酚醛泡沫的制备及改性分析

（长春工业大学，吉林 长春 130012）

摘  要：为了更加全面深入的了解酚醛泡沫的性能，本文首先通过相关实验探讨了酚醛泡沫的制备过程与方法。并且根据实验结果针对酚醛泡沫的改性进行了相关研究。希望所述观点及建议能够为酚醛泡沫产品质量及性能改进提供有价值的参考。

关键词：酚醛泡沫；制备方法；改性分析

基金项目：吉林省科技厅重点科技研发项目 (20180201029SF)

引言

酚醛泡沫是建筑工程外墙施工中主要材料之一，可以对建筑物起到保温隔热作用。但是，目前建材市场上的酚醛泡沫普遍存在脆性大、粉化程度高等问题，对于其自身强度和导热系数构成不利影响。而且，如果酚醛制备方案不合理，还会在其内部残留一部分酸性物质，对建筑结构中的钢筋造成腐蚀性破坏。为了改善这一问题，推出更高质量和性能的酚醛泡沫产品，有必要针对酚醛泡沫的制备过程、制备方法及其改性进行全面系统的探究，从中找到解决问题的突破口，促进酚醛泡沫整体性能指标的全面提升。

1 酚醛泡沫制备实验

1.1 制备原料

甲醛溶液、苯酚、NaOH、草酸、聚乙烯醇、吐温-80、甲基硅油。

1.2 实验仪器设备

电子天平、电热恒温鼓风干燥箱、智能颗粒强度试验机、红外光谱仪。

1.3 可发泡性酚醛的制备

将苯酚/甲醛按照一定比例加入到自身带有冷凝、搅拌和温度显示功能的三颈瓶当中。先开启搅拌器对瓶内混合物进行搅拌，同时，对混合物进行加热。当混合物温度达到40℃时，加入适量氢氧化钠，以混合物进行催化。待温度升至60℃时，保持1小时静止状态。然后继续加热，待温度达到90℃时，即可停止加热。此时，采用冷水浴方式对混合物进行降温，当其温度降至70℃以下时，再加入一定量稀醋酸，使混合物pH值介于6.5-7.4；最终采用减压脱水方式完成此实验过程。

1.4 酚醛泡沫的制备

1.4.1 酚醛泡沫的制备

酚醛的制备原料分别为：未改性或者改性酚醛树脂；表面活性剂由吐温-80和甲基硅油混合制备而成。将上述制备原料按照一定比例混合到一起，并且对混合物进行快速搅拌。待搅拌至均匀状态之后，将其放置在50-80℃的恒温环境下等待发泡。约20分钟以后，即完成发泡过程并且固化成型，由经完成酚醛泡沫的制备过程。

1.4.2 酚醛泡沫的改性制备

聚乙烯醇或者尿素，对于酚醛泡沫均具有改性作用，其过程为：树脂制备过程与可发泡性酚醛树脂的制备过程基本相同。当酚醛树脂的温度达到60℃时，加入一定量的聚乙烯醇或者尿素，即可得到改性酚醛树脂。再使用这种改性酚醛树脂作为原料，采用与酚醛泡沫制备过程相同的步骤制得聚乙烯醇或者尿素改性酚醛泡沫。

聚乙二醇对于酚醛泡沫同样具有改性作用，其过程为：树脂的制备过程与可发泡性酚醛树脂的制备过程基本相同。在发泡过程中加入一定量的聚乙二醇，按照与醛泡沫制备过程相同的方式即可制得聚乙二醇改性酚醛泡沫。

1.5  酚醛泡沫的性能表证

酚醛泡沫的性能主要包括以下几个方面：第一，酚醛泡沫的表观密度。先取一块长、宽、高分别为5cm的泡沫体，再分别计算出此块泡沫体的单位体积与重量，所得到的数值即为酚醛泡沫的表观密度，其单位为kg/m3；第二，抗压强度。先取一块底面积为1cm2、高度为5cm的泡沫体。之后，将其放置于智能颗粒强度试验机上进行测试，待泡沫体高度被压缩至原高度的90%时，求出仪器上显示压力值与接触面积之比，计算结果即为酚醛泡沫的抗压强度，其单位为N/cm2；第三，红外光谱表证。目前，主要运用红外光谱仪对泡沫酚醛进行红外光谱表证分析。在分析过程中，需要利用红外光谱仪对每个样品进行扫描，扫描次数为32次，扫描范围介于4000-500cm-1之间。之后，再采用KBr压片对样品进行分析。

2  酚醛泡沫的改性分析

2.1 酚醛泡沫表观密度的影响

2.1.1 发泡剂用量对酚醛泡沫表观密度的影响

在此项研究中，研究人员采用未改性树脂作为实验原料，分别在表面活性剂3%和同化剂lO%的条件下进行实验测试(本次实验所采用的表面活性剂、固化剂和发泡剂用量均以树脂的质量作为基准)。从实验结果表明：随着发泡剂使用量的增加，酚醛泡沫的表观密度有所减小。之所以会这样，主要因为酚醛泡沫体的孔隙率会随着发泡剂用量的增加而增加。如果发泡剂使用量严重超标，就会导致泡沫体空隙大幅增加。情况严重时，还会出现泡沫体穿孔现象。一旦出现此类现象，必然增强泡沫体的吸水性，致使其力学性能大幅下降，而且泡沫穿孔之后，其隔热性能也将大幅下降，从而导致酚醛性能质量不过关。另外，如果发泡剂用量过小，会导致树脂发泡程度较小，而泡沫体密度增大。这样一来，不但会降低酚醛泡沫的隔热性能，还提升了生产成本。为了生产出密度符合要求，隔热性能较好的优质酚醛泡沫，实验人员经过多次验证得出一个最佳结论，那就是将发泡剂用量控制在8%-12%之间最为适宜。

2.1.2 表面活性剂用量对酚醛泡沫表观密度的影响

研究人员采用未改性酚醛树脂作为实验原料，针对表面活性剂用量是否会对酚醛泡沫表观密度构成影响进行研究与分析。从实验结果中可以看出，没有添加表面活性剂的树脂，其泡沫体密度要明显高于已经添加了表面活性剂的泡沫体。除了之外，实验人员还发现：如果表面活性剂的添加量过小，泡沫体就会呈现不均匀发泡状态。这是因为树脂自身具备较大的表面张力，而且难以与烃类物质相溶。这一特性决定了在不添加表面活性剂的情况下，发泡剂难以均匀分散于树脂当中，由此导致发泡效果不够理想。另外，从实验数据当中还可以看出，泡沫体密度会随着表面活性剂用量的增加而减少。但是，当表面活性剂用量超标时，即便只超出5%，泡沫体密度也会呈现出明显上升的态势。针对这一现象，研究人员发现当表面活性剂使用量过大时，导致树脂混合液黏度下降。此时，由于发泡剂不但无法及时被树脂所包裹，还会过早逸出。一旦出现此现象，就等同于减少了发泡剂的使用量。在这种情况下，泡沫体密度必然有所上升。当表面活性剂的使用量为5%时，所制得的酚醛泡沫密度值最小，而且树脂和发泡剂均呈现出充分混合的状态，这一结果说明5%为表面活性剂的最佳使用量[7]。

2.1.3 固化剂用量对酚醛泡沫表观密度的影响

固化剂也具有催化作用，也被称之为固化催化剂。在树脂当中加入固化刘，会导致树脂发生交联推动力。对于热同性酚醛树脂，通常会采用有机和无机两种酸类物质作为固化剂。其中，有机酸类固化剂具有较好的增塑性，但其成本也相对较高；而无机酸类则具有更强的催化力，固化速度更快，而且成本较低。但是，如果无机酸类使用量超标，就会在酚醛泡沫当中形成一部分残留，而这一部分残留会对金属造成腐蚀，容易对建筑结构当中的钢筋性能造成破坏。所以，无机酸类的使用率较低。为了解决上述问题，研究人员尝试使用各种混合酸作为固化剂，并且为这做出多次实验。比如以未改性酚醛树脂为实验原料，观察固化剂用量对酚醛泡沫表观密度会构成何种影响。实验结果显示：当固化剂使用量从2%升到8%时，酚醛泡沫的表观密度下降趋势较为明显。但是，当同化剂使用量持续增加至12%时，酚醛泡沫的表观密度又会表现出明显的增加。这一现象的原因是：随着固化剂用量的增加，树脂发泡和固化速度会在某一时刻趋于同步。此时，泡沫体会呈现出较强的均匀性，其密度也逐渐减小。如果固化剂用量超过8%，就会得到一种质地非常细腻的泡沫体。但是，如果固化与发泡达到同步状态，并且固化速度较快时，就会导致发泡剂无法充分膨胀，其最终结果是泡沫体密度增大。如果固化剂的使用量过低，树脂将无法固化成型，而发泡剂则会从树脂当中逸出，由此形成合泡、塌泡、发泡失败等一系列不良后果；如果固化剂使用量过大，不仅会增加酚醛的生产成本，其中的无机酸残留还会对建筑结构中的金属物质造成腐蚀。因此，实验人员经验多次尝试及对比分析，确认当固化剂用量介于6%-10%时，树脂发泡与固化基本达到同步，而且确保发泡剂达到充分膨胀的状态，泡沫已经固化成型，泡沫体质地均匀细腻。

2.2 改性剂对泡沫抗压强度的影响

2.2.1 聚乙烯醇改性剂对泡沫体抗压强度的影响

研究人员以聚乙烯醇改性酚醛树脂作为实验原料，研究了聚乙烯醇加入量对酚醛泡沫强度会构成何种影响。从实验结果当中可以看出，随着聚乙烯醇加入量的增加，泡沫强度会有所下降。之所以出现这一变化，主要因为当聚乙烯醇分子中的羟基与酚醛缩聚物中的羟甲基混合相遇之后，会发生相应的化学反应，最终形成一种接枝共聚物，这种物质可以显著提高泡沫强度。但是，如果聚乙烯醇加入量过少，酚醛泡沫的压缩强度只能略微提升；如果聚乙烯醇加入量过大，会导致粘锅现象。经反复实验，确认聚乙烯醇加入量控制在5%最为适宜。

2.2.2 聚乙二醇改性剂对酚醛泡沫体抗压强度的影响

研究人员使用未添加改性剂的树脂作为实验原料，研究发泡过程中聚乙二醇的加入量对泡沫体强度会构成何种影响。从实验结果当中可以看出，随着聚乙二醇使用量的增加，酚醛泡沫的强度也会随之增加。当加入量为2%时，泡沫体强度达到最高值。其原因为：当聚乙二醇中的-OH与树脂中的-OH混合相遇之后，形成了部分氢键，这就相当于在树脂中导入长的柔性醚链，使树脂的增韧获得提升。经研究人员反复实验，发现酚醛泡沫韧性会随着聚乙二醇分子节的增大而有所增加。但是，如果加入量超过其峰值，聚乙二醇分子量仍然会持续增大，而酚醛泡沫的韧性呈现出下降趋势。因此，经验反复实验，确定当聚乙二醇加入量为2%时最为佳状态。

2.3 酚醛泡沫体的红外光谱分析

研究人员采用加人聚乙二醇改性剂的酚醛树脂作为实验原料，并使用红外光谱仪对其进行性能分析。分析结果显示：当醇中的-0H与树脂中的-0H混合之后，会形成部分氢键，由此在树脂中导入了长的柔性醚键。面这一变化，使酚醛泡沫的增韧获得显著提升。

3 结语

通过一系列研究与论证，得到以下结论：第一，当表面活性剂用量为5%时，发泡剂最佳用量应介于8%-12%之间，在同化剂用量为6%-10%的情况下，酚醛泡沫的发泡效果最为充分，而且整体性能质量可达到理想状态；第二，利用聚乙烯醇改性酚醛树脂制备而成的酚醛泡沫，具备较为理想的韧性和抗压强度。乙烯醇加入量控制在5%最为适宜；第三，在发泡过程中加人聚乙二醇，可以使泡沫体的韧性获得显著提升。但是，将加入量控制2%时最为适宜；第四，从红外光谱图中可以非常清晰的看出，加入聚乙二醇，绝非一种简单的混合，而是在树脂当中导入了长的柔性醚键。通过这一途径，使酚醛泡沫的韧性获得大幅提升。尽管已经得出上述研究结论，但相对于酚醛泡沫的性能而言，仍然存在较大的提升空间。对此，需要相关技术人员对其持续不断的探索与研究，使酚醛泡沫性能获得持续性改良。

参考文献：

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