環(huán)境對(duì)竹粉發(fā)泡材料性能的影響*

張文福，方　晶，劉樂群

(浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江杭州 310023)

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環(huán)境對(duì)竹粉發(fā)泡材料性能的影響*

張文福，方晶，劉樂群

(浙江省林業(yè)科學(xué)研究院，浙江杭州 310023)

摘要：以竹粉發(fā)泡材料為研究對(duì)象，選用自然老化、自然光照、低溫、浸泡和凍融循環(huán)方法對(duì)竹粉發(fā)泡材料進(jìn)行處理，分析不同環(huán)境對(duì)發(fā)泡材料物理力學(xué)性能的影響，以及材料熱分解性能的變化。結(jié)果表明：浸泡處理材料的表觀密度顯著增加，低溫處理材料的壓縮強(qiáng)度變化最大，自然老化處理材料的氧指數(shù)最低為35.6%，pH值為6.7呈中性，自然光照處理材料的外觀顏色變黃。自然老化、自然光照和凍融循環(huán)環(huán)境對(duì)材料的熱分解性能具有一定的劣化影響。

關(guān)鍵詞：竹粉發(fā)泡材料，環(huán)境，物理力學(xué)性能，熱分解性能

竹粉發(fā)泡材料是由竹粉酚醇液化樹脂、表面活性劑、固化劑、發(fā)泡劑、異氰酸酯等混合發(fā)泡而成的一種輕質(zhì)高強(qiáng)、阻燃、保溫隔聲性能優(yōu)良的泡沫材料，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可在260℃以下長期使用，適合用作于墻體隔板、防火板等建筑材料[1-4]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于環(huán)境條件復(fù)雜多變，竹粉發(fā)泡材料的使用不僅僅受單一因素的制約，更是多種因素共同決定材料的使用情況，因此，了解環(huán)境對(duì)竹粉發(fā)泡材料性能的影響，是保證竹粉發(fā)泡材料使用安全性和穩(wěn)定性的重要因素之一。目前，國內(nèi)外對(duì)于聚氨酯類的泡沫材料在老化性能和不同環(huán)境條件下的使用進(jìn)行了大量的研究[5-8]，而對(duì)酚醛類的泡沫材料的研究較少[9-10]，尤其是竹粉發(fā)泡材料僅在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了初步研究[11]?；谏鲜隹紤]，本文選用自然老化、自然光照、低溫、浸泡和凍融循環(huán)處理方法，探索環(huán)境對(duì)竹粉發(fā)泡材料性能的影響，分析不同環(huán)境下竹粉發(fā)泡材料表觀密度、壓縮強(qiáng)度、氧指數(shù)、酸性和外觀顏色等物理力學(xué)性能以及熱分解性能，以期為竹粉發(fā)泡材料的后期處理工藝和使用性能提供參考和借鑒。

1材料與方法

1.1材料與儀器

竹粉：取自安吉，直徑≤0.83mm，含水率8%～12%。苯酚、聚乙二醇-400、鹽酸、氫氧化鈉、甲醛、吐溫-80、乳化劑OP-10、對(duì)甲苯磺酸、磷酸、正戊烷，均為分析純，異氰酸酯：多亞甲基多苯基異氰酸酯(PM-200)。

MWD-W20型濟(jì)南試金力學(xué)試驗(yàn)機(jī)、JF-5智能氧指數(shù)測(cè)定儀、冰柜、GZX-9140MBE型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱、BSA224S型電子天平、綜合熱分析儀(STA409PC)等。

1.2竹粉發(fā)泡材料的制備

竹粉發(fā)泡材料的制備。將竹粉酚醇液化樹脂[4]、表面活性劑(OP-乳化劑和吐溫-80)、固化劑(磷酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的對(duì)甲苯磺酸)、發(fā)泡劑(正戊烷)、PM-200多亞甲基多苯基異氰酸酯按20∶1∶1∶4∶1∶10比例混合，并高速攪拌，倒入模具，在120℃條件下保溫90min，即可得到竹粉發(fā)泡材料。

1.3測(cè)試與處理

將竹粉發(fā)泡材料按照以下測(cè)試方法依次制作試件，分別對(duì)試件進(jìn)行：自然老化處理(a：試件放置在室外1年)、自然光照處理(b：試件放置在室內(nèi)陽光直射處1年)、低溫處理(c：試件放置在-4℃環(huán)境中放置30天)、浸泡處理(d：試件放置在20℃水中浸泡30天)、凍融循環(huán)處理(e：每次循環(huán)10天包括：浸水2天，-20℃低溫2天，室溫2天，65℃加熱4天，經(jīng)歷3次凍融循環(huán)，共計(jì)30天)。試件處理后立即按照以下方法進(jìn)行測(cè)試。

(1)表觀密度：參照 GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡膠 表觀密度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試；(2)壓縮性能：參照 GB/T 8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；(3)氧指數(shù)：參照 GB/T 2406.2-2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為 第2部分：室溫試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試；(4)酸性：參考文獻(xiàn)[12]中泡沫酸性的測(cè)定方法進(jìn)行測(cè)試；(5)熱分解性能：采用綜合熱分析儀(STA409PC)測(cè)試材料的熱分解性能，升溫速度為20℃·min-1，升溫區(qū)間：20℃～900℃，試樣容器是瓷坩堝，介質(zhì)氣氛為氮?dú)狻?/p>

2結(jié)果與分析

竹粉發(fā)泡材料在自然老化、光照、低溫、浸泡、凍融循環(huán)等環(huán)境作用下，隨時(shí)間增加，未反應(yīng)的活性基團(tuán)繼續(xù)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)或氧化、分解等反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)泡材料的物理力學(xué)性能和外觀發(fā)生不同程度的變化，具體情況如表1所示。

表1　不同環(huán)境條件下竹粉發(fā)泡材料物理力學(xué)性能

2.1環(huán)境對(duì)材料表觀密度的影響

由表1可知，經(jīng)不同環(huán)境處理發(fā)泡材料的表觀密度由大到小依次是：d>c>f>b>a>e。浸泡處理發(fā)泡材料吸水，密度顯著增加約461.29%；自然光照處理和低溫處理均對(duì)發(fā)泡材料的表觀密度影響較小，分別為-1.61%和2.42%；自然老化處理和凍融循環(huán)處理后，發(fā)泡材料的表觀密度均有所下降，分別為-10.48%和-14.52%，凍融循環(huán)處理加速了材料的老化處理，對(duì)發(fā)泡材料的影響大于自然老化處理。因此，在竹粉發(fā)泡材料的使用過程中，尤其是作為外墻保溫材料時(shí)，發(fā)泡材料應(yīng)作適當(dāng)?shù)母裁娣雷o(hù)處理，避免吸收過多的水分，減小材料自重變化范圍，保證使用穩(wěn)定性。

2.2環(huán)境對(duì)材料壓縮強(qiáng)度的影響

由表1可知，發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度由大到小依次是：c>d>e>f>a>b。經(jīng)低溫處理、浸泡處理和凍融循環(huán)處理后，發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度增強(qiáng)，最高增強(qiáng)約20.53%，經(jīng)自然老化處理和自然光照處理后，發(fā)泡材料的壓縮強(qiáng)度略有降低，最大降低約5.19%。由此可見，發(fā)泡材料在低溫或高濕環(huán)境下，仍然具有較好的壓縮性能，竹粉發(fā)泡材料在濕熱環(huán)境下，未發(fā)生反應(yīng)的成分得到充分熟化，增強(qiáng)了泡沫泡孔強(qiáng)度[11]。光照降低了發(fā)泡材料的壓縮性能，且經(jīng)過自然光照處理后，材料的表面顏色由深褐色變?yōu)辄S色；這是因?yàn)樵谥穹郯l(fā)泡材料使用了PM-200多亞甲基多苯基異氰酸酯，發(fā)泡材料中含有未反應(yīng)的異氰酸酯基團(tuán)(-NCO)，-NCO直接與苯環(huán)相連，在光照環(huán)境下，與苯環(huán)直接連接的-NCO易氧化斷裂，亞甲基發(fā)生氧化，形成不穩(wěn)定的氫過氧化合物，進(jìn)而形成發(fā)色基團(tuán)醌-酰亞胺結(jié)構(gòu)或雙醌-酰亞胺結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光照處理后的發(fā)泡材料顏色變黃，壓縮強(qiáng)度也略有降低[7，13]。

2.3環(huán)境對(duì)材料氧指數(shù)的影響

由表1可知，發(fā)泡材料的氧指數(shù)由大到小依次是：f>c>e>d>b>a。經(jīng)過不同條件處理后，竹粉發(fā)泡材料的氧指數(shù)均有不同程度的降低，其中自然老化處理和自然光照處理的氧指數(shù)降低較為顯著，分別降低了約10.55%和9.30%。但是一般認(rèn)為氧指數(shù)<22% 屬于易燃材料，氧指數(shù)在22%～27%之間屬可燃材料，氧指數(shù)>27% 屬難燃材料，竹粉發(fā)泡材料經(jīng)過不同環(huán)境處理仍然具有優(yōu)良的阻燃性能，屬難燃材料。這主要與竹粉液化樹脂成分有關(guān)，竹粉經(jīng)酚醇液化制作成具有活性的酚醇液化樹脂，樹脂分子結(jié)構(gòu)中脂肪碳兩端均與苯環(huán)相連，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，遇熱不容易降解斷裂，且主鏈上含有大量的芳基，熱解殘?zhí)苛扛?，在高溫環(huán)境下分解時(shí)，能生產(chǎn)CO、CO2等氣態(tài)產(chǎn)物，其不僅能稀釋燃燒區(qū)可燃?xì)饧把鯕獾臐舛龋揖哂懈采w作用(毯子效應(yīng))[14]。

2.4環(huán)境對(duì)材料酸性的影響

由表1可知，發(fā)泡材料的酸性由大到小依次是：a>d>b>e>f>c。本工藝配方得到的竹粉發(fā)泡材料為弱酸性材料，經(jīng)過自然老化處理、自然光照處理和浸泡處理可以使得發(fā)泡材料的pH值明顯增加，降低泡沫材料的酸性，使得材料逐漸成為中性，可以減少竹粉泡沫材料在使用過程中的腐蝕性和刺鼻性。經(jīng)過一定時(shí)間的存放或者水洗，可以有效改善發(fā)泡材料的酸性，提高發(fā)泡材料使用安全性。

2.5環(huán)境對(duì)材料熱分解性能的影響

圖1給出了不同環(huán)境處理對(duì)竹粉發(fā)泡材料的熱分解性能的影響。由圖1可見，竹粉發(fā)泡材料在氮?dú)鈼l件下，熱分解失重過程可以分為四個(gè)階段：第一失重階段為常溫到150℃左右，主要是水分及低沸點(diǎn)小分子物質(zhì)的逸出，其中未處理的竹粉發(fā)泡材料在該階段重量損失最快，總失重率約為8%。第二失重階段為150℃到250℃左右，主要是原料內(nèi)部發(fā)生了少量解聚、內(nèi)部重組及玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，為快速熱解做準(zhǔn)備，經(jīng)不同環(huán)境處理竹粉發(fā)泡材料此階段的失重最快速率出現(xiàn)在200℃左右，總熱失重率小于10%。第三失重階段為250℃至600℃左右，主要為材料的快速熱分解階段，經(jīng)低溫處理、浸泡處理、凍融循環(huán)處理和未處理的竹粉發(fā)泡材料在此階段有兩個(gè)快速熱分解峰，第一個(gè)熱分解峰位于350℃左右，可能與異氰酸酯受熱分解有關(guān)[15]，第二熱分解峰位于400℃左右，主要為酚醛泡沫體的受熱分解；經(jīng)自然老化處理、自然光照處理和凍融循環(huán)處理的竹粉發(fā)泡材料僅在320℃左右有一個(gè)快速熱分解峰，最大熱分解速率分別為7.29%·min-1、6.83%·min-1和5.37%·min-1。第四失重階段為600℃以上，主要為泡沫進(jìn)一步分解、碳化，到達(dá)900℃失重基本穩(wěn)定，其中經(jīng)浸泡處理的竹粉發(fā)泡材料失重率最低，殘留量在48%以上，其他竹粉發(fā)泡材料的殘留量均低于40%。由此可見，自然老化處理、自然光照處理和凍融循環(huán)處理對(duì)竹粉發(fā)泡材料處理周期較長，材料中未反應(yīng)的成分較少，浸泡處理沖洗、溶解了竹粉發(fā)泡材料中碎料和小分子成分，不同環(huán)境處理對(duì)材料具有一定的劣化影響。

(a)TG曲線 (b)DTG曲線

3結(jié)論

(1)在自然老化、自然光照、低溫、浸泡、凍融循環(huán)等環(huán)境作用下，竹粉發(fā)泡材料的表觀密度、壓縮強(qiáng)度、氧指數(shù)、酸性和外觀顏色發(fā)生變化。其中，浸泡處理材料表觀密度顯著增加；低溫處理材料壓縮強(qiáng)度增加幅度最大；自然老化處理材料的氧指數(shù)最低為35.6%，pH值為6.7，呈中性；自然光照處理材料外觀顏色變黃。

(2)經(jīng)不同環(huán)境處理，竹粉發(fā)泡材料的熱分解性能也發(fā)生變化，其中經(jīng)自然老化處理、自然光照處理和凍融循環(huán)處理的竹粉發(fā)泡材料在第三失重階段僅有一個(gè)快速熱分解峰，經(jīng)浸泡處理材料的殘留量最大為48%。

(3)竹粉發(fā)泡材料在不同環(huán)境中有較大的影響，通過對(duì)材料進(jìn)行貼面防護(hù)處理，減少材料吸水性，提高材料表面裝飾性，完善材料后期陳放熟化工藝，可以改善材料穩(wěn)定性，降低材料酸性，增強(qiáng)作為建筑材料使用的安全性。

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*基金項(xiàng)目：浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014F50019，2014C32043，2015C32070)；浙江省林業(yè)廳省院合作項(xiàng)目(2013SY18)

通訊作者：劉樂群，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)；E-mail：llq234@sina.com

中圖分類號(hào)：S 795

Effect of Environment on Properties of Bamboo Foaming Material

ZHANG Wen-fu，F(xiàn)ANG Jing，LIU Le-qun

(Zhejiang Forestry Research Institute，Hangzhou 310023，Zhejiang，China)

Abstract：An experiment was conducted to study the differences in properties and thermal decomposition performance of bamboo foaming material (BFM) under various environment，including natural aging，natural light，low temperature，soaking and the freeze-thaw cycles. The results showed that the apparent density of BFM with soaking was highest，the compression strength of BFM with low temperature had the largest change，in addition，the BFM had the lowest oxygen index of 35.6% and pH value of 6.7 with natural aging，natural light caused BFM turning yellow. The thermal decomposition performance of BFM had a certain degradation effects under natural aging，natural light and freeze-thaw cycles.

Key words：bamboo foaming material，environment，physical and mechanical properties，thermal decomposition performance