酚醛树脂泡沫产品节能及增强抗拉强度研究

顾婉娜

摘 要：酚醛树脂泡沫产品在当前的建筑外墙保温施工中得到广泛应用，对其性能进行优化提升值得重点探究。基于此，本文在明确酚醛树脂泡沫产品特性与节能情况的基础上，展开了酚醛树脂泡沫产品增强抗拉强度的实验，提出了一种提升酚醛树脂泡沫产品抗拉强度的优化方案，为相关从业人员提供参考。

关键词：酚醛树脂泡沫产品;节能性;抗拉强度

0 引言

现阶段，绿色环保理念深入人心，政府对节能减排工作的重视程度与投入力度加大，推动着外墙保温行业的迅速发展。在建筑节能中，建筑外墙环保占据着重要地位，其中，保温材料为核心内容。在选择建筑外墙保温材料时，除了要考虑其保温性能与节能性能，还要对其质量、安全性进行综合考量。相比较来说酚醛树脂泡沫产品的节能性与抗火焰穿透性更好，值得重点应用与探究。为了进一步提升产品的应用优势，对其抗拉强度进行增强极为必要。

1 酚醛树脂泡沫产品概述

1.1 酚醛树脂类型

根据苯酚与甲醛摩尔比、反应条件情况，酚醛树脂在合成中需要用到不同种类的催化剂，常见的酚醛树脂主要有两大类型，即线性热塑性酚醛树脂和热固性酚醛树脂。其中，热塑性酚醛树脂是控制酚醛之间的摩尔比，在酸性催化剂的应用下经过缩聚而生成，热塑性酚醛树脂加工时需要使用碱性的固化剂，经过酸性催化剂与碱性固化剂的中和反应，实现酚醛树脂的固化成型。常用到的碱性催化剂主要有氢氧化钠和氨水。甲醛在酸性条件下产生碳离子，苯环间通过亚甲基连接，形成线性酚醛树脂。因此，热塑性酚醛树脂经常以固态的形式出现。热固性酚醛树脂的合成机理如：苯酚在碱性环境中成为苯氧负离子，与甲醛反应生成邻位或对位羟甲基苯酚，并与甲醛反应生成三羟甲基苯酚。在缩合反酚醛树脂下生成可发性酚醛树脂[1]。

1.2 酚醛泡沫的特性分析

酚醛泡沫一般指以酚醛树脂为基体，通过加入发泡剂、固化剂、表面活性剂，在发泡剂汽化和酚醛树脂固化的过程中，经过发泡剂气体分散而产生的泡沫材料。性能上，酚醛树脂泡沫具有良好的防火和保温优势[2]。分析酚醛树脂泡沫的特性，具体如下：

（1）酚醛树脂泡沫具有较好的阻燃性。酚醛分子内存在苯酚环，泡沫体燃烧时会产生亚甲基自由基，该物质被苯酚环吸附并产生泡沫结构，且泡沫结构内的含碳量很高，减少物质挥发程度，突出酚醛树脂泡沫的绝热效果。纯的酚醛树脂泡沫氧指数为40，可作为B1级阻燃材料应用。（2）酚醛树脂泡沫具有较强的绝热性。任何物质的理化性质主要由物质的内在结构所决定，将酚醛树脂泡沫和聚苯乙烯泡沫进行对比，发现酚醛树脂泡沫闭孔率很高，传热介质之间可以相互隔离，流传通道被阻断，对流传热降低。基于这一情况，酚醛树脂泡沫的隔热能力很强，导热率最低只有0.022W/（m·K）。（3）酚醛树脂泡沫具有优异的吸音性能。正是因为这一特点，当前建筑行业施工中经常将酚醛树脂泡沫材料用于墙体施工。酚醛树脂泡沫密度较低，吸引系数在中频、高频区接近岩棉板的效果，且比其他泡沫塑料更有效。此外，酚醛树脂泡沫有着防潮和抗弯曲变形的特点，目前被广泛应用于建筑施工和交通运输领域内，已作为一种吸声材料使用。

1.3 酚醛树脂泡沫产品的节能情况

从节能的角度来看，酚醛树脂泡沫低烟低毒，不会对人体产生危害，也不会对生态环境造成污染。酚醛树脂由碳氢氧三元素组成，酚醛树脂泡沫在高温环境下分解时会有少量一氧化碳产生，但人们可通过有效的措施避免一氧化碳有毒气体的逸出。不仅如此，酚醛树脂泡沫材料在燃烧时不会产生过多的烟雾，与传统泡沫材料相比，酚醛树脂泡沫具有良好的节能特点。酚醛树脂的使用温度范围广，在-196℃-200℃間不会收缩或催化，是暖通制冷工程中最理想的绝热材料。凭借着酚醛树脂泡沫的高闭孔率和低导热系数，材料隔热性能良好，且具有抗水性与水蒸气渗透性，是当前行业内常用的保温节能材料。由于酚醛具有苯环结构，所以尺寸稳定，防腐抗老化。在生产工艺发泡中不用氟利昂做发泡剂符合国际环保标准，符合国家绿色环保要求。故此，酚醛超级复合板是最理想的防火、绝热、节能、美观的环保绿色保温材料。

2 酚醛树脂泡沫产品增强抗拉强度的实验研究

2.1 酚醛树脂泡沫产品的制备

酚醛树脂泡沫产品的制备原理是应用功能甲醛和苯酚在碱性环境下，通过维持环境温度参数，让有机物发生反应的模式，反应环境的温度为70到110℃。传统的制备过程中，对于制备系统的要求较为苛刻，会产生过多的环境污染物。本文探讨的酚醛树脂泡沫产品制备中，将原有制备方法中的甲醛水溶液使用多聚甲醛替代，使用该物质和甲醛水溶液形成醛源，在之后的反应中可以直接使用，由于反应物的含水量大幅下降，所以无需通过后续的脱水工作获得产物。

（1）各类反应物的类型：1）苯酚，选用的苯酚为分析纯。2）多聚甲醛，选择的工业级高纯度产品。3）氢氧化钠，选择工业级产品。4）氢氧化钡。5）N，N-二甲基乙醇胺，采用工业级别产品。（2）反应设备，包括加热磁力搅拌机、电子天平等。（3）采用新型工艺获取产品，方法是确定多聚甲醇和苯酚的配比之后称取，和甲醇水溶液共同放置于带有搅拌器、温度计以及搅拌器的烧瓶中，升高温度到40℃，之后加入氢氧化钡和N，N-二甲基乙醇胺配置的催化剂，升温到55℃并维持30min，之后升温到70℃，并向其中加入氢氧化钠溶液，反应30min，之后加入剩余的氢氧化钠溶液，升温到85℃并维持120min，反应之后降温到75℃并加入尿素。

2.2 酚醛树脂泡沫的抗拉强度测定

选取规格为100mm×100mm×50mm的酚醛泡沫作为试验样本，将其固定在试验平台上。其后，利用CMT-4204型万能试验仪对泡沫样本进行拉伸处理，具体设备参数为5mm/min，观察酚醛树脂泡沫断裂的最大值。以3个样本/组的周期进行多次检测，并取每组的试验均值进行对比评价，具体试验标准为《软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂伸长率的测定标准》（GB T 6344-2008）[3]。在酚醛树脂泡沫抗拉强度的测定时间中，抗拉强度、断裂拉伸率主要可通过：与两个公式运算得出。

其中，为泡沫样本的抗拉强度，单位为kPa;为泡沫样本的最大荷载量，单位为N;为样本试验前的横截面积，单位为mm2;为泡沫样本试验测得的断裂拉伸率，以百分比形式表示;为样本断裂处拉伸后的标准距离，单位为mm;为样本断裂处试验前的标准距离，单位为mm。

需要注意的是，为了保证抗拉强度的测定精准性，应对酚醛树脂泡沫的质量进行几点把控：（1）应保证泡沫样本的结构完整、表面平整，无易发生拉伸断裂的缝隙、孔洞、破损等情况;（2）通常情况下，生产后72h以内的酚醛树脂泡沫不应作为试验样本，以免引起质量不稳定而影响试验结果;（3）在试验前，同组样本应置于室温23℃左右、湿度50%左右的环境中16h以上，以确保各样本的状态一直，具有试验均值与对比值的运算价值。

2.3 酚醛树脂泡沫抗拉强度的提升

通过前文分析可知，酚醛树脂泡沫的抗拉强度还可以得到进一步提高，如果无法保证前度，那么酚醛树脂泡沫会出现脱粉掉渣等情况，继而威胁到产品的生产和销售，严重的情况下，还会造成安全隐患，在后期使用过程中出现事故。通过在酚醛树脂泡沫中加入增韧剂的方式来提高抗拉强度，需要注意的是，需要在合成过程和发泡过程中分别加入不同的增韧剂，在合成过程中加入的增韧剂成分为丙三醇，在发泡过程中加入的增韧剂为多个有机和无机酸酯的复配物，从而尽可能的提高酚醛树脂泡沫的抗拉强度[4，5]。

（1）在可发性酚醛树脂中加入以丙三醇为主的增韧剂。按照酚醛树脂泡沫产品的制备步骤，在合成阶段中加入少量的丙三醇，需要注意的是，丙三醇的加入时间要在可发性酚醛树脂在55℃环境中保温60分钟后。加入后，继续按照原有步骤完成制备，此时完成了第一阶段的强化。（2）在酚醛树脂发泡过程中加入多个有机和无机酸酯的复配物增韧剂，分别称为：增韧剂1、2。将制备好的树脂按照固定的制备步骤，完成发泡，此时分别称取没有加入增韧剂的酚醛树脂以及改性后的酚醛树脂各50g，再加入穩泡剂后，再分别加入一定量的增韧剂1、2，继续按照原有的步骤，完成酚醛树脂发泡产品的制备。

在此基础上，进一步测试酚醛树脂泡沫的抗拉强度，根据实际的数据显示，随着两次增韧剂的加入，抗拉伸强度得到大幅度提升。以增韧剂2为例，随着加入量的提高，酚醛树脂泡沫的抗拉伸强度也得到了大幅度提高，当添加量到了6%时，抗拉伸强度超过了规定的0.08MPa。当添加量达到了8%时，抗拉伸强度相对降低。从实验中还会发现如果单纯增加有机或者无机酸酯，会导致酚醛树脂泡沫燃烧放热量性能的增加，从而在一定程度上导致该产品的助燃性降低。因此，在实际生产过程中必须要采用有机和无机酸酯的复配物，并且二者之间的比例，在提高酚醛树脂泡沫抗拉强度的同时，尽可能降低增韧剂对其他元素的影响。根据具体的情况来看，加入了增韧剂后的酚醛树脂泡沫抗拉伸强度明显提高，强度可以达到0.109MPa，已经超出了行业标准要求的0.08MPa。丙三醇作为增韧剂在酚醛树脂泡沫生产制备的合成环节加入，发挥着交联剂的作用，通过增加酚醛树脂交联密度的方式，来提高酚醛树脂泡沫的抗拉伸强度。在制备酚醛树脂泡沫的过程中，仅提高抗拉伸强度是不够的，还需要在改性的过程中，避免增韧剂对其他性能造成负面影响。作为建筑外墙保温施工过程中的主要保温防火材料，还需要对性能改善进行深层次研究，确保其可以充分发挥出自身性能，提高建筑的安全性。

3 结语

综上所述，酚醛树脂泡沫产品有着较好的节能特性，且其阻燃性、绝热性、吸引性、抗火焰穿透性更强，在外墙保温中更为适用。为了进一步增强其应用性能，在明确酚醛树脂泡沫产品现有强度的基础上，展开了增韧剂的优化制备，以达到提升产品抗拉强度的效果，为酚醛树脂泡沫产品的制备提供了参考，也为建筑工程提供了更广的材料选择范围。

参考文献

[1] 孙玉琢，商平，冯志鑫，等.废尼龙改性酚醛泡沫塑料的性能研究[J].橡塑资源利用，2007（6）：3-6+13.

[2] 张月琴，叶旭初.硼酸锌的性质、制备及阻燃应用[J].无机盐工业，2007（12）：9-12.

[3] GB T 6344-2008，软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂伸长率的测定标准[S].

[4] 孙中心，王雷，李东风.酚醛泡沫塑料制备和性能研究[J].塑料工业，2007（8）：46-49.

[5] 刘新民，郭庆杰.可发性酚醛树脂的合成及性能研究[J].塑料工业，2007（5）：4-8.