膨脹?；⒅?熱固性樹脂輕質(zhì)復(fù)合材料研究

蔡靜平，王羅新*，吳 靜，劉偉華，羅淑湘

(1 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2 山東創(chuàng)智新材料科技有限公司，山東 濰坊 261100；3 北京市建筑技術(shù)發(fā)展有限公司，北京 100038)

膨脹玻化微珠(EVB)[1]是一種新型無機(jī)玻璃質(zhì)礦物材料，經(jīng)破碎、篩分、高溫瞬時燃燒膨脹?；傻膬?nèi)部多孔﹑表面玻化封閉的球狀體顆粒。與其他固體材料相比較，膨脹?；⒅榫哂休^小的密度、較大的比表面積和較好的分散性，近年來將其作為輕質(zhì)骨料應(yīng)用于輕質(zhì)砂漿和抹灰材料得到了廣泛的研究[2-4]。其所特有的輕質(zhì)環(huán)保、節(jié)能保溫的性能使其成為繼粉煤灰[5]、膨脹珍珠巖[6]、聚苯顆粒[7,8]等諸多傳統(tǒng)輕質(zhì)絕熱材料之后的一種新型無機(jī)輕質(zhì)絕熱材料，采用膨脹玻化微珠作為骨料可以彌補(bǔ)膨脹珍珠巖的易粉化和聚苯顆粒的易燃的不足，因此膨脹玻化微珠越來越廣泛的應(yīng)用于建筑保溫隔熱材料。

然而，膨脹?；⒅橐簿哂休p質(zhì)骨料的缺陷—低抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致其在使用中吸水率增大，保溫性能降低，為彌補(bǔ)膨脹玻化微珠在使用中吸水率增大的問題，孟慶林等[9]采用有機(jī)硅憎水劑對玻化微珠進(jìn)行了表面處理，顯著降低了其吸水率。在顆粒改性方面，本課題從增強(qiáng)著手，采用熱固性脲醛樹脂(UF)[10]作為改性劑，增大膨脹?；⒅樽陨韽?qiáng)度的同時減小其吸水率，從而減小其在使用過程中的吸水率，保持了其優(yōu)異的保溫性能。在復(fù)合板材方面，本課題采用耐火材料用熱固性酚醛樹脂(PF)[11]作為膠黏劑，開發(fā)出一種具有阻燃防火用，耐壓性能和保溫性能優(yōu)異的復(fù)合板材。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

膨脹?；⒅椋毫?0-80目，用于膨脹?；⒅榈母男?；粒徑 20-40目，用于復(fù)合板材的制備，山東創(chuàng)智新材料科技有限公司，膨脹玻化微珠的表觀形貌見圖1，化學(xué)成分分析見表1；酚醛樹脂：工業(yè)級，武漢力發(fā)化工有限責(zé)任公司；無水乙醇：分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；脲醛樹脂，市售；氯化銨：國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，AR。

表1 膨脹?；⒅榈幕瘜W(xué)成分分析

圖1 膨脹玻化微珠表觀形貌

圖2 脲醛樹脂的量對?；⒅橥矇簭?qiáng)度的影響

1.2 改性膨脹?；⒅榈闹苽?/h3>

將膨脹玻化微珠置于105℃的溫度下干燥兩小時，取25g氯化銨固體，配制成濃度為1%的氯化銨水溶液。取脲醛樹脂和適量氯化銨溶液攪拌均勻，將其混合均勻后涂覆在膨脹?；⒅榈谋砻?，將表面包覆有增強(qiáng)液的膨脹?；⒅樵诔叵鹿袒袒髮⑵渲糜?10℃溫度的條件下干燥2小時，得到具有脲醛樹脂表面包覆增強(qiáng)層的膨脹?；⒅?，試驗中所采用的脲醛樹脂與膨脹?；⒅榈馁|(zhì)量百分比為0%、20%、40%、60%、80%、100%、120%、140%、160%、180%，試驗中所用的氯化銨用量為脲醛樹脂質(zhì)量的2%。

1.3 復(fù)合板材的制備

將膨脹?；⒅橹糜?105℃的溫度下干燥兩小時，取一定量的無水乙醇稀釋酚醛樹脂，將酚醛樹脂與膨脹玻化微珠混合均勻，按照1:1.2的壓縮比置于鋼質(zhì)模具內(nèi)并壓實撫平，置于烘箱內(nèi)在160℃的溫度條件下固化成型，固化時間與板材的厚度相關(guān)。所采用的模具大小為 70mm×70mm×70mm與 160mm×40mm×40mm兩種，前者固化時間為3h，后者的固化時間為5h。

1.4 測試方法

按照J(rèn)C/T1042-2007?；⒅榈臉?biāo)準(zhǔn)要求，測量膨脹玻化微珠顆粒的體積吸水率和筒壓強(qiáng)度，筒壓強(qiáng)度采用微機(jī)控制電子式萬能實驗機(jī)（濟(jì)南聯(lián)工測試技術(shù)有限公司W(wǎng)DW-20E型萬能試驗機(jī)）測試；采用導(dǎo)熱系數(shù)測定儀HC-074-200測量膨脹?；⒅楹蛷?fù)合板材的導(dǎo)熱系數(shù)。采用微機(jī)控制電子式萬能實驗機(jī)測定樣塊（試樣尺寸為 70mm×70mm×70mm）的壓縮強(qiáng)度；采用簡支梁擺錘沖擊強(qiáng)度試驗機(jī)測定樣塊（試樣尺寸為160mm×40mm×40mm）的沖擊強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨脹?；⒅榈谋砻娓男?/h3>

2.1.1 脲醛樹脂量對膨脹?；⒅橥矇簭?qiáng)度的影響

圖2為脲醛樹脂量與改性膨脹玻化微珠筒壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖2可知，改性后膨脹?；⒅榈耐矇簭?qiáng)度有顯著的提高，并且隨著脲醛樹脂含量的增加而增大。改性前，由于所使用的膨脹玻化微珠粒徑較小，其筒壓強(qiáng)度為182.08Kpa，當(dāng)所使用的脲醛樹脂量為膨脹玻化微珠質(zhì)量的20%時，其筒壓強(qiáng)度達(dá)到了360.67 Kpa，急劇增大為原樣的2倍，脲醛樹脂的增強(qiáng)效果非常明顯。

2.1.2 脲醛樹脂對膨脹?；⒅槊芏鹊挠绊?/p>

表2為脲醛樹脂用量與改性膨脹玻化微珠堆積密度關(guān)系圖表。從表2可以看出隨著脲醛樹脂相對用量的增加，改性膨脹?；⒅榈亩逊e密度也隨之增加。膨脹?；⒅榈闹饕煞质嵌趸瑁诒≈锌?，密度很小，而改性后表面脲醛樹脂層的相對密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膨脹?；⒅樽陨淼拿芏?，這是導(dǎo)致其增大的主要原因，當(dāng)脲醛樹脂用量為膨脹?；⒅橘|(zhì)量的100%時，改性后膨脹?；⒅榈亩逊e密度為117.72 Kg/m3，相對于改性前增大了60.64%，同時仍然具有輕質(zhì)的優(yōu)異性能，但此時強(qiáng)度提高了將近3倍，吸水率也減小了約10個百分點。

表2 脲醛樹脂用量對膨脹?；⒅槎逊e密度的影響

2.1.3 脲醛樹脂量對膨脹?；⒅槲阅艿挠绊?/p>

圖3所示為脲醛樹脂的量與改性膨脹?；⒅轶w積吸水率的關(guān)系曲線，從圖3中可以看出，改性后膨脹?；⒅榈奈氏陆捣群艽螅S著脲醛樹脂用量的變化其體積吸水率的變化幅度較小。當(dāng)脲醛樹脂用量僅為膨脹?；⒅橘|(zhì)量的 20%時，膨脹?；⒅榈捏w積吸水率從原來的 29.97%降至改性后的20.66%。改性后膨脹?；⒅榈捏w積吸水率相比于原樣降低了27.71%。

脲醛樹脂固化后，在膨脹?；⒅榈谋砻嫘纬闪艘粚蛹婢咴鰪?qiáng)和疏水特性的樹脂層，該樹脂層同時也增大了膨脹玻化微珠與水分子之間的接觸角，封閉了膨脹玻化微珠表面存在的微孔結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到了降低其吸水率的目的。一般對于保溫材料來講，其體積吸水率越低，保溫效果也越好，這對于提高膨脹玻化微珠使用中的保溫性能具有很大的積極作用。

圖3 脲醛樹脂量對玻化微珠吸水率的影響

圖4 脲醛樹脂量對?；⒅閷?dǎo)熱系數(shù)的影響

2.1.4 脲醛樹脂量對膨脹玻化微珠導(dǎo)熱系數(shù)的影響

圖4為脲醛樹脂量與膨脹?；⒅閷?dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，膨脹?；⒅榈膶?dǎo)熱系數(shù)整體呈現(xiàn)略有上升的趨勢，但變化幅度不大。改性后，其導(dǎo)熱系數(shù)在0.0388～0.04585 W/(m·K) 之間，根據(jù)JC/T 1042-2007的要求，按照導(dǎo)熱系數(shù)分類，改性后膨脹?；⒅閷儆冖耦惡廷蝾?，符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時，其導(dǎo)熱系數(shù)也在國家規(guī)定的保溫材料的要求之內(nèi)。在三種溫度條件下，改性后的膨脹?；⒅橄鄬τ谠瓨拥淖兓秶?4% - 13%之間。改性后膨脹玻化微珠的導(dǎo)熱系數(shù)略有增大可能是由于改性后小粒徑的膨脹?；⒅榱阶兇螅w粒間空隙增大，空氣對流量增加導(dǎo)致。然而改性膨脹?；⒅榈膹?qiáng)度增加，破碎率和吸水率大幅降低，在后期應(yīng)用的過程中，這對于其保溫性能的提高具有很大的積極作用。

2.2 酚醛樹脂/膨脹?；⒅槎獜?fù)合板材

為進(jìn)一步擴(kuò)寬膨脹玻化微珠的應(yīng)用范圍，課題組采用耐火材料用酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，制備了酚醛樹脂/膨脹玻化微珠二元復(fù)合板材。在前期工作中，課題組已采用熱固性酚醛樹脂對膨脹?；⒅檫M(jìn)行了改性研究，酚醛樹脂可以提高膨脹玻化微珠的綜合性能。同時，酚醛樹脂具有優(yōu)異的防火耐熱和保溫疏水的性能，采用酚醛樹脂做為粘結(jié)劑所制備的復(fù)合板材同時具有輕質(zhì)、防火耐熱和保溫效果良好的優(yōu)異性能。

表3顯示了酚醛樹脂使用量對復(fù)合板材堆積密度、抗壓強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響。從表中可以看出，所制備的二元復(fù)合板材密度均在200Kg/m3以下，屬于國家對于輕質(zhì)板材的規(guī)定范圍。復(fù)合板材的壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均隨著酚醛樹脂用量的增加而增加，復(fù)合板材具有一定的耐壓能力和耐沖擊能力，能夠作為非支撐材料使用，同時從表3中可以看出，該二元復(fù)合板材的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.045 W/(m·K)左右，具有非常優(yōu)異的保溫性能，可廣泛作為墻體保溫材料用，同時該板材具有不燃不融的優(yōu)異性能，具有非常好的耐火作用。

表3 酚醛樹脂用量對復(fù)合板材性能的影響

3 結(jié)論

（1）采用熱固性脲醛樹脂對膨脹玻化微珠進(jìn)行表面包覆改性得到了改性膨脹?；⒅椤＝Y(jié)果表明，改性后的膨脹玻化微珠的吸水率明顯降低，最大下降了10.6個百分點；當(dāng)脲醛樹脂和玻化微珠的質(zhì)量百分比為20%時，其筒壓強(qiáng)度增大為原樣的1.98倍，而此時，其堆積密度僅為原樣的1.27倍；改性后的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大。綜合以上性能可以說明，改性?；⒅楸憩F(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，使得膨脹?；⒅榈氖褂酶臃奖?，改善了其后期產(chǎn)品加工和運(yùn)輸條件，同時也提高后期產(chǎn)品的保溫性能。

（2）采用熱固性酚醛樹脂作為膠黏劑制備了酚醛樹脂/膨脹?；⒅槎獜?fù)合板材，結(jié)果表明：該二元復(fù)合板材的體積密度低于200Kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)低于0.050W/(m·K)，具有一定的壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度。該復(fù)合板材的模具成型法制備過程簡單，板材具有耐火阻燃，保溫效果優(yōu)異，以及一定的隔音效果和防水效果，是一種高效節(jié)能復(fù)合保溫板材。

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