魏巍

(濰坊科技學院化工與環(huán)境學院，山東壽光 262700)

木質素基PF泡沫的發(fā)泡工藝與性能

魏巍

(濰坊科技學院化工與環(huán)境學院，山東壽光 262700)

利用低廉的木質素部分取代苯酚制備木質素基酚醛樹脂(PF)泡沫，采用正交試驗對木質素基PF發(fā)泡工藝進行了研究，研究了表面活性劑(吐溫–80)用量、發(fā)泡劑(正戊烷)用量、發(fā)泡溫度三個因素對木質素基PF泡沫性能的影響，從而優(yōu)化發(fā)泡工藝。實驗結果表明，對木質素基PF泡沫的極限氧指數(shù)(LOI)和導熱系數(shù)影響最大的是發(fā)泡溫度，而對于壓縮強度影響最大的是表面活性劑用量。木質素基PF泡沫的最佳發(fā)泡工藝為：表面活性劑(吐溫–80)用量為8%、發(fā)泡劑(正戊烷)用量為12%，發(fā)泡溫度為90℃，所得泡沫具有較好的熱穩(wěn)定性，其LOI為39%，壓縮強度為0.32 MPa，導熱系數(shù)為0.025 W／(m·K)。

木質素；酚醛泡沫；發(fā)泡工藝；保溫材料

酚醛樹脂(PF)泡沫具有低導熱性、阻燃、高效保溫、低吸水性及低煙、無毒等優(yōu)點，在建筑保溫材料行業(yè)受到廣泛關注[1]，但易脆性、成本高等缺點限制了其推廣應用[2–6]。在PF中添加天然橡膠、丁腈橡膠等外部撓性劑，可提高PF泡沫的韌性，但卻降低了材料的耐熱性。研究表明，在PF及其泡沫的制備過程中采取木質素部分取代苯酚[7–10]，可以改善韌性，降低PF泡沫的成本。木質素具有酚類化合物的性質，且可再生降解，資源儲量豐富，是較有前景的苯酚替代物[8]，但在實際工業(yè)生產過程中利用較少，這是因為木質素結構復雜，反應活性低，對木質素的研究應用還不夠深入[9–15]。為降低PF泡沫成本，利用低廉的木質素部分取代苯酚制備PF泡沫，研究木質素基PF泡沫發(fā)泡工藝，考察表面活性劑、發(fā)泡劑、發(fā)泡溫度等因素對PF泡沫性能的影響，以及研究木質素取代苯酚含量對材料耐熱性的影響，為木質素基PF泡沫工業(yè)生產提供技術參考，同時利于木質素基PF泡沫保溫材料的推廣應用。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

苯酚：分析純，天津市博迪化工有限公司；

木質素：工業(yè)品，天津福晨化學試劑廠；

多聚甲醛：分析純，濟南創(chuàng)世化工有限公司；

吐溫–80、磷酸、氫氧化鈉、正戊烷、濃硫酸、鹽酸、對甲苯磺酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設備

旋轉黏度計：NDJ–99型，上海昌吉地質儀器有限公司；

極限氧指數(shù)(LOI)儀：Im-YZ2000型，天津英貝爾科技有限公司；

導熱系數(shù)測定儀：IMDRY3001–X型，天津英貝爾科技有限公司；

萬能力學試驗機：WDW–10型，揚州華輝檢測儀器有限公司；

熱重(TG)分析儀：NETZSCH4型，德國耐馳儀器制造有限公司。

1.3 實驗方法

(1)木質素基PF的合成。

依次加入一定量的苯酚、濃硫酸和木質素于配有回流冷凝器和攪拌裝置的三口燒瓶中，在70℃酚化改性1 h后，加入50%氫氧化鈉水溶液，調節(jié)pH值至9～10，繼續(xù)反應30 min，將溫度降至50℃，然后加入多聚甲醛的75%，在55～70℃下反應1 h，加入剩余的多聚甲醛，升溫至85℃后縮合80 min，最后用稀鹽酸中和至pH值為6～7之間，反應到黏度為25 Pa·s左右時冷卻出料。苯酚、木質素、多聚甲醛的物質的量之比為1∶0.3∶0.7。實驗中木質素取代苯酚質量的30%。

(2)木質素基PF泡沫的制備。

稱取100份木質素基PF，依次加入6～10份的吐溫–80，8～16份正戊烷，攪拌均勻，再加入15份固化催化劑(其組成為2份對甲苯磺酸、1份磷酸、2份水)，迅速攪拌均勻后倒入發(fā)泡模具中，在烘箱(70～90℃)中加熱發(fā)泡，固化成型后取出冷卻，脫模并切割制備測試試樣。

筆者選擇表面活性劑(吐溫–80)用量(為PF質量的6%～10%)、發(fā)泡劑(正戊烷)用量(為PF質量的8%～16%)、發(fā)泡溫度(70～90℃)等三個可變因素，利用正交表L9(34)，因素水平表見表1，以木質素基PF泡沫的LOI、壓縮強度和導熱系數(shù)作為評價指標，考察各因素對木質素基PF泡沫性能的影響，從而優(yōu)化發(fā)泡工藝。

表1 因素水平表

1.4 性能測試

PF黏度測試：測試溫度為25℃；

LOI按GB／T 2406.2–2008測試；

導熱系數(shù)按GB／T 10294–2008測試；

壓縮強度按GB／T 8813–2008測試，壓縮速率為5 mm／min，每組測試5個樣品，取平均值，樣品尺寸50 mm×50 mm×50 mm；

TG分析：升溫速率為10℃／min，測試范圍為50～800℃，氣體為高純氮氣，氣體流量為50 mL／min。

2 結果與討論

2.1 發(fā)泡工藝對木質酚醛泡沫性能的影響

表2為制備的木質素基PF的性能。

表2 木質素基PF的性能

選取黏度為25 Pa·s的木質素基PF 100份，依次加入6～10份吐溫–80，8～16份正戊烷，攪拌均勻。筆者在保持固化催化劑用量為15份、發(fā)泡時間為30 min的前提下，考察表面活性劑用量(A)、發(fā)泡劑用量(B)、發(fā)泡溫度(C)三個可變因素在不同水平下對LOI、壓縮強度、導熱系數(shù)的影響，結果列于表3。由表3可以看出，對木質素基PF泡沫的LOI和導熱系數(shù)的影響順序是一致的，即發(fā)泡溫度＞表面活性劑＞發(fā)泡劑；而對于壓縮強度的影響順序則是：表面活性劑＞發(fā)泡溫度＞發(fā)泡劑，較優(yōu)水平為A2B1C3。

表3 正交試驗結果

對于木質素基PF泡沫的LOI和導熱系數(shù)，影響其最大的因素是發(fā)泡溫度，且二者優(yōu)化水平是一致的。因為發(fā)泡溫度決定了PF發(fā)泡速度，隨著溫度升高，樹脂發(fā)泡速率越快，泡沫密度和強度越?。欢砻婊钚詣┠軌蚪档捅砻鎻埩?，促進樹脂和其它組分如發(fā)泡劑、固化催化劑充分混合，使得泡沫均勻細膩，因此所得PF泡沫壓縮強度高。綜合考慮，PF發(fā)泡的最佳工藝條件為：A2B2C3，即表面活性劑(A)用量為8%、發(fā)泡劑(B)用量為12%、發(fā)泡溫度(C)為90℃，所得PF泡沫的LOI為39%，壓縮強度為0.32 MPa，導熱系數(shù)為0.025 W／(m·K)。

2.2 木質素基PF對發(fā)泡體的影響

利用木質素基PF的合成方法制備出不同黏度(5，10，20，30，40，50 Pa·s)的木質素基PF，再根據(jù)正交試驗結果，按最優(yōu)發(fā)泡工藝條件，考察木質素基PF黏度對發(fā)泡的影響。

表4 不同黏度木質素基PF的發(fā)泡情況

實驗表明，當樹脂黏度低于5 Pa·s時，樹脂不能發(fā)泡；當樹脂黏度在5～10 Pa·s時，樹脂的活性較高，樹脂起泡時間很短，樹脂發(fā)泡固化時間增大，這是因為泡沫出現(xiàn)燒心現(xiàn)象，內部中空，并且樹脂黏度小，難以束縛住氣泡，氣泡容易溢出形成大孔；當樹脂黏度在20～30 Pa·s時，因為黏度大的樹脂交聯(lián)程度大，因此固化時間變短；而當樹脂黏度高于30 Pa·s時，難攪拌，樹脂發(fā)泡率低。這是因為攪拌困難導致物料混合不均勻，高黏度使發(fā)泡劑在未完全氣化揮發(fā)時就固化，因此泡沫膨脹率小。根據(jù)表4結果，木質素基PF的黏度在25 Pa·s左右時，泡沫固化成型時間相對較短，泡沫均勻細膩，密度和強度適中，所得泡沫體的表觀質量較好。

2.3 木質素基PF泡沫熱穩(wěn)定性分析

不同木質素取代苯酚含量下PF泡沫的TG曲線如圖1所示。

圖1 不同木質素取代苯酚含量下PF泡沫的TG曲線

由圖1可以看出，木質素基PF泡沫的熱穩(wěn)定性隨著木質素含量的增加而降低。在第一失重階段為200℃以內，主要是游離的酚、甲醛以及水分子逸出，PF泡沫失重率在10%左右；第二失重階段為200～400℃，主要是樹脂固化形成的醚鍵斷裂同時釋放出水；第三失重階段為400～600℃，木質素骨架開始降解，并且木質素取代苯酚量多的PF泡沫失重增加；第四失重階段為600～800℃，泡沫結構在高溫下被破壞，泡沫的殘留量均在45%以上，說明材料具有很好的熱穩(wěn)定性。

3 結論

(1)正交試驗結果證明，對木質素基PF泡沫的LOI和導熱系數(shù)的影響順序是：發(fā)泡溫度＞表面活性劑＞發(fā)泡劑；而對壓縮強度的影響順序則是：表面活性劑＞發(fā)泡溫度＞發(fā)泡劑。

(2)確定的木質素基PF最佳發(fā)泡工藝為：表面活性劑(吐溫–80)用量為8%、發(fā)泡劑(正戊烷)用量為12%，發(fā)泡溫度為90℃，所得木質素基PF泡沫的LOI為39%，壓縮強度0.32 MPa，導熱系數(shù)0.025 W／(m·k)。

(3)木質素基PF的黏度在25 Pa·s左右，泡沫的固化成型時間相對較短，泡沫均勻細膩，密度和強度適中，所得泡沫體的表觀質量較好。

(4)木質素基PF泡沫的熱穩(wěn)定性隨木質素含量的增加而降低。

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Foaming Process and Properties of Lignin Based PF Foams

Wei Wei
(Chemical Engineering and Environmental College， Weifang University of Science and Technology， Shouguang 262700，China)

Lignin based phenolic resin (PF) foams were prepared by low lignin partial substitution of phenol，the foaming process of lignin based PF foam was studied by the orthogonal experiment. The amount of surfactants (Tween–80)，the amount of foaming agent (n-pentane)，foaming temperature on effects of the properties of lignin based PF foam，so as to optimize the foaming process. The experimental results show that the most important influence on the limit oxygen index (LOI) and thermal conductivity of lignin based PF foams is the foaming temperature，the greatest impact on compressive strength is the amount of surfactant. The optimum foaming process are as follows：the surfactant (Tween–80) content is 8%，the n-pentane content is 12%，the foaming temperature is 90℃，the obtained lignin based PF foam has good thermal stability the LOI is 39%，the compressive strength is 0.32 MPa and thermal conductivity is 0.025 W／(m·K).

lignin；phenolic foam；foaming process；insulation material

TQ323.1

A

1001-3539(2016)12-0068-04

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.12.013

聯(lián)系人：魏巍，碩士，講師，主要從事化學工程教學與科研工作

2016-09-20