玻纤增强酚醛泡沫的制备及性能研究.pdf

２０１３年第９期玻璃钢／复合材料１７玻纤增强酚醛泡沫的制备及性能研究高卫卫，曹海建，钱坤（１．江南大学纺织服装学院，江苏无锡２１４１２２；２．江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡２１４１２２）摘要：为了研究玻璃纤维长度及含量对酚醛泡沫性能的影响，分别将微米级玻纤粉、３ｒａｍ短切玻纤和６ｍｍ短切玻纤按照一定比例添加到酚醛泡沫体系中，利用Ｉｎｓｔｒｏｎ万能材料试验机，分别测试玻纤增强酚醛泡沫的压缩、拉伸强度，并利用扫描电镜观察酚醛泡沫的微观形貌。结果表明，添加了１２％的３ｍｍ短切玻纤增强酚醛泡沫压缩性能最好，其压缩强度比纯酚醛泡沫增加了３８％；添加了８％的６ｍｍ短切玻纤增强酚醛泡沫拉伸性能最好，其拉伸强度比纯酚醛泡沫增加４７％；添加了１２％的３ｍｍ短切玻纤增强酚醛泡沫的阻燃性能最好，其极限氧指数为４４．１。关键词：酚醛泡沫；短切玻纤；压缩性能；拉伸性能；阻燃性能中图分类号：ＴＢ３３２———文献标识码：Ａ文章编号：１００３０９９９（２０１３）０９００１７０４酚醛泡沫是一种新型难燃、防火低烟保温材料，它是由酚醛树脂加入发泡剂、固化剂及其它助剂制成的闭孔硬质泡沫塑料。酚醛泡沫与聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫、聚乙烯泡沫相比较，具有难燃、自熄、低烟雾、燃烧无滴落物等优良性能，且价格低廉，故其在建筑、交通运输、航空工业、空间技术等方面应用广泛¨ｊ。然而，目前国内酚醛泡沫生产技术不够成熟，产品性脆、易粉化、吸水率高、价格高，限制了其在外墙外保温及作为复合材料的芯层的广泛应用。因此，酚醛泡沫的生产技术配方设计及改性研究仍是目前国内该领域研究的热点。本文利用玻纤对酚醛泡沫增强，考察了酚醛泡沫的微观形貌、拉伸和压缩状态下的增强效果和机理以及阻燃性能。１实验准备１．１原料及仪器原料：经偶联剂处理的微米级玻纤粉、３ｍｍ短切玻纤、６ｍｍ短切玻纤均由南京玻璃纤维研究院提供；可发泡性树脂、发泡剂、固化剂、表面活性剂均由苏州美克思科技公司提供。仪器：Ｈｅ－２型氧指数测定仪，南京市江宁区分析仪器厂；扫描电子显微镜（ＳＥＭ）；ＳＵ１５１０型扫描电子显微镜，日本ＨＩＴＡＣＨＩ公司；３３８５Ｈ型万能材料试验机，美国Ｉｎｓｔｒｏｎ公司。１．２复合酚醛泡沫材料制备首先，将可发泡的酚醛泡沫、固化剂、发泡剂、表面活性剂及经偶联剂处理的玻纤（微米级玻纤粉、３ｍｍ短切玻纤、６ｍｍ短切玻纤）按表１比例称取（制备密度为６０ｋｇ／ｍ的酚醛泡沫）；然后用搅拌器充分混合均匀，迅速注入已预热模具内，放置于７５￣Ｃ的烘箱内３０ｍｉｎ，取出冷却后脱模。表１玻纤增强酚醛泡沫配方ＴａｂｌｅｌＴｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍ名称用量／份可发泡性酚醛树脂发泡剂固化剂表面活性剂玻璃纤维１０ｏ）１４６４、８、１２１．３实验内容（１）压缩性能“压缩性能参考硬质泡沫塑料压缩性能的测”定（ＧＢ／Ｔ８８１３－２００８）标准进行，试样尺寸为１００×１００ｘ５０ｍｍ，压缩速率为５ｍｍ／ｓ，压缩至原厚度的８５％。（２）拉伸性能“拉伸性能参考膨胀聚苯板薄抹灰外墙保温系”统（ＪＧ１４９－２００３）标准进行，试样尺寸为１００×１００收稿日期：２０１３－０２－０６基金项目：中国博士后科学基金资助项目（２０１２Ｍ５２０９９５）；苏北科技发展计划（ＢＣ２０１２４６５）；生态纺织教育部重点实验室（江南大学）开放课题（ＫＬＥＴ１１１２）作者简介：高卫卫（１９８９一），女，硕士研究生，主要研究方向为纺织复合材料的制备及性能研究。—通讯作者：曹海建（１９７９一），男，博士，副研究员，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｌ１５＠１６３．ｅｏｍ。２０１３年第９期玻璃钢／复合材料１９（２）添加短切玻纤的酚醛泡沫压缩性能好于纯①酚醛泡沫。添加３ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的压缩性能随着玻纤含量的增加而增大，添加６ｍｍ短切②玻纤的酚醛泡沫的压缩性能则是先增大后降低；添加相同含量的短切玻纤，３ｍｍ的长度更有利于了③酚醛泡沫的压缩性能；添加了４％、８％和１２％的３ｒａｍ短切玻纤的酚醛泡沫的压缩强度分别为０．２３６ＭＰａ、０．２５２ＭＰａ和０．２８３ＭＰａ。这是因为对于３ｒａｍ、６ｍｍ的短切玻纤，玻纤长度大于泡孔的直径，因此短切玻纤全部或部分贯穿于一个或连续几个泡孔（如图４所示），使沿着纤维轴向的泡体形成一个柱体，并且经偶联剂处理的短切玻纤与基体粘结很好。当承受压缩载荷时，泡沫的失效模式由原来泡孔壁的碎裂变成了短切玻纤与基体的脱胶以及较薄的泡孑Ｌ壁的破裂＿１卜］，此时纤维在基体中形成的支柱起很大的增强作用，其中３ｍｍ的长度作用最佳。并且随着玻纤含量的增加，基体中形成的柱体越多，从而压缩性能越好。因此，添加１２％的３ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的压缩性能最好。图４３ｍｍ短切玻纤贯穿酚醛泡沫泡孔Ｆｉｇ．４３ｍｍｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｂｕｂｂｌｅｈｏｌｅｓｏｆｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍ２．２拉伸性能玻璃纤维增强酚醛泡沫的拉伸性能如图５所示。塞薹图５玻纤增强酚醛泡沫的拉伸性能图Ｆｉｇ．５Ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅ￣ｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍ从图５可知：（１）添加微米级玻纤后，酚醛泡沫的拉伸性能有所下降。纯酚醛泡沫的拉伸强度为０．０８５ＭＰａ，而添加了４％、８％和１２％微米级玻纤粉的酚醛泡沫的拉伸强度分别为０．０４５ＭＰａ、０．０７０ＭＰａ和０．０７５ＭＰａ。这是因为微米级玻纤粉破坏了酚醛泡沫泡孔的一致性，泡孔的强度降低，导致泡沫的拉伸性能也降低，所以微米级玻纤粉实际上是破坏了酚醛泡沫的拉伸性能；（２）添加短切玻纤的酚醛泡沫拉伸性能好于纯①酚醛泡沫。添加３ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的拉伸性能随着玻纤含量的增加而增大，添加６ｍｍ短切②玻纤的酚醛泡沫的拉伸性能则是先增大后降低；添加相同含量的短切玻纤，６ｍｍ的长度更有利于酚③醛泡沫的拉伸性能；添加了４％、８％和１２％的６ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的拉伸性能分别为０．１００ＭＰａ、０．１２５ＭＰａ和０．１１５ＭＰａ。这是因为对于３ｍｍ、６ｍｍ的短切玻纤，贯穿于酚醛泡沫的泡孔中（如图４所示），当承受拉伸载荷时，基体产生微裂纹，而后扩展为裂纹，裂纹继续发展，导致纤维拔出或断裂，从而酚醛泡沫被拉伸断裂。由于６ｍｍ的短切玻纤增加了拔出的困难，因而相同含量的玻纤，６ｍｍ短切玻纤增强酚醛泡沫比３ｍｍ的拉伸性能更好。但是当添加的短纤较长且含量较大（６ｍｍ，１２％）时，纤维在树脂基体发泡过程中不易分散，造成缠结或集束，在裂纹处反而更容易拔出。因此，添加８％的６ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的拉伸性能最好。２．３阻燃性能表２玻纤增强酚醛泡沫的极限氧指数Ｔａｂｌｅ２ＬＯＩｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍ——短切玻纤微米级玻纤粉短切３ｍｍ短切６ｍｍ玻纤含量／％０４８１２４８１２４８１２氧指％３４．７３９．２４１４２．３４２．９４３．２４４．１４２．５４２．８４３．９①由表２可知，添加微米级玻纤粉及３ｍｍ、６ｍｍ短切玻纤之后，酚醛泡沫的极限氧指数值明显升高，②且随着玻纤含量的增加而增大；添加３ｍｍ、６ｒａｍ短切玻纤的酚醛泡沫效果较好。这是因为纯酚醛泡沫本身具有良好的阻燃性，而且玻纤也属于难燃的无机物，二者混合之后氧指数提高。Ｂ￡ｊｎ∞ｎｎｎＱｎｎｎｎｎ玻纤增强酚醛泡沫的制备及性能研究２０１３年ｌ２月３结论（１）采用玻纤外增韧酚醛泡沫，微米级玻纤粉没有增韧作用，不同含量的３ｍｍ、６ｍｍ短切玻纤均能不同程度改善酚醛泡沫的压缩和拉伸性能，且３ｒａｍ的短切玻纤更有利于提高酚醛泡沫的压缩性能；６ｍｍ的短切玻纤则有利于提高酚醛泡沫的拉伸性能。添加了不同含量、不同长度玻纤的酚醛泡沫的氧指数比纯酚醛泡沫均有明显升高；（２）添加１２％的３ｍｍ短切玻纤增韧酚醛泡沫的压缩性能最好，其压缩强度比纯酚醛泡沫增加了３８％；添加８％的６ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的拉伸性能最好，其拉伸强度比纯酚醛泡沫增加了４７％；添加１２％的３ｍｍ短切玻纤的酚醛泡沫的阻燃性能最好，氧指数为４４．１。参考文献［１］方禹声，朱吕民．聚氨酯泡沫塑料（第二版）［Ｍ］．北京：化学工业出版社，１９９４．４９７．［２］李少堂，葛东彪，王书忠等．酚醛泡沫的增韧改性研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００４，（４）：３９４１．［３］贾伟华，姚萍．酚醛泡沫塑料的增韧改性对阻燃性的影响［Ｊ］．消防科学与技术，２００６，２５（３）：３７３－３７５．［４］何斌，杨振国．纳米Ｓｉ０２改性酚醛泡沫的制备及表征ｆＪ１．石油—化工，２００７，３６（１２）：１２６６１２６７．［５］石晓．酚醛泡沫塑料的共混改性研究［Ｊ］．材料开发与应用，—２０００，１５（６）：ｌ１１２．—［６］ＨｏｎｇｂｉｎＳｈｅｎ，ＳｔｅｖｅｎＮｕｔｔ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｈ０ｒｔｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＰａｒｔＡ：ａｐｐｌｉｅｄｓｃｉｅｎｃｅａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００３，３４（９）：８９９－９０１．［７］田建团，郭亚林，王斌等．蒙脱土改性炭布／酚醛树脂纳米复合材料研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００９，（３）：４２．４５．［８］高伟，杨杰，张晓虎．成型针刺预制体增强糠酮树脂烧烛复合材料性能研究［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２０１０，（４）：６８－７１．［９］钟远，季永新，朱殿奎等．柔性酚醛泡沫塑料的制备［Ｊ］．现代化工，２０１０，３０（５）：６０－６２．［１Ｏ］李少堂，蒋秋云，周丽绘．腰果油体系增韧酚醛树脂及其泡沫［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００６，（２）：３７－４０．［１１］殷锦捷．增韧酚醛泡沫塑料的制备及填料对其性能的影响［Ｊ］．上海塑料，２０１０，（２）：３７－３９．［１２］卢子兴，田常津，王仁．玻璃纤维增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能研究［Ｊ］．实验力学，１９９５，１０（１）：４５－５０．［１３］李国忠．玻璃纤维增强硬质聚氨酯泡沫塑料的微观结构及破坏机理研究［Ｊ］．复合材料学报，１９９６，１３（２）：１７－２１．［１４］卢子兴，王建华，谢若泽等．增强聚氨酯泡沫塑料力学行为的研究［Ｊ］．复合材料学报，１９９９，１６（２）：３９４５．［１５］李国忠，于衍真．玻璃纤维对硬质聚氨酯泡沫塑料增强机理的—探讨［Ｊ］．高分子材料科学与工程，１９９７，１３（４）：１３０１３３．ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳＡＮＤＭＡＮＵＦＡＣＴＵｌｌＥＯＦＧＬＡＳＳ・ＦＩＢＥＲＲＥＦｏＲＣＥＤＰＨＥＮＯＬＩＣＦ０ＡＭＧＡＯＷｅｉ－ｗｅｉ．－．ＣＡＯＨａｉ．ｊｉａｎ。，．ＱＩＡＮＫｕｎ，（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｅｘｉｔｉｌｅ＆Ｃｌｏｔｈｉｎｇ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；—２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＥｃｏＴｅｘｔｉｌｅｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＪｉａｎｇｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｌｅｎｇｔｈａｎｄｃｏｎｔｅｎｔｔｏｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍｓ，—ｍｉｃｒｏｇｌａｓｓ－ｆｉｂｅｒｐｏｗｄｅｒ，３ｍｍｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｓａｎｄ６ｍｍｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓ－ｆｉｂｅｒｓｗｅｒｅａｄｄｅｄｉｎｔｏｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍｓ—ｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｓｏｍｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｔｅｎｓｉｏｎｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｈｅ－ｎｏｌｉｃｆｏａｍｓｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇＩｎｓｔｒｏｎｕｎｉｖｅｒｓａｌｍａｔｅｒｉａｌｔｅｓｔｅｒａｎｄｍｉｃｒｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳＥＭｔｏｏ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｐｈｅｎｏｌｉｃｆｏａｍｗｅｒｅｂ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