轻质阻燃酚醛泡沫材料的制备与构效关系研究(摘要)

马玉峰 (1.中国林业科学研究院，北京 100091;2.中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏 南京 210042)

针对可发性酚醛树脂及酚醛泡沫存在的问题，本文作者采用新型不脱水工艺，直接合成了固含量在70%～85%的可发性高固含甲阶酚醛树脂。分析了甲醛/苯酚(F/P)物质的量之比和催化剂种类对树脂性能的影响;讨论了酚醛泡沫制备工艺，建立了酚醛泡沫表观密度-力学性能模型;采用木质纤维表面处理方法制备纤维复合酚醛泡沫;采用无卤阻燃系统制备阻燃改性的酚醛泡沫;采用酸化处理方法制备无机复合酚醛泡沫。主要研究内容和结论如下:

1.高固含甲阶酚醛树脂的制备及性能研究 采用NaOH为催化剂，研究了F/P物质的量之比对高固含甲阶酚醛树脂性能的影响。研究表明，当F/P物质的量之比2.0时，树脂的性能较优。黏度为2 567 mPa·s，固体含量为79.25%，凝胶时间为725 s，游离苯酚含量为3.01%，游离甲醛含量为0.86%，羟甲基浓度为36.56%。树脂在600℃残炭量随着F/P物质的量之比的增加而逐渐降低。固化动力学分析表明，低F/P物质的量之比的高固含甲阶酚醛树脂拥有较高的Ea值。并且5种树脂的固化反应级数都为非整数。

2.催化剂对酚醛树脂及泡沫性能的影响 采用氢氧化钡(Ba(OH)2)、三乙胺［(C2H5)3N］和氢氧化钠(NaOH)为催化剂，研究催化剂对树脂性能的影响。研究表明，3种催化剂的催化效率依次为:NaOH＞(C2H5)3N＞Ba(OH)2。以NaOH为催化剂制备的酚醛树脂和泡沫的性能较优。以其为催化剂制备的酚醛树脂的黏度为8 625 mPa·s，固体含量为79.88%，游离苯酚和甲醛分别为3.36%、0.5%，凝胶时间为397 s，残炭量(900℃)为59.31%;泡沫的压缩及弯曲强度分别为0.24 MPa、0.39 MPa，掉渣率为11.1%，极限氧指数为44.5%，初始分解温度为107℃，泡孔直径维持在100～200 μm的范围内。

3.酚醛泡沫的制备工艺及其密度-力学性能模型研究 采用聚山梨酯-80为表面活性剂、石油醚为发泡剂、混合酸为固化剂制备酚醛泡沫，研究表面活性剂、发泡剂和固化剂的添加量对酚醛泡沫性能的影响。研究表明，适宜的表面活性剂、发泡剂添加量分别为树脂质量的10%和5%，适宜的固化剂为以盐酸/磷酸/对甲苯磺酸/水复配的酸固化剂，且适宜的添加量为树脂质量的15%。建立的酚醛泡沫密度-力学性能模型指数值基本接近于简化的Gibson-Ashby公式中的指数。

4.酚醛泡沫发泡模型分析 采用聚山梨酯-80为表面活性剂、石油醚为发泡剂、混合酸为固化剂制备酚醛泡沫。通过实验数据拟合得到的不同表面活性剂添加量、发泡剂、固化剂及发泡温度与发泡速度和泡沫平均泡孔直径的关系模型，对于酚醛泡沫制备工艺条件的优化具有一定的指导意义。

5.无卤阻燃剂协同阻燃酚醛泡沫复合材料性能研究 采用多聚磷酸铵(APP)为阻燃剂，季戊四醇(PER)为成炭剂，氧化锌(ZnO)、三氧化钼(MoO3)、氯化亚铜(CuCl2)、氯化亚锡(SnCl2)为协效剂，分别组成4种阻燃系统，研究协同阻燃系统对复合泡沫的阻燃性能的影响。研究表明，4种阻燃系统均能显著提高复合酚醛泡沫的氧指数，复合酚醛泡沫的极限氧指数基本都维持在73%左右，而阻燃系统对复合泡沫的热稳定性影响不是很显著。4种阻燃体系复合酚醛泡沫的热释放速率、平均热释放、总热释放、有效燃烧热、耗氧量、总氧消耗、一氧化碳产量和一氧化碳产率显著降低，但是比消光面积和总烟产率却显著提高。阻燃系统在泡沫中的阻燃机理是属于气相阻燃机理。在所有阻燃系统中，APP/PER/ZnO是一种比较适合作为酚醛泡沫阻燃改性的阻燃系统。

6.纤维表面改性及其复合酚醛泡沫性能研究 采用碱、偶联剂和碱与偶联剂复合处理的方法对木质纤维进行表面改性，制备纤维复合酚醛泡沫，研究纤维改性对酚醛泡沫性能的影响。研究表明，处理后的纤维复合泡沫的强度都较未处理纤维复合泡沫有不同程度的提高，尤其以氢氧化钠与硅烷偶联剂A-171复合处理方法和硅烷偶联剂KH-792处理方法处理后的纤维复合泡沫的各项性能较优。处理后的纤维复合泡沫的极限氧指数较未处理纤维复合泡沫都有不同程度的降低。

7.无机复合酚醛泡沫制备及性能研究初探 采用15%磷酸对粉煤灰和膨润土进行酸化处理，制备无机复合酚醛泡沫，研究无机材料酸化处理及其添加量对复合酚醛泡沫性能的影响。研究表明，酸化处理后的无机材料复合泡沫的强度都较未酸化处理的无机材料复合泡沫有不同程度的提高，经过酸化处理的无机复合泡沫的泡孔较小，泡孔分布较为均匀，尤其酸化处理的粉煤灰复合泡沫的各项性能较优。但无机复合泡沫的极限氧指数较酚醛泡沫都有不同程度的降低。

高固含甲阶酚醛树脂;泡沫材料;纤维改性;无卤阻燃;发泡模型