酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品節(jié)能及增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度研究

顧婉娜

摘 要：酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品在當(dāng)前的建筑外墻保溫施工中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化提升值得重點(diǎn)探究?；诖?，本文在明確酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品特性與節(jié)能情況的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，提出了一種提升酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度的優(yōu)化方案，為相關(guān)從業(yè)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品;節(jié)能性;抗拉強(qiáng)度

0 引言

現(xiàn)階段，綠色環(huán)保理念深入人心，政府對(duì)節(jié)能減排工作的重視程度與投入力度加大，推動(dòng)著外墻保溫行業(yè)的迅速發(fā)展。在建筑節(jié)能中，建筑外墻環(huán)保占據(jù)著重要地位，其中，保溫材料為核心內(nèi)容。在選擇建筑外墻保溫材料時(shí)，除了要考慮其保溫性能與節(jié)能性能，還要對(duì)其質(zhì)量、安全性進(jìn)行綜合考量。相比較來(lái)說(shuō)酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品的節(jié)能性與抗火焰穿透性更好，值得重點(diǎn)應(yīng)用與探究。為了進(jìn)一步提升產(chǎn)品的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，對(duì)其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng)極為必要。

1 酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品概述

1.1 酚醛樹(shù)脂類型

根據(jù)苯酚與甲醛摩爾比、反應(yīng)條件情況，酚醛樹(shù)脂在合成中需要用到不同種類的催化劑，常見(jiàn)的酚醛樹(shù)脂主要有兩大類型，即線性熱塑性酚醛樹(shù)脂和熱固性酚醛樹(shù)脂。其中，熱塑性酚醛樹(shù)脂是控制酚醛之間的摩爾比，在酸性催化劑的應(yīng)用下經(jīng)過(guò)縮聚而生成，熱塑性酚醛樹(shù)脂加工時(shí)需要使用堿性的固化劑，經(jīng)過(guò)酸性催化劑與堿性固化劑的中和反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)酚醛樹(shù)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(chǎn)生碳離子，苯環(huán)間通過(guò)亞甲基連接，形成線性酚醛樹(shù)脂。因此，熱塑性酚醛樹(shù)脂經(jīng)常以固態(tài)的形式出現(xiàn)。熱固性酚醛樹(shù)脂的合成機(jī)理如：苯酚在堿性環(huán)境中成為苯氧負(fù)離子，與甲醛反應(yīng)生成鄰位或?qū)ξ涣u甲基苯酚，并與甲醛反應(yīng)生成三羥甲基苯酚。在縮合反酚醛樹(shù)脂下生成可發(fā)性酚醛樹(shù)脂[1]。

1.2 酚醛泡沫的特性分析

酚醛泡沫一般指以酚醛樹(shù)脂為基體，通過(guò)加入發(fā)泡劑、固化劑、表面活性劑，在發(fā)泡劑汽化和酚醛樹(shù)脂固化的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)發(fā)泡劑氣體分散而產(chǎn)生的泡沫材料。性能上，酚醛樹(shù)脂泡沫具有良好的防火和保溫優(yōu)勢(shì)[2]。分析酚醛樹(shù)脂泡沫的特性，具體如下：

（1）酚醛樹(shù)脂泡沫具有較好的阻燃性。酚醛分子內(nèi)存在苯酚環(huán)，泡沫體燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生亞甲基自由基，該物質(zhì)被苯酚環(huán)吸附并產(chǎn)生泡沫結(jié)構(gòu)，且泡沫結(jié)構(gòu)內(nèi)的含碳量很高，減少物質(zhì)揮發(fā)程度，突出酚醛樹(shù)脂泡沫的絕熱效果。純的酚醛樹(shù)脂泡沫氧指數(shù)為40，可作為B1級(jí)阻燃材料應(yīng)用。（2）酚醛樹(shù)脂泡沫具有較強(qiáng)的絕熱性。任何物質(zhì)的理化性質(zhì)主要由物質(zhì)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)所決定，將酚醛樹(shù)脂泡沫和聚苯乙烯泡沫進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)酚醛樹(shù)脂泡沫閉孔率很高，傳熱介質(zhì)之間可以相互隔離，流傳通道被阻斷，對(duì)流傳熱降低?；谶@一情況，酚醛樹(shù)脂泡沫的隔熱能力很強(qiáng)，導(dǎo)熱率最低只有0.022W/（m·K）。（3）酚醛樹(shù)脂泡沫具有優(yōu)異的吸音性能。正是因?yàn)檫@一特點(diǎn)，當(dāng)前建筑行業(yè)施工中經(jīng)常將酚醛樹(shù)脂泡沫材料用于墻體施工。酚醛樹(shù)脂泡沫密度較低，吸引系數(shù)在中頻、高頻區(qū)接近巖棉板的效果，且比其他泡沫塑料更有效。此外，酚醛樹(shù)脂泡沫有著防潮和抗彎曲變形的特點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于建筑施工和交通運(yùn)輸領(lǐng)域內(nèi)，已作為一種吸聲材料使用。

1.3 酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品的節(jié)能情況

從節(jié)能的角度來(lái)看，酚醛樹(shù)脂泡沫低煙低毒，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，也不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。酚醛樹(shù)脂由碳?xì)溲跞亟M成，酚醛樹(shù)脂泡沫在高溫環(huán)境下分解時(shí)會(huì)有少量一氧化碳產(chǎn)生，但人們可通過(guò)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(shù)脂泡沫材料在燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的煙霧，與傳統(tǒng)泡沫材料相比，酚醛樹(shù)脂泡沫具有良好的節(jié)能特點(diǎn)。酚醛樹(shù)脂的使用溫度范圍廣，在-196℃-200℃間不會(huì)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(shù)脂泡沫的高閉孔率和低導(dǎo)熱系數(shù)，材料隔熱性能良好，且具有抗水性與水蒸氣滲透性，是當(dāng)前行業(yè)內(nèi)常用的保溫節(jié)能材料。由于酚醛具有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，所以尺寸穩(wěn)定，防腐抗老化。在生產(chǎn)工藝發(fā)泡中不用氟利昂做發(fā)泡劑符合國(guó)際環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，符合國(guó)家綠色環(huán)保要求。故此，酚醛超級(jí)復(fù)合板是最理想的防火、絕熱、節(jié)能、美觀的環(huán)保綠色保溫材料。

2 酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品增強(qiáng)抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)研究

2.1 酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品的制備

酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品的制備原理是應(yīng)用功能甲醛和苯酚在堿性環(huán)境下，通過(guò)維持環(huán)境溫度參數(shù)，讓有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)的模式，反應(yīng)環(huán)境的溫度為70到110℃。傳統(tǒng)的制備過(guò)程中，對(duì)于制備系統(tǒng)的要求較為苛刻，會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的環(huán)境污染物。本文探討的酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)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(zhì)和甲醛水溶液形成醛源，在之后的反應(yīng)中可以直接使用，由于反應(yīng)物的含水量大幅下降，所以無(wú)需通過(guò)后續(xù)的脫水工作獲得產(chǎn)物。

（1）各類反應(yīng)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(yè)級(jí)高純度產(chǎn)品。3）氫氧化鈉，選擇工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。4）氫氧化鋇。5）N，N-二甲基乙醇胺，采用工業(yè)級(jí)別產(chǎn)品。（2）反應(yīng)設(shè)備，包括加熱磁力攪拌機(jī)、電子天平等。（3）采用新型工藝獲取產(chǎn)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(jì)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(yīng)30min，之后加入剩余的氫氧化鈉溶液，升溫到85℃并維持120min，反應(yīng)之后降溫到75℃并加入尿素。

2.2 酚醛樹(shù)脂泡沫的抗拉強(qiáng)度測(cè)定

選取規(guī)格為100mm×100mm×50mm的酚醛泡沫作為試驗(yàn)樣本，將其固定在試驗(yàn)平臺(tái)上。其后，利用CMT-4204型萬(wàn)能試驗(yàn)儀對(duì)泡沫樣本進(jìn)行拉伸處理，具體設(shè)備參數(shù)為5mm/min，觀察酚醛樹(shù)脂泡沫斷裂的最大值。以3個(gè)樣本/組的周期進(jìn)行多次檢測(cè)，并取每組的試驗(yàn)均值進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)，具體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為《軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB T 6344-2008）[3]。在酚醛樹(shù)脂泡沫抗拉強(qiáng)度的測(cè)定時(shí)間中，抗拉強(qiáng)度、斷裂拉伸率主要可通過(guò)：與兩個(gè)公式運(yùn)算得出。

其中，為泡沫樣本的抗拉強(qiáng)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(yàn)前的橫截面積，單位為mm2;為泡沫樣本試驗(yàn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)距離，單位為mm;為樣本斷裂處試驗(yàn)前的標(biāo)準(zhǔn)距離，單位為mm。

需要注意的是，為了保證抗拉強(qiáng)度的測(cè)定精準(zhǔn)性，應(yīng)對(duì)酚醛樹(shù)脂泡沫的質(zhì)量進(jìn)行幾點(diǎn)把控：（1）應(yīng)保證泡沫樣本的結(jié)構(gòu)完整、表面平整，無(wú)易發(fā)生拉伸斷裂的縫隙、孔洞、破損等情況;（2）通常情況下，生產(chǎn)后72h以內(nèi)的酚醛樹(shù)脂泡沫不應(yīng)作為試驗(yàn)樣本，以免引起質(zhì)量不穩(wěn)定而影響試驗(yàn)結(jié)果;（3）在試驗(yàn)前，同組樣本應(yīng)置于室溫23℃左右、濕度50%左右的環(huán)境中16h以上，以確保各樣本的狀態(tài)一直，具有試驗(yàn)均值與對(duì)比值的運(yùn)算價(jià)值。

2.3 酚醛樹(shù)脂泡沫抗拉強(qiáng)度的提升

通過(guò)前文分析可知，酚醛樹(shù)脂泡沫的抗拉強(qiáng)度還可以得到進(jìn)一步提高，如果無(wú)法保證前度，那么酚醛樹(shù)脂泡沫會(huì)出現(xiàn)脫粉掉渣等情況，繼而威脅到產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售，嚴(yán)重的情況下，還會(huì)造成安全隱患，在后期使用過(guò)程中出現(xiàn)事故。通過(guò)在酚醛樹(shù)脂泡沫中加入增韌劑的方式來(lái)提高抗拉強(qiáng)度，需要注意的是，需要在合成過(guò)程和發(fā)泡過(guò)程中分別加入不同的增韌劑，在合成過(guò)程中加入的增韌劑成分為丙三醇，在發(fā)泡過(guò)程中加入的增韌劑為多個(gè)有機(jī)和無(wú)機(jī)酸酯的復(fù)配物，從而盡可能的提高酚醛樹(shù)脂泡沫的抗拉強(qiáng)度[4，5]。

（1）在可發(fā)性酚醛樹(shù)脂中加入以丙三醇為主的增韌劑。按照酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)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(shí)間要在可發(fā)性酚醛樹(shù)脂在55℃環(huán)境中保溫60分鐘后。加入后，繼續(xù)按照原有步驟完成制備，此時(shí)完成了第一階段的強(qiáng)化。（2）在酚醛樹(shù)脂發(fā)泡過(guò)程中加入多個(gè)有機(jī)和無(wú)機(jī)酸酯的復(fù)配物增韌劑，分別稱為：增韌劑1、2。將制備好的樹(shù)脂按照固定的制備步驟，完成發(fā)泡，此時(shí)分別稱取沒(méi)有加入增韌劑的酚醛樹(shù)脂以及改性后的酚醛樹(shù)脂各50g，再加入穩(wěn)泡劑后，再分別加入一定量的增韌劑1、2，繼續(xù)按照原有的步驟，完成酚醛樹(shù)脂發(fā)泡產(chǎn)品的制備。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試酚醛樹(shù)脂泡沫的抗拉強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)顯示，隨著兩次增韌劑的加入，抗拉伸強(qiáng)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(shù)脂泡沫的抗拉伸強(qiáng)度也得到了大幅度提高，當(dāng)添加量到了6%時(shí)，抗拉伸強(qiáng)度超過(guò)了規(guī)定的0.08MPa。當(dāng)添加量達(dá)到了8%時(shí)，抗拉伸強(qiáng)度相對(duì)降低。從實(shí)驗(yàn)中還會(huì)發(fā)現(xiàn)如果單純?cè)黾佑袡C(jī)或者無(wú)機(jī)酸酯，會(huì)導(dǎo)致酚醛樹(shù)脂泡沫燃燒放熱量性能的增加，從而在一定程度上導(dǎo)致該產(chǎn)品的助燃性降低。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中必須要采用有機(jī)和無(wú)機(jī)酸酯的復(fù)配物，并且二者之間的比例，在提高酚醛樹(shù)脂泡沫抗拉強(qiáng)度的同時(shí)，盡可能降低增韌劑對(duì)其他元素的影響。根據(jù)具體的情況來(lái)看，加入了增韌劑后的酚醛樹(shù)脂泡沫抗拉伸強(qiáng)度明顯提高，強(qiáng)度可以達(dá)到0.109MPa，已經(jīng)超出了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的0.08MPa。丙三醇作為增韌劑在酚醛樹(shù)脂泡沫生產(chǎn)制備的合成環(huán)節(jié)加入，發(fā)揮著交聯(lián)劑的作用，通過(guò)增加酚醛樹(shù)脂交聯(lián)密度的方式，來(lái)提高酚醛樹(shù)脂泡沫的抗拉伸強(qiáng)度。在制備酚醛樹(shù)脂泡沫的過(guò)程中，僅提高抗拉伸強(qiáng)度是不夠的，還需要在改性的過(guò)程中，避免增韌劑對(duì)其他性能造成負(fù)面影響。作為建筑外墻保溫施工過(guò)程中的主要保溫防火材料，還需要對(duì)性能改善進(jìn)行深層次研究，確保其可以充分發(fā)揮出自身性能，提高建筑的安全性。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品有著較好的節(jié)能特性，且其阻燃性、絕熱性、吸引性、抗火焰穿透性更強(qiáng)，在外墻保溫中更為適用。為了進(jìn)一步增強(qiáng)其應(yīng)用性能，在明確酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)品現(xiàn)有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，展開(kāi)了增韌劑的優(yōu)化制備，以達(dá)到提升產(chǎn)品抗拉強(qiáng)度的效果，為酚醛樹(shù)脂泡沫產(chǎn)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。

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