关于聚乙二醇对酚醛树脂泡沫增韧效果的分析

顾婉娜

摘 要：应用多聚甲醛与苯酚制备酚醛树脂，再对酚醛树脂展开发泡实验研究，将质量不同和相对分子质量的聚乙二醇作为变量，当酚醛树脂进入脱水阶段时，加入聚乙二醇，从而实验获得改性后的酚醛树脂。加入发泡剂和固化剂等物质，酚醛树脂泡沫在发泡后能够得到良好的增韧效果。对酚醛树脂泡沫进行力学性能参数研究，探究酚醛树脂泡膜的增韧效果达到最佳时，聚乙二醇的质量与相对分子质量情况，进而了解酚醛树脂的结构。

关键词：聚乙二醇;酚醛树脂泡沫;增韧效果

0 引言

当前酚醛树脂发泡材料在保温隔热防火领域内有着良好的应用效果，分析各类原料对酚醛树脂发泡的影响，经过实验研究，对材料进行合理设计，确定聚乙二醇的添加量，从而找出最佳水平组合。酚醛树脂泡沫在发泡过程中需要用到乳化剂、发泡剂、增韧剂等原料，分析酚醛树脂发泡的最佳配比，有利于强化酚醛树脂泡沫的增韧效果。

1 酚醛树脂泡沫概述

1.1 酚醛树脂泡沫

酚醛泡沫是一种难燃且具有保温功能的材料，其导热系数比较低。酚醛泡沫在燃烧时只会表面发生碳化，不会产生熔融滴落物，但会有少量的烟气产生。酚醛树脂的耐热性能较强，拥有优异的耐溶剂性能。近几年，在建筑保温和隔热领域内，人们对酚醛泡沫材料进行了广泛关注。但当前国内生产的酚醛泡沫在技术上还不够成熟，产品容易分化，吸水率较高，且生产成本不低，这导致建筑施工时无法广泛应用以酚醛泡沫为原料的外墙保温材料。制备酚醛泡沫的基础原料就是酚醛树脂，这是一种人工合成的树脂材料，已经具有百年的应用历史，由于酚醛树脂价格低廉，制成工业产品后有着较高的力学强度，在耐热、绝缘、阻燃方面拥有良好的应用特点，可以将酚醛树脂用于汽车、电子、住宅、电气等行业中。但酚醛树脂在应用时也存在缺点，酚羟基与亚甲基容易被氧化，导致酚醛树脂的耐热性受影响，固化后的酚醛树脂芳核间由亚甲基相连，这一结构容易导致刚性基团的密度过大，酚醛树脂无法抵御外界冲击，韧性不强。因此，提高酚醛树脂的韧性和耐热性是人们研究的重点[1]。

1.2 酚醛树脂的分类

一般情况下，常见的酚醛树脂主要有热塑性酚醛树脂与热固性酚醛树脂。酚醛泡沫在应用中具有绝热、难燃以及耐腐蚀的特点，可在石油化工、建筑施工以及交通运输中广泛应用。其中，热塑性酚醛树脂属于线性结构，拥有可溶可熔的特点，将酚醛树脂材料加热后，材料不会固化，只有加入一定剂量的固化剂后，热塑性酚醛树脂才能固化。热固性酚醛树脂材料需要经历三个阶段：甲阶段PF是线性可溶可熔酚醛树脂;乙阶是少量交联半可熔可熔酚醛树脂;丙阶为交联不溶不熔酚醛树脂。一般情况下，合成的热固性酚醛树脂多数被控制在前两个阶段，以此保证酚醛树脂在加工中能够流动，不加入固化剂，通过加热即能达到固化的效果，但丙阶的热固性酚醛树脂却难以进行加工。

1.3 发泡剂的作用

发泡剂就是使物质成孔的材料，可以被划分为三种类型，即化学类发泡剂、物理类发泡剂、表面活性剂。其中，化学发泡剂是气体加热分解后可以释放二氧化碳与氮气，并在聚合物内产生细孔的化合物。物理类发泡剂是细孔通过某类物质的物理形态转化，经过压缩气体膨胀、固体溶解、液体挥发而产生。发泡剂表面活性较高，可以降低液体张力，形成单个气泡后再组成泡沫。在酚醛发泡中加入物理发泡剂，引入空气后加入表面活性剂，进而产生泡沫，通过升温释放气体，并在受热的情况下生成小气泡孔，让原本的实心材料成为多孔状的海绵物质。酚醛树脂中的发泡剂实际上就是物理性发泡剂，化学发泡剂主要有碳酸钠和碳酸氢钠等，目前人们常用的发泡剂主要为卤代脂肪烃，该材料主要是氟利昂，容易对大气臭氧层造成破坏，目前已经被多个国家禁止使用。为了寻找卤代脂肪烃的替代品，人们在其基本组成和配比下进行发泡剂量的调整。

2 聚乙二醇对酚醛树脂泡沫增韧效果分析

2.1 实验过程

2.1.1 酚醛树脂合成

实验过程中主要需要用到PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000、苯酚、多聚甲醛、聚山梨酯-80、苯磺酸、盐酸、氢氧化钡等材料。需要用到的仪器设备主要有电子天平、集热式恒温加热器、磁力搅拌器、电动式搅拌电机、傅里叶变换红外光谱仪、万能试验机、水浴加热回流冷凝管。酚醛树脂的制备需要经过一定的流程，将苯酚、多聚甲醛、氢氧化钡经过冷凝回流，缩聚后出料。酚醛树脂的合成需要经过几点步骤：（1）在试剂瓶内加入苯酚晶体，将其放在40℃水浴锅内加热，直到苯酚晶體全部融化。（2）使用电子天平称量94.11g的液态苯酚，将其放在500ml三口烧瓶内，使用集热式恒温加热磁力搅拌器，将三口烧瓶放在水浴锅内，再用铁夹将三口烧瓶固定住。（3）打开水浴锅的开关，将温度调节到45℃左右，将搅拌子放入三口烧瓶内，调节转速为每分钟20r，插入回流冷凝管进行冷凝。（4）使用电子天平称量八水合氢氧化钡，为了确定用量，可使用苯酚4%质量的八水合氢氧化钡，放入三口烧瓶中搅拌均匀，等待晶体溶解，再调节温度到70℃，恒温后产生反应，加入1.6mol多聚甲醛49.6g，需加热4小时。加入多聚甲醛后，液体逐渐变得浑浊，同时会有白色颗粒状的多聚甲醛在苯酚溶液中漂浮，反应后这些颗粒物将会被溶解，液体颜色加深，从原有的浅黄色逐渐转为深黄棕色。反应时间越长，酚醛树脂液体将转为透明，且液体粘度越来越大，并变为深红棕色[2]。

2.1.2 酚醛树脂泡沫制备

将酚醛树脂、发泡剂、酸固化剂、表面活性剂经过搅拌发泡，固化后形成酚醛树脂泡沫。关于酚醛树脂发泡时所有试剂的用量，具体如：酚醛树脂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%水溶液的对苯磺酸1.2g;盐酸1.0g。按照提前配置的比例称取试剂，将称量后的酚醛树脂、发泡剂、固化剂倒入烧杯内，搅拌至混合状态。计时开始，记录酚醛树脂和发泡剂等混合液的起泡时间与泡沫最高点时间，直到发泡终了阶段后停止计时。计时期间应测量反应温度，当泡沫高度超过杯口时插入3cm深的热电偶，将最高温度记录为反应温度。这时，固化之后的酚醛树脂泡沫就是制备成功的成品。强力搅拌作用下，混合液体放热的同时粘度加大，液体颜色从透明变为红棕色，再变为黄色，随着酚醛树脂泡沫的固化，物质放热的同时有起泡产生，导致发泡剂汽化，而酚醛树脂体积开始膨胀，经过一段时间后酚醛树脂泡沫又从棕黄色变为红色[3]。

2.1.3 改性酚醛树脂泡沫制备

选择热固性酚醛树脂材料，在酚醛树脂制备完成后的5分钟内加入增韧剂，按照苯酚质量分数确定增韧剂PEG的加入量，最多不宜超过4%。改性酚醛树脂泡沫的发泡过程和纯酚醛泡沫的制备方法一样，而增韧剂PEG的加入量情况如：改性酚醛树脂加入0.5%的PEG时，需要94.11g苯酚、0.47gPEG600、0.47gPEG1000、0.47gPEG2000、0.47gPEG4000;改性酚醛树脂加入1%的PEG时，需要94.11g苯酚、0.94gPEG600、0.94gPEG1000、0.94gPEG2000、0.94gPEG4000;改性酚醛树脂加入2%的PEG时，需要94.11g苯酚、1.88gPEG600、1.88gPEG1000、1.88gPEG2000、1.88gPEG4000;改性酚醛树脂加入3%的PEG时，需要94.11g苯酚、2.82gPEG600、2.82gPEG1000、2.82gPEG2000、2.82gPEG4000;改性酚醛树脂加入4%的PEG时，需要94.11g苯酚、3.77gPEG600、3.77gPEG1000、3.77gPEG2000、3.77gPEG4000。

2.2 实验结果分析

分析PEG对酚醛树脂泡沫的改性影响，四种不同型号的PEG增韧酚醛树脂发泡时间变化趋势比较接近。随着PEG的加入量增加，酚醛树脂发泡时间先下降，再上升。当PEG的加入量是2%的时候，酚醛树脂的发泡时间最低，只有49.1s。当PEG的加入量超过2%时，此时PEG黏度增加，阻碍酚醛树脂的发泡过程，所以酚醛树脂的发泡时间也会有所增加。经过比较分析得知，PEG1000的酚醛树脂发泡时间最佳，在60s左右，没有过大的变化幅度，这与PEG1000分子链适中有关，PEG1000和酚醛树脂之间有着较好的相容性，对酚醛树脂不会产生过大的活性影响，因此酚醛树脂的发泡时间是最稳定的。

正常情况下，酚醛树脂泡沫固化时间为60s。这几种型号的PEG增韧酚醛树脂固化时间变化趋势相近，PEG用量增加后，酚醛树脂的固化时间先上升再下降。当PEG用量为2%时，酚醛树脂的固化时间在60s左右，最多不超过70s。在固化时间方面，PEG1000的固化时间不会产生过大波动，基本处于50s左右。

通过PEG对酚醛树脂发泡倍数的影响分析，四种类型PEG增韧酚醛树脂泡沫发泡倍数变化趋势相近。PEG用量增加后，发泡倍数先上升后下降，当PEG加入量是2%时，酚醛树脂的发泡倍数最大，可达20.7倍。相比较而言，PEG1000的发泡倍数相对稳定，没有过大的变化幅度，一直处于13.2倍左右，最多不超过16.1倍。

分析PEG对密度的影响。四种类型的PEG增韧酚醛树脂泡沫密度比较接近，随着PEG的用量增加，酚醛树脂泡沫密度先减少再增加。当PEG的加入量为2%时，酚醛树脂泡沫的密度最低，只有45.2mg/cm3。相比较而言，PEG1000的密度比较温度，处于55mg/cm3左右，最多不超过70mg/cm3。由于这几种PEG酚醛树脂泡沫质量一样，因此密度和酚醛树脂发泡的倍数之间呈反比关系。

分析PEG对粉化率的影响。随着PEG添加量的增加，酚醛树脂泡沫塑料粉化率下降，当PEG加入量为2%时，酚醛树脂塑料粉化率最小，只有2%。随着PEG加入量的不断增加，酚醛树脂塑料的粉化率开始升高，出现这一情况的原因与PEG粘度小有关，且PEG和酚醛树脂之间有着较好的相容性，酚醛树脂固化成型时容易和酚醛树脂形成互穿的交联网络，柔性分子链与刚性酚醛低分子链能够串联在一起，表观相对摩尔质量有所增加，而酚醛树脂泡沫塑料粉化程度降低。当PEG加入量超过2%时，PEG年度提升，和酚醛树脂之间的相容性开始边长，酚醛树脂泡沫体变得不再均匀，甚至有塌泡的情况出现。

3 结语

总而言之，实验中应用多聚甲醛、苯酚等原料制作酚醛树脂，选择不同质量和相对分子质量的聚乙二醇，对酚醛树脂泡沫展开增韧改性研究。通过聚乙二醇改性酚醛树脂力学性能研究，应用傅里叶红外光谱仪了解酚醛树脂泡沫的增韧改性效果，当PEG1000加入量是2%时，酚醛树脂泡沫的增韧效果达到最佳，在后期各行业领域应用时可以此作为参考。

參考文献

[1] 肖力光，刘刚，李媛，等.酚醛泡沫塑料性能的研究[J].吉林建筑工程学院学报，2013（2）：1-3.

[2] 韩啸，蔡然，唐鑫，等.常温下酚醛树脂的可发性研究[J].应用化工，2010（3）：397-400.

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