酚醛树脂泡沫的增韧及阻燃改性分析

　顾婉娜

摘 要：在节能环保政策号召下，建筑行业通过材料创新等节能技术，减少建筑能耗，新型外墙保温材料的应用为主要节能方式之一。文章以新型外墙保温材料——酚醛树脂泡沫为研究对象，以实验方式，对其增韧改性及阻燃改性进行分析，明确酚醛树脂泡沫性能改进方案，为企业生产提供参考。

关键词：酚醛树脂泡沫;增韧;阻燃

中图分类号：TQ328 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0069-02

0 引言

酚醛树脂泡沫是将酚醛树脂为基体，配合发泡剂和表面活性剂等药剂，通过固化分散过程产生的泡沫材料，具有较强的绝热性、阻燃性、吸音性及较低的毒性，能够作为外墙保温材料。但在使用中表现出脆性大、易粉化等问题，使其在工程中的应用受限。就此，酚醛树脂泡沫的增韧及阻燃改性成为研究热点。

1 酚醛树脂泡沫的增韧改性

针对酚醛树脂泡沫使用中存在的问题，制造企业可在制备环节添加增韧剂，对酚醛树脂泡沫进行增韧改性操作，强化其性能。在酚醛树脂泡沫制备中，增韧剂主要在合成和发泡环节加入[1]。

1.1 酚醛树脂泡沫的增韧改性过程

1.1.1 制备酚醛树脂

（1）按照一定比例称量苯酚、多聚甲醛及甲醛水溶液，将三者置于1000mL三口烧瓶中，在三口烧瓶中配置机械搅拌棒、温度计及回流冷凝器，将三口烧瓶置于加热炉上，加热到40℃后，向三口烧瓶内添加催化剂和氢氧化钠溶液。其中，催化剂可选用N，N-二甲基乙醇胺或氢氧化钡，也可同时使用两种催化剂;氢氧化钠溶液的添加量为1/3份。（2）继续加热三口烧瓶，在达到55℃后，以恒温状态反应半小时，再添加同样剂量的氢氧化钠溶液，加热至70℃，以恒温状态反应半小时。（3）添加同样剂量的氢氧化钠溶液，加热至85℃，以恒温状态反应两个小时，再将三口烧瓶置于冷水中，冷却降温至75℃，添加尿素，以恒温状态反应一小时，降温至室温，完成酚醛树脂的制备，装瓶备用。

1.1.2 制备酚醛树脂泡沫

酚醛树脂泡沫是通过固化剂对酚醛树脂进行固化处理，提高酚醛树脂的分子量，使其固化成型;再通过发泡剂的气化作用，将固化树脂进行填充，形成酚醛树脂泡沫，实验室制备流程如下：

（1）称取上文制备的酚醛树脂50g，置于500mL的塑料烧杯中，再向烧杯中加入稳泡剂及其他助剂，在低温状态下迅速搅拌均匀。（2）添加发泡剂，在低温状态下迅速搅拌均匀。（3）添加固化剂，在低温状态下迅速搅拌两分钟。（4）预热模具，预热完成后将混合物倒入，置于烘箱中反应，将烘箱温度调节为70℃。（5）在观察烘箱内形成酚醛树脂泡沫后，将模具取出，进行脱模冷却处理，获得酚醛树脂泡沫材料。

1.1.3 酚醛树脂泡沫增韧改性

在酚醛树脂泡沫增韧改性中，改性操作处于酚醛树脂合成环节与泡沫材料发泡环节。在酚醛树脂合成环节，加热至55℃，以恒温状态反应半小时环节，更换为以恒温状态反应一小时，并在反应后添加丙三醇，再添加同样剂量的氢氧化钠溶液，按照同样流程完成改性酚醛树脂的制备。在酚醛树脂发泡环节，将原料更换为改性酚醛树脂，并在添加稳泡剂时，添加增韧剂，此后按照同样流程完成改性酚醛树脂泡沫的制备。

1.2 酚醛树脂泡沫的增韧改性结果

为明确酚醛树脂泡沫的增韧改性结果，本文对改性酚醛树脂泡沫和普通酚醛树脂泡沫进行拉伸试验，测量二者拉伸性能。测量结果显示，改性酚醛树脂泡沫的拉伸强度更高。可见，添加增韧剂，可有效提升酚醛树脂泡沫的拉伸性能，实现增韧改性的目标。同时，为明确酚醛树脂泡沫中增韧剂的最佳添加量，本文设置不同增韧剂添加量，按照上述酚醛树脂泡沫增韧改性流程，制备酚醛树脂泡沫，测量其拉伸性能。测量结果显示，在酚醛树脂合成环节添加的增韧剂，对酚醛树脂泡沫的拉伸性能影响不大;在酚醛树脂泡沫发泡环节添加的增韧剂，与酚醛树脂泡沫的拉伸性能存在倒U型关系，在增韧剂添加量低于8%时，增韧剂添加量越多，酚醛树脂泡沫的拉伸强度越大;在增韧剂添加量高于8%时，增韧剂添加量越多，酚醛树脂泡沫的拉伸强度越小[2]。就此，可以明确酚醛树脂泡沫发泡环节最佳增韧剂添加量为8%，此时酚醛树脂泡沫的拉伸强度为0.109MPa，JGJ144-2015中要求的规范拉伸强度为0.08MPa，本文提出的增韧改性方案符合标准要求。

2 酚醛树脂泡沫的阻燃改性

在酚醛树脂泡沫阻燃改性中，改性原理是在泡沫材料制备中添加阻燃剂，阻燃剂的合理选择为改性重点。适用酚醛树脂泡沫阻燃改性的阻燃剂为无机阻燃剂，常用的无机阻燃剂包括氢氧化铝、氢氧化铝和硼酸锌三种。其中，氢氧化铝可在酚醛树脂泡沫制备中发挥消烟、填充及阻燃作用，长期保留在泡沫材料中;氢氧化镁与氢氧化铝的功能相同，但其热稳定性更强，可强化泡沫材料的炭化效果;硼酸锌具有隔绝空气、抑制可燃性气体生成、形成玻璃态无机膨胀层等作用，以此实现阻燃的目的[3]。

2.1 酚醛树脂泡沫制备

（1）称取上文制备的酚醛树脂50g，置于500mL的塑料烧杯中，再向烧杯中加入稳泡剂、阻燃剂及其他助剂，在低温状态下迅速搅拌均匀。（2）添加发泡剂，在低温状态下迅速搅拌均匀。（3）添加固化剂，在低温状态下迅速搅拌两分钟。（4）预热模具，预热完成后将混合物倒入，置于烘箱中反应，将烘箱温度调节为70℃。（5）在观察烘箱内形成酚醛树脂泡沫后，将模具取出，进行脱模冷却处理，获得酚醛树脂泡沫材料。

在酚醛树脂泡沫制备中，阻燃剂的添加方案有七种：方案一：添加氢氧化铝;方案二：添加氢氧化镁;方案三：添加硼酸锌;方案四：添加氢氧化铝和氢氧化镁;方案五：添加氢氧化铝和硼酸锌;方案六：添加氢氧化镁和硼酸锌;方案七：添加三种阻燃剂。在上述方案中，每个方案中阻燃剂的总添加量均為酚醛树脂泡沫的20%，即10g，且实验中选择的阻燃剂均为分析纯规格，保障实验结果的准确性。

2.2 酚醛树脂泡沫阻燃性能分析

为明确不同方案酚醛树脂泡沫阻燃改性效果，本文通过以下三种方法，分析泡沫材料的阻燃性能[4，5]。

（1）氧指数法。根据GB/T 2406-2009中的氧指数法，测定酚醛树脂泡沫的氧指数，分析酚醛树脂泡沫對燃烧的阻止作用。其中，极限氧指数是指将酚醛树脂泡沫置于O2和N2混合气体中，酚醛树脂泡沫保持平衡燃烧状态的最低氧浓度。在测试时，将酚醛树脂泡沫置于专用燃烧筒中，在底部通入混合气体，点燃后调节氧气浓度，直到火焰前沿处于燃烧筒的标线位置，此时的氧浓度即为极限氧指数，测量三个样品，取平均值为酚醛树脂泡沫的氧指数。（2）热重分析法。在对物质进行加热或冷却处理时，在温度达到某一数值后，物质会出现相应的物理或化学变化，并出现焓变及热效应。基于该原理，可选择在一定温度范围内不会出现热效应的物质为参照物，与酚醛树脂泡沫置于同一温度环境下，在酚醛树脂泡沫出现物理或化学变化后，记录酚醛树脂泡沫和参照物的温度差，绘制热失重曲线，分析酚醛树脂泡沫的热稳定性。（3）导热系数测定。根据GB/T 10294-2008的测定方法，应用便携式导热系数仪，测定酚醛树脂泡沫在室温条件下的导热系数，测量三个样品，取平均值为酚醛树脂泡沫的导热系数。在应用上述测量方法测定不同阻燃改性方案的酚醛树脂泡沫时，测量未阻燃改性的酚醛树脂泡沫，作为空白对照组。

2.3 酚醛树脂泡沫阻燃改性成果

2.3.1 氧指数分析结果

根据测量结果，方案一、二、三的氧指数均高于空白对照组，差值在10%-13%的范围内，方案一的氧指数提升数值最低，因为氢氧化铝会在200℃时被分解，影响阻燃作用的发挥;方案四、五、六的氧指数高于方案一、二、三，和空白对照组相比，差值在20%左右，方案四和方案五的提升数值更高，这是因为氢氧化铝的作用温度在200℃以下，氢氧化镁和硼酸锌的作用温度较高，二者配合使用，在低温时的阻燃效果不佳;方案七的氧指数提升数值最大，约为50%，可发挥三种阻燃剂的作用，实现协同阻燃，强化酚醛树脂泡沫的阻燃性。

2.3.2 热重分析结果

在热失重曲线中，方案七的分解温度提升数值最大，酚醛树脂泡沫的热稳定提升效果最显著。在加热过程中，酚醛树脂泡沫会产生分解，质量降低。在250℃时，空白对照组的样品出现显著失重现象，原因在于助剂的分解。阻燃改性的酚醛树脂泡沫在250℃时，并未出现显著失重现象。在空白对照组中，分解温度为420℃时，酚醛树脂泡沫的失重达50%;在方案七中，分解温度为420℃时，酚醛树脂泡沫的失重量不足40%，分解温度为516℃时，酚醛树脂泡沫的失重达50%。可见，在酚醛树脂泡沫阻燃改性中，方案七的样品热稳定性最强。

2.3.3 导热系数分析结果

根据实验结果，在添加阻燃剂后，酚醛树脂泡沫的导热系数有所增加，出现该现象的原因在于阻燃剂使泡沫破裂，增加结构的开孔数量，提高导热系数。为解决该问题，本文在酚醛树脂泡沫制备中，添加可膨胀石墨、氧化石墨烯等材料，降低酚醛树脂泡沫的导热系数。分别添加不同试剂，制备酚醛树脂泡沫材料，测量其导热系数，测量结果显示，氧化石墨烯的导热系数降低效果更好，但其成本较高，考虑到工业化的大量生产需求，建议企业选择可膨胀石墨。

综合上述测定结果，添加氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌作为阻燃剂的方案效果最佳，酚醛树脂泡沫的阻燃性能最强。同时，为避免酚醛树脂泡沫的导热系数较高，需在生产中添加可膨胀石墨，强化酚醛树脂泡沫的整体性能。

3 结语

综上所述，在酚醛树脂泡沫增韧改性中，需在合成环节与发泡环节添加增韧剂，发泡环节的增韧剂添加量为8%时，酚醛树脂泡沫的拉伸强度最大;在酚醛树脂泡沫阻燃改性中，需在制备中添加阻燃剂，配合添加氢氧化铝、氢氧化镁和硼酸锌，可有效强化酚醛树脂泡沫的阻燃性能，本文提供的改性方案可在生产实践中应用。

参考文献

[1] 路国忠，赵玮璇，张宇燕，等.阻燃硬泡聚氨酯（PIR）保温板生产工艺及产品性能研究[J].墙材革新与建筑节能，2014（5）：52-55.

[2] 胡茂明，华一鸿，李雪，等.催化剂对Resole酚醛树脂结构与性能的影响[J].热固性树脂，2011（6）：20-23.

[3] 余维明.酚醛泡沫在外墙保温防火中的应用[J].涂装与电镀，2011（3）：19-21+18.

[4] 张跃威，陈达.喷涂型酚醛泡沫外墙外保温系统与实证研究[J].建筑节能，2010（8）：75-77.

[5] 刘威，刘强，周春华，等.高邻位可发性热固性酚醛树脂的合成及表征[J].高分子材料科学与工程，2010（2）：19-21+25.