酚醛炭泡沫前驅(qū)體的制備與性能研究①

王 斌，李賀軍，郭領(lǐng)軍，張雨雷，黎云玉，許靜賢

(西北工業(yè)大學(xué)C/C復(fù)合材料工程技術(shù)研究中心，西安 710072)

0 引言

炭泡沫是一種新型輕質(zhì)多孔材料［1］，因其具有熱導(dǎo)率低、比強(qiáng)度高、比表面積大、耐高溫性能出色等諸多優(yōu)良特質(zhì)［2－3］，在航空航天、車船工業(yè)和通訊電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景［4－5］。酚醛樹脂的殘?zhí)柯瘦^高［6－7］，以酚醛樹脂為基體制備的酚醛泡沫，是炭泡沫較為理想的前驅(qū)體。然而，有關(guān)酚醛泡沫的報(bào)道并不多見。酚醛泡沫的結(jié)構(gòu)與性能將直接決定炭泡沫的結(jié)構(gòu)與性能［8－9］，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。

酚醛泡沫傳統(tǒng)的制備方法是通過(guò)在酚醛樹脂中加入發(fā)泡劑、表面活性劑等，在一定溫度下攪拌-鼓泡-冷卻成型［10－12］。該工藝制備的酚醛泡沫，泡孔形狀不規(guī)則，高溫炭化后易形成橢球形閉孔［10］，造成炭泡沫材料的各向異性;甚至出現(xiàn)破孔現(xiàn)象，影響材料的力學(xué)性能。而良好的孔結(jié)構(gòu)對(duì)泡沫體的性能具有顯著影響，為彌補(bǔ)這一劣勢(shì)，有學(xué)者直接將空心微球引入酚醛(或環(huán)氧)樹脂中［4，13］，合成泡孔較為規(guī)則的聚合物泡沫;高溫炭化后所形成的炭泡沫材料不僅具有均勻分布的球形閉孔結(jié)構(gòu)，而且力學(xué)性能、隔熱性能優(yōu)異。該工藝不僅為炭泡沫提供了大量規(guī)則球形結(jié)構(gòu)的泡孔，而且實(shí)現(xiàn)了炭泡沫密度和性能的可設(shè)計(jì)性;但有關(guān)前驅(qū)體聚合物泡沫的結(jié)構(gòu)、性能，相關(guān)學(xué)者并未做深入研究。

本研究工作將酚醛空心微球引入熱固性酚醛樹脂，經(jīng)模壓成型、高溫固化處理，合成了酚醛炭泡沫前驅(qū)體——閉孔微球型酚醛泡沫材料，分析研究了該酚醛泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)、壓縮性能、耐高溫性能和隔熱性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1．1 原材料

甲醛，37%水溶液，分析純，天津科密歐化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。苯酚，分析純，天津市登峰化學(xué)試劑廠生產(chǎn)。氫氧化鈉，分析純，天津市巴斯夫化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。酚醛空心微球，密度0．25 g/cm3，Asian Pacific公司生產(chǎn)。

1．2 酚醛泡沫材料的制備

將甲醛與苯酚按1∶1．35的摩爾比混合，以NaOH溶液為催化劑，水浴加熱，于80～95℃反應(yīng)合成熱固性酚醛樹脂。將酚醛空心微球過(guò)180目篩網(wǎng)后，分別與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的酚醛樹脂混合，經(jīng)機(jī)械攪拌、超聲分散均勻后，注入模具中;室溫下靜置一段時(shí)間，于130～180℃固化48 h，脫模，即得到微球型酚醛泡沫材料。根據(jù)微球在樹脂基體中不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合成的酚醛泡沫分為3組，對(duì)應(yīng)編號(hào)及其密度如表1所示。其中，不含空心微球的CF-0為純酚醛樹脂，與另2組酚醛泡沫材料作性能對(duì)比。

表1 合成的3組酚醛泡沫Table 1 Three different synthesized phenolic foams

1．3 微觀結(jié)構(gòu)與性能測(cè)試

采用BT-2003型激光粒度分布儀表征閉孔微球的粒徑與頻度分布。采用JSM6400型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)表征酚醛泡沫的顯微形貌。

采用CMT-5304電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試酚醛泡沫試樣的壓縮強(qiáng)度。試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，加載速率為0．5 mm/min。對(duì)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線積分，計(jì)算該試樣在受壓失效前吸收的總能量，以此表征炭泡沫的斷裂韌性［14］。

采用德國(guó)NETZSCH STA409型熱重分析儀表征酚醛泡沫在N2氣氛下的熱失重行為。采用LFA-457熱常數(shù)測(cè)定儀測(cè)定酚醛泡沫的熱導(dǎo)率，試樣尺寸為φ12．6 mm×3 mm。750℃熱處理同樣尺寸的酚醛泡沫，測(cè)試其徑向和軸向的收縮率。

2 結(jié)果與討論

2．1 酚醛空心微球的微觀結(jié)構(gòu)

酚醛空心微球的結(jié)構(gòu)對(duì)酚醛泡沫和炭泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)具有較大影響。圖1(a)為過(guò)篩后，預(yù)加入酚醛樹脂的酚醛空心微球的微觀形貌?？梢钥闯?，微球呈規(guī)則的閉孔空心球形結(jié)構(gòu)，粒徑較小的微球吸附在較大的微球周圍。結(jié)合圖1(b)的粒度分布曲線可以看出，空心微球的中位徑為 66．59 μm，體積平均徑為80．78 μm，直徑在 30 ～100 μm 區(qū)間內(nèi)的微球頻度較高。另有近10%的微球直徑在125 μm以上，但從圖1(a)中未發(fā)現(xiàn)極大尺度的顆粒。這是因?yàn)榱捷^小的微球顆粒比表面積大，表面能較高，在粒度測(cè)試的過(guò)程中，微球間相互吸附，發(fā)生團(tuán)聚，易被判斷為一個(gè)顆粒。據(jù)此推測(cè)，圖1(b)所示的直徑在125 μm以上的“微球”，應(yīng)為較小的微球相互吸附、堆垛所致。因此，酚醛空心微球的粒徑主要集中在100 μm以下。

圖1 酚醛空心微球的微觀結(jié)構(gòu)Fig．1 Microstructure of the phenolic hollow microspheres

2．2 酚醛泡沫材料的微觀結(jié)構(gòu)

圖2為典型的酚醛泡沫材料(PF-1)的SEM照片。可看出酚醛泡沫主要由酚醛樹脂基體相和閉孔空心微球相組成;閉孔空心微球均勻分散在樹脂基體中，其孔徑為微米級(jí)，偶有微球彼此交聯(lián);另有少量孔隙相分布在樹脂基體上，這是由于制備過(guò)程中的機(jī)械攪拌和固化過(guò)程中H2O分子逃逸所致?？紫稙槿毕荩B續(xù)的孔隙相易使材料在受力過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)酚醛泡沫的力學(xué)性能造成一定影響，應(yīng)盡量避免。

圖2 酚醛泡沫的SEM照片F(xiàn)ig．2 SEM image of the phenolic foam

2．3 酚醛泡沫材料的壓縮性能

圖3為固化后純酚醛與酚醛泡沫材料，典型的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線?？煽闯觯兎尤渲膲嚎s強(qiáng)度相對(duì)較低(5．17 MPa)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線無(wú)屈服平臺(tái)區(qū)，呈現(xiàn)脆性斷裂模式。當(dāng)載荷加載至一定程度，突然發(fā)生明顯的應(yīng)力衰減，表明此時(shí)材料中出現(xiàn)若干較長(zhǎng)的裂紋［15］，裂紋擴(kuò)散無(wú)法被抑制，致使材料發(fā)生脆斷。而酚醛泡沫(PF-1)的壓縮過(guò)程主要分為彈性變形區(qū)和屈服平臺(tái)區(qū)，斷裂模式為假塑性斷裂。初始受力后，酚醛泡沫發(fā)生彈性變形。當(dāng)應(yīng)變接近10%，進(jìn)入屈服平臺(tái)區(qū)，平臺(tái)區(qū)亦是酚醛泡沫吸收能量的主要階段［16］。在此階段大量空心微球發(fā)生擠壓變形，球壁受剪應(yīng)力作用而脫粘，繼而發(fā)生連續(xù)的坍塌、破裂，壓縮碎片占據(jù)了原有微球的空間，材料繼而被壓實(shí)，使其繼續(xù)承受載荷，表現(xiàn)為應(yīng)變?cè)龃螅脚_(tái)區(qū)延長(zhǎng)，無(wú)突然性應(yīng)力衰減現(xiàn)象。

2種材料的壓縮斷裂機(jī)制如圖4所示。無(wú)微球相的酚醛樹脂脆性較大，受壓過(guò)程中一旦出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展將難以阻止，致使材料發(fā)生脆性斷裂(圖4(a))。若將閉孔空心微球引入酚醛樹脂，形成酚醛泡沫結(jié)構(gòu)(圖4(b))，在受壓過(guò)程中，空心微球相可引起裂紋偏轉(zhuǎn)和裂紋彎曲，在微球相周圍形成額外的斷裂表面，弱化了裂紋尖端應(yīng)力，吸收了大量裂紋擴(kuò)展功，同時(shí)也有效緩解了樹脂基體相中的應(yīng)力集中［17］，阻止了裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，起到良好的增韌效果;斷裂模式也因此由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄詳嗔?。材料受壓失效前的?yīng)力-應(yīng)變曲線積分面積，表示該材料在受壓過(guò)程中吸收的總能量，用以衡量該材料的斷裂韌性。吸收的總能量越高，則韌性越好。對(duì)于無(wú)大幅應(yīng)力衰減的假塑性斷裂材料，應(yīng)力-應(yīng)變曲線平臺(tái)區(qū)的末端點(diǎn)，被認(rèn)為是材料的失效點(diǎn)［18］。因此，酚醛泡沫考慮應(yīng)變?cè)?5%之前的曲線積分面積。PF-1與PF-2在壓縮過(guò)程中吸收的總能量分別為 1．78 MJ/m3和 1．48 MJ/m3，而純酚醛樹脂僅為0．11 MJ/m3。能量吸收受應(yīng)力、應(yīng)變因素同時(shí)影響，但“平臺(tái)區(qū)”是壓縮過(guò)程中吸收能量的主要階段。純酚醛樹脂的應(yīng)力低、應(yīng)變小，故吸收能量較小。而酚醛泡沫的應(yīng)力較大，微球相又明顯改善了酚醛泡沫的塑韌性，使其平臺(tái)區(qū)較長(zhǎng)，因而吸收的總能量更大，斷裂韌性更好，表現(xiàn)為PF-1在壓縮過(guò)程中吸收的總能量比PF-0提高了15倍之多。

圖3 酚醛泡沫與純酚醛樹脂的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．3 Strain-stress curves of phenolic foam and phenolic resin

圖4 純酚醛樹脂與酚醛泡沫的壓縮斷裂機(jī)制示意圖Fig．4 of proposed compressive fracture mechanisms of phenolic resin and phenolic foam

3種材料的壓縮強(qiáng)度與比壓縮強(qiáng)度值如表2所示。結(jié)果表明，純酚醛樹脂的壓縮強(qiáng)度最低;引入適量微球，使材料增韌的同時(shí)，亦改善了其壓縮強(qiáng)度——PF-1較PF-0提高了85．6%;可見引入微球相，有利于控制材料中的較長(zhǎng)裂紋的數(shù)目，避免材料在較低應(yīng)力下失效;但微球數(shù)目過(guò)多，導(dǎo)致材料的壓縮強(qiáng)度有所降低，這是因空心微球顆粒自身強(qiáng)度低于樹脂相所致。為消除密度對(duì)壓縮強(qiáng)度的影響，對(duì)酚醛泡沫的比壓縮強(qiáng)度進(jìn)行表征。酚醛泡沫的比壓縮強(qiáng)度受微球含量的影響規(guī)律與壓縮強(qiáng)度類似。引入酚醛空心微球，顯著降低了材料的密度(見表1):固化后純酚醛樹脂的密度，高出酚醛泡沫材料2．4倍左右;故單位密度下，酚醛樹脂的比壓縮強(qiáng)度遠(yuǎn)低于酚醛泡沫材料——PF-0較PF-1降低了84．3%，較PF-2降低了81%。由此可見，閉孔微球型酚醛泡沫材料是一種強(qiáng)度較高、塑韌性較好的輕質(zhì)材料。

表2 酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度與比壓縮強(qiáng)度Table 2 Compressive strength and specific compressive strength of phenolic foams

2．4 酚醛泡沫材料的熱物理性能

圖5為合成的酚醛泡沫(PF-2)在N2氣氛下的熱失重曲線。從圖5可看出，酚醛泡沫的起始熱分解溫度Td(質(zhì)量失重5%對(duì)應(yīng)的溫度)為210℃，700℃后曲線趨于平緩，750℃時(shí)的殘?zhí)柯蕿?1．9%。酚醛泡沫在260℃和550℃附近出現(xiàn)較為明顯的失重，分別對(duì)應(yīng)熱失重過(guò)程中的2個(gè)階段:分子間交聯(lián)縮合、脫水，低分子物受熱揮發(fā);自由基裂解，大量分子鏈斷裂，脫氫，結(jié)構(gòu)重排，開始炭化。600℃以后，熱失重曲線呈線性緩慢變化，苯環(huán)進(jìn)一步分解、炭化;700℃以后，酚醛泡沫基體骨架的熱解很小，泡沫體逐漸由芳環(huán)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樘继紗捂I連接的無(wú)定型炭結(jié)構(gòu)。因此，酚醛泡沫的裂解、縮聚、脫氫、脫氧和重排反應(yīng)主要發(fā)生在250～700℃之間;酚醛泡沫在該溫度區(qū)間的失重率達(dá)37．5%，占總失重的77．9%。750℃熱處理前后，酚醛泡沫的軸向、徑向收縮率分別為18．1%和17．9%，二者間的差值小于0．5%，可認(rèn)為軸向與徑向收縮率基本趨于一致。這表明酚醛泡沫在熱失重過(guò)程中發(fā)生均勻的化學(xué)反應(yīng)，沿各個(gè)方向均勻收縮;可以預(yù)測(cè)，酚醛泡沫經(jīng)熱處理后，最終轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲缘奶颗菽?/p>

純酚醛樹脂與酚醛泡沫材料在不同溫度下的熱導(dǎo)率如表3所示。結(jié)果表明，從25～100℃，酚醛聚合物的熱導(dǎo)率均在0．09 W/(m·K)以內(nèi)，且酚醛泡沫的熱導(dǎo)率明顯低于固化后的純酚醛樹脂。在低溫范圍內(nèi)，三者受溫度的影響均不明顯;隨溫度升高，熱導(dǎo)率略有增大。純酚醛樹脂的熱傳導(dǎo)主要依靠固相傳熱。經(jīng)交聯(lián)固化后的酚醛樹脂為體型酚醛聚合物，通常為飽和體系，無(wú)自由電子，僅能依靠聲子作為導(dǎo)熱載體［19］，即無(wú)規(guī)律排列的分子，圍繞某一固定位置進(jìn)行熱振動(dòng)，再將能量傳給相鄰的分子。由于酚醛聚合物分子鏈的無(wú)規(guī)則纏結(jié)，使得整個(gè)分子鏈不能完全自由運(yùn)動(dòng)，僅發(fā)生原子、基團(tuán)或鏈節(jié)的振動(dòng)，因此聲子的自由程較小，導(dǎo)致純酚醛樹脂自身的熱導(dǎo)率很低。

圖5 酚醛泡沫在N2氣氛下的熱失重曲線Fig．5 TGA curve of the phenolic foam in nitrogen atmosphere

表3 酚醛泡沫與純酚醛樹脂的熱導(dǎo)率Table 3 Thermal conductivity of the phenolic foam and phenolic resin

由表3也可看出，酚醛泡沫材料的熱導(dǎo)率隨微球相含量的增加有所降低—— PF-2在室溫和100℃下的熱導(dǎo)率比PF-0降低47%左右。這是由于固體材料的熱傳導(dǎo)除了受物相組成影響外，物質(zhì)結(jié)構(gòu)亦是熱傳導(dǎo)的另一大決定因素。對(duì)多孔固體隔熱材料而言，熱傳導(dǎo)主要由固相傳熱、固相與氣相間的傳熱、氣相傳熱和輻射傳熱組成［20］。一般來(lái)說(shuō)，在高溫范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，物體內(nèi)部分子振動(dòng)能量增大，振動(dòng)頻率變快，碰撞增多;固相傳熱和氣相對(duì)流傳熱的作用對(duì)材料的熱傳導(dǎo)影響很大。酚醛泡沫是一種孔徑為微米級(jí)的多孔高分子聚合物，最高長(zhǎng)期使用溫度一般不超過(guò)150℃［21］，對(duì)于低溫條件下的高聚物而言，輻射傳熱和氣相對(duì)流傳熱的作用很不明顯，可忽略不計(jì)。固相傳熱通過(guò)酚醛泡沫的基體骨架，即酚醛聚合物完成。如前所述，酚醛聚合物自身的熱導(dǎo)率很低。而酚醛泡沫獨(dú)特的閉孔空心微球結(jié)構(gòu)，作為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的微小單元，通過(guò)固相與氣相傳熱的方式，進(jìn)一步減小了酚醛泡沫基體骨架之間的固相傳熱效果，從而有效降低了材料整體的熱導(dǎo)率，進(jìn)一步提高了酚醛泡沫的隔熱性能。

3 結(jié)論

(1)以熱固性酚醛樹脂和酚醛空心微球?yàn)樵?，?jīng)模壓成型、高溫固化處理，固化合成了酚醛炭泡沫的前驅(qū)體——具有均勻分布的微米級(jí)孔徑結(jié)構(gòu)的閉孔微球型酚醛泡沫材料。

(2)引入空心微球相，改變了酚醛泡沫材料的壓縮斷裂機(jī)制，其斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榧偎苄詳嗔选＿m量的空心微球相，可有效改善酚醛泡沫的斷裂韌性和比壓縮強(qiáng)度。

(3)酚醛泡沫具有良好的熱穩(wěn)定性，起始分解溫度為210℃，750℃時(shí)的殘?zhí)柯蕿?1．9%。酚醛泡沫的熱導(dǎo)率較低，是良好的隔熱材料;空心微球質(zhì)量含量為45%的酚醛泡沫，在100℃下的熱導(dǎo)率僅為0．057 W/(m·K)，比同溫度下純酚醛樹脂的熱導(dǎo)率低47%。

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