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低溫法制備環(huán)氧樹(shù)脂泡沫及其性能 魯桂林，高慧妍 （沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)中央校區(qū)，遼寧 沈陽(yáng) 110870） 摘 要：采用雙酚 A 環(huán)氧樹(shù)脂為基料，添加發(fā)泡劑、固化劑和填料等材料制備環(huán)氧保溫材料。本課題研究了固化劑的種類對(duì)產(chǎn)物的發(fā)泡時(shí)間、固化時(shí)間、密度以及產(chǎn)物的力學(xué)性能的影響。還研究了固化劑用量、氫氧化鈉用量對(duì)產(chǎn)品密度的影響以及其對(duì)泡沫塑料孔結(jié)構(gòu)的影響。最后根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)研究制備環(huán)氧樹(shù)脂泡沫的最優(yōu)比。實(shí)驗(yàn)表明，鋁粉和氫氧化鈉作為發(fā)泡劑，聚酰胺作為固化劑。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)，在 5g 雙酚 A環(huán)氧樹(shù)脂中，加入 0.2g 的發(fā)泡劑，1.6g 的固化劑，0.1g 的填料所得的樣品力學(xué)性能較好。按此配比所制備的泡沫的彎曲應(yīng)力為 35MPa，拉伸應(yīng)力為 5.5MPa，壓縮應(yīng)力為 3.6MPa。 關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹(shù)脂；泡沫；合成；性能 前言 環(huán)氧樹(shù)脂泡沫的優(yōu)點(diǎn)是：耐熱性好，粘結(jié)性能好，具有化學(xué)惰性，電性能良好等特點(diǎn)[1-3]。低溫法制備的環(huán)氧樹(shù)脂泡沫具有良好的保溫性、防火性和耐熱性，它吸水性小，無(wú)毒，并且具有吸聲和阻尼效果[4-5]低溫法制備的環(huán)氧樹(shù)脂泡沫能夠彌補(bǔ)我國(guó)傳統(tǒng)保溫材料強(qiáng)度差、有毒性、防火性差、發(fā)泡過(guò)程難以控制和適用范圍窄等不足。專家認(rèn)為環(huán)氧樹(shù)脂泡沫在建筑、交通、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[6-7]。筆者以雙酚 A 型 EP 為基體，采用低溫工藝制備了 EP 泡沫，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能等進(jìn)行了表征和分析。 1 實(shí)驗(yàn) 1.1 主要原材料 （1）雙酚 A 環(huán)氧樹(shù) （2）固化劑 采用兩種固化劑：聚酰胺固化劑和二乙烯三胺固化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn) （3）發(fā)泡劑 之前應(yīng)用廣泛的國(guó)產(chǎn)有機(jī)發(fā)泡劑毒性較大，不予采用。本文根據(jù)鋁粉在堿性條件下反應(yīng)生成氫氣的原理，采用鋁粉和氫氧化鈉溶液為發(fā)泡劑。 （4）加強(qiáng)纖維 提高泡沫孔隙率是改善泡沫性能的有效措施之一。可以采用兩種方法來(lái)提高泡沫孔隙率，①發(fā)泡 ②選用合適的填料。單純依靠發(fā)泡提升泡沫的孔隙率會(huì)使泡沫的力學(xué)性能降低，因此，在發(fā)泡的同時(shí)，有必要引入合適的填料，在不影響力學(xué)性能的前提下，提高孔隙率從而改善泡沫的保溫性能。本文選用玻璃纖維作為填料。 （5）其他材料 阻燃劑，基于對(duì)阻燃劑耐熱耐光性和不易滲析性性、環(huán)保型等方面的考慮，本文采用十溴二苯乙烷為阻燃劑。 1.2 試樣制備 將雙酚 A 環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑加入模具中，再放入適量的填料，阻燃劑，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，加入一定量的鋁粉，取一定量的氫氧化鈉于燒杯中，加入少量水充分溶解后，將氫氧化鈉溶液直接倒在鋁粉上，當(dāng)有氣泡產(chǎn)生時(shí)，充分?jǐn)嚢琛Ｈ缓笫蛊潇o置在模具中，緩慢的發(fā)泡膨脹并固化成形。最后脫模并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。 1.3 性能測(cè)試 （1）按照 GB/T 6343-1995《硬質(zhì)泡沫塑料表觀密度的測(cè)定方法》的規(guī)定，測(cè)定泡沫的表觀密度。 （2）本文按照 GB/T 8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》的規(guī)定，測(cè)定泡沫的壓縮強(qiáng)度。 （3）按照 GB 9641-88《硬質(zhì)泡沫塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，測(cè)定泡沫的拉伸應(yīng)力。 （4）按照 GB/T 9341-2008《硬質(zhì)泡沫塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，測(cè)定泡沫的彎曲應(yīng)力。 （5）利用氧指數(shù)儀測(cè)定材料的氧指數(shù)。 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 2.1 固化劑的種類和用量的確定 2.1.1 固化劑種類的選擇 圖 3-1 表示保持在環(huán)氧樹(shù)脂和發(fā)泡劑的量保持不變的前提下，改變固化劑種類對(duì)產(chǎn)品性能的影響。注：環(huán)氧樹(shù)脂均為 5g，發(fā)泡劑均為 0.2g 在圖 1 中，線條 1 和線條 5 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的發(fā)泡時(shí)間。線條 2 和線條 6 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的固化時(shí)間。線條3和線條7分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的密度。線條 4 和線條 8 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的彎曲應(yīng)力。  通過(guò)圖 1 看出二乙烯三胺固化劑的固化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，形成的泡孔不均勻，產(chǎn)品表孔較大且不均勻。根據(jù)上述結(jié)果，選擇發(fā)泡時(shí)間略大、固化時(shí)間略小、密度適宜、彎曲應(yīng)力較大的聚酰胺固化劑，使產(chǎn)品具有良好的力學(xué)性能。 2.1.2 固化劑用量的選擇  本性能測(cè)試試樣是由環(huán)氧樹(shù)脂 5 克，發(fā)泡劑 0.2g，玻璃纖維 0.1g 和不同量的聚酰胺固化劑混合后發(fā)泡制備的。聚酰胺固化劑的使用應(yīng)該使聚合物的能夠保持一致的發(fā)泡速度和固化速度。從圖 2 中可以看出，隨著聚酰胺固化劑用量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂泡沫的密度迅速減小。當(dāng)固化劑用量到達(dá)一定值之后，環(huán)氧樹(shù)脂泡沫的密度又隨著固化劑用量的增大而增大。在聚酰胺固化劑用量在 1.6g 時(shí)密度出現(xiàn)最小值為 318Kg/m3 2.2 發(fā)泡材料的影響 本性能測(cè)試試樣是由環(huán)氧樹(shù)脂 5g 克，固化劑 1.6g，鋁粉 0.3g 和不同量的氫氧化鈉混合而制得的。  氫氧化鈉用量為 0.19g 時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)泡充分，基本不出現(xiàn)泡孔的破裂，因此泡沫的表觀密度最小。 2.3 填料對(duì)泡沫性能的影響 為測(cè)定玻璃纖維填充的環(huán)氧樹(shù)脂泡沫性能的研究，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在保持其它量不變的情況下，比較加入玻璃纖維和未加入玻璃纖維的泡沫的力學(xué)性能及其泡孔結(jié)以及加入不同的填料量對(duì)泡沫性能的影響。其中設(shè)定環(huán)氧樹(shù)脂的加入量為 5g，固化劑的加入量為 1.6g，發(fā)泡劑的量為 0.19g。未加玻璃纖維的樣品的表觀密度為 315Kg/m3，彎曲應(yīng)力為27.08MPa。 根據(jù)表 1 所示可以看出，玻璃纖維不僅可以減小泡沫的表觀密度，還可以增加泡沫的彎曲應(yīng)力。隨著玻璃纖維用量的增加，泡沫的表觀密度也逐漸減小，泡沫的彎曲應(yīng)力則逐漸增大。當(dāng)玻璃纖維的加入量在 0.12g 以后，由于混合料過(guò)干，導(dǎo)致發(fā)泡劑發(fā)泡困難，影響了泡沫的性能。  2.4 性能檢測(cè)結(jié)果 設(shè)定一個(gè)三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn)，來(lái)選出泡沫的最佳配比。所做試樣均保持原料環(huán)氧樹(shù)脂的用量為 5g，將固化劑用量設(shè)定為因素 A；保持鋁粉量不變，選擇鋁粉用量為0.3g。改變氫氧化鈉的量，將氫氧化鈉的用量設(shè)定為因素 B；將填料的用量設(shè)定為因素 C。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)極差大小可知，固化劑對(duì)泡沫的密度影響最大，填料對(duì)泡沫密度的影響最小。同時(shí)可以得出制備環(huán)氧樹(shù)脂泡沫的最優(yōu)比，即原料環(huán)氧樹(shù)脂 5g 時(shí)，取聚酰胺固化劑 1.6g，取發(fā)泡劑劑 0.2g，填料 0.1g。按此配比所制備的環(huán)氧樹(shù)脂泡沫性能較好。 圖 4，圖 5，圖 6 表示按最優(yōu)比配制的泡沫性能圖   3 ·結(jié)論 （1）以雙酚 A 型環(huán)氧樹(shù)脂為基料，以聚酰胺為固化劑，鋁粉和氫氧化鈉溶液為發(fā)泡劑，添加玻璃纖維和適量阻燃劑，可制得任意形狀尺寸的環(huán)氧樹(shù)脂泡沫。 （2）最佳配比：聚酰胺固化劑的量為 1.6g，氫氧化鈉的量為 0.2g，填料的量為 0.1g。按此配比測(cè)出的產(chǎn)品密度為 0.367Kg/m3。測(cè)彎曲性能時(shí)的彎曲應(yīng)力為 35MPa，測(cè)拉伸性能時(shí)的拉伸應(yīng)力為 5.5MPa，測(cè)壓縮性能時(shí)的壓縮應(yīng)力為3.6MPa，氧指數(shù)不小于 28。 參考文獻(xiàn) [1]于 錦. 涂料與涂裝[M]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)出版社, 2011. [2] 錢(qián)志屏. 泡沫塑料[M]. 北京: 中國(guó)石化出版社, 1998. [3]張聰莉, 陳歡慶, 孫曼靈, 等. 高密度環(huán)氧泡沫塑料的制備工藝及性能研究[J]. 熱固性樹(shù)脂, 2009, 24(6): 30-33. [4]呂 平. 環(huán)氧泡沫保溫材料的配方研究[J]. 保溫材料與建筑節(jié)能, 1999, 2(12): 26-28. [5]陳春滋, 朱未禺. 保溫絕熱材料與應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社, 2005. [6]陳歡慶, 鄭水蓉, 孫曼靈. 環(huán)氧泡沫塑料的研究與應(yīng)用[J]. 粘結(jié)雜志社, 2009, 4(2): 71-75. [7]Russick E M, Peter B R.Epoxy foams using multiple resins and curing agents: US, 6110982[P]. 2000. |
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