醛樹脂加入3%的PEG時，需要94.11g苯酚、2.82gPEG600、2.82gPEG1000、2.82gPEG2000、2.82gPEG4000;改性酚醛樹脂加入4%的PEG時，需要94.11g苯酚、3.77gPEG600、3.77gPEG1000、3.77gPEG2000、3.77gPEG4000。

2.2 實驗結果分析

分析PEG對酚醛樹脂泡沫的改性影響，四種不同型號的PEG增韌酚醛樹脂發泡時間變化趨勢比較接近。隨著PEG的加入量增加，酚醛樹脂發泡時間先下降，再上升。當PEG的加入量是2%的時候，酚醛樹脂的發泡時間最低，只有49.1s。當PEG的加入量超過2%時，此時PEG黏度增加，阻礙酚醛樹脂的發泡過程，所以酚醛樹脂的發泡時間也會有所增加。經過比較分析得知，PEG1000的酚醛樹脂發泡時間最佳，在60s左右，沒有過大的變化幅度，這與PEG1000分子鏈適中有關，PEG1000和酚醛樹脂之間有著較好的相容性，對酚醛樹脂不會產生過大的活性影響，因此酚醛樹脂的發泡時間是最穩定的。

正常情況下，酚醛樹脂泡沫固化時間為60s。這幾種型號的PEG增韌酚醛樹脂固化時間變化趨勢相近，PEG用量增加后，酚醛樹脂的固化時間先上升再下降。當PEG用量為2%時，酚醛樹脂的固化時間在60s左右，最多不超過70s。在固化時間方面，PEG1000的固化時間不會產生過大波動，基本處于50s左右。

通過PEG對酚醛樹脂發泡倍數的影響分析，四種類型PEG增韌酚醛樹脂泡沫發泡倍數變化趨勢相近。PEG用量增加后，發泡倍數先上升后下降，當PEG加入量是2%時，酚醛樹脂的發泡倍數最大，可達20.7倍。相比較而言，PEG1000的發泡倍數相對穩定，沒有過大的變化幅度，一直處于13.2倍左右，最多不超過16.1倍。

分析PEG對密度的影響。四種類型的PEG增韌酚醛樹脂泡沫密度比較接近，隨著PEG的用量增加，酚醛樹脂泡沫密度先減少再增加。當PEG的加入量為2%時，酚醛樹脂泡沫的密度最低，只有45.2mg/cm3。相比較而言，PEG1000的密度比較溫度，處于55mg/cm3左右，最多不超過70mg/cm3。由于這幾種PEG酚醛樹脂泡沫質量一樣，因此密度和酚醛樹脂發泡的倍數之間呈反比關系。

分析PEG對粉化率的影響。隨著PEG添加量的增加，酚醛樹脂泡沫塑料粉化率下降，當PEG加入量為2%時，酚醛樹脂塑料粉化率最小，只有2%。隨著PEG加入量的不斷增加，酚醛樹脂塑料的粉化率開始升高，出現這一情況的原因與PEG粘度小有關，且PEG和酚醛樹脂之間有著較好的相容性，酚醛樹脂固化成型時容易和酚醛樹脂形成互穿的交聯網絡，柔性分子鏈與剛性酚醛低分子鏈能夠串聯在一起，表觀相對摩爾質量有所增加，而酚醛樹脂泡沫塑料粉化程度降低。當PEG加入量超過2%時，PEG年度提升，和酚醛樹脂之間的相容性開始邊長，酚醛樹脂泡沫體變得不再均勻，甚至有塌泡的情況出現。

3 結語

總而言之，實驗中應用多聚甲醛、苯酚等原料制作酚醛樹脂，選擇不同質量和相對分子質量的聚乙二醇，對酚醛樹脂泡沫展開增韌改性研究。通過聚乙二醇改性酚醛樹脂力學性能研究，應用傅里葉紅外光譜儀了解酚醛樹脂泡沫的增韌改性效果，當PEG1000加入量是2%時，酚醛樹脂泡沫的增韌效果達到最佳，在后期各行業領域應用時可以此作為參考。

參考文獻

[1] 肖力光，劉剛，李媛，等.酚醛泡沫塑料性能的研究[J].吉林建筑工程學院學報，2013（2）：1-3.

[2] 韓嘯，蔡然，唐鑫，等.常溫下酚醛樹脂的可發性研究[J].應用化工，2010（3）：397-400.

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