短玻璃纤维、K2Ti6O13晶须改性酚醛泡沫的性能研究.pdf

　６２　　　　　短玻璃纤维、ＫＴｉ６０３晶须改性酚醛泡沫的性能研究　　２０１５年４月　　　　短玻璃纤维、Ｋ２Ｔｉ６ｏ。３晶须改性酚醛泡沫的性能研究　　　宋寒，吴晓青　　　（１．天津工业大学材料科学与工程学院，天津３００３８７；　　　　　２．天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津３００３８７）　　　　　摘要：分别利用ＫＴｉＯ晶须、短玻璃纤维对酚醛泡沫（ＰＦ）进行改性，并制备了不同短玻璃纤维含量的酚醛泡沫，考察了　　　　不同改性方法对酚醛泡沫的表观形貌、力学性能和保温性能的影响。表观形貌结果表明，添加４％ＫＴｉ６Ｏ。，晶须可以显著改变　　酚醛泡沫的表观形貌。使得泡孔更规则、均匀。力学性能测试表明，短玻璃纤维含量在８％以内，压缩强度和弯曲强度都随着短　　　　　　　　　　　　　　　　玻璃纤维含量的增加而增大；短玻璃纤维和短玻璃纤维／４％Ｋ：Ｔｉ６０，晶须可以显著提高酚醛泡沫的压缩强度和弯曲强度，压缩　　　　　　强度和弯曲强度最高分别提高了１２６％和２０８％；加入短玻璃纤维稍稍提高了酚醛泡沫的导热系数，降低了酚醛泡沫的保温性　能；加入相同量的短玻璃纤维，短玻璃纤￣－／４％Ｋ：Ｔｉ６Ｏ．，晶须改性的酚醛泡沫相比于短玻璃纤维改性酚醛泡沫具有更高的压缩　　强度、弯曲强度和保温性能。　　　关键词：酚醛泡沫；短玻璃纤维；Ｋ２Ｔｉ６Ｏｌ３晶须　　中图分类号：ＴＢ３３２　　文献标识码：Ａ　———　文章编号：１００３０９９９（２０１５）０４００６２０５　酚醛泡沫是酚醛树脂经过发泡制得的泡沫材　　料，不同于传统的热塑性泡沫如聚苯乙烯泡沫、聚氨　　　酯泡沫、ＰＶＣ泡沫，酚醛泡沫具有难燃性、低毒性、　低发烟率、热稳定性高、使用温度高、原材料来源广　　　　泛且价格便宜等特点，因此酚醛泡沫得到了广泛的　　　　　　应用］。但是，酚醛泡沫也有质脆、强度低、不能　　　与食物和水泥等建筑材料直接接触等缺点，限制了　　　酚醛泡沫在实际中的应用卜ｎ。针对酚醛泡沫的缺点，研究人员提出了多种改性方法，钟远等¨　　研究　　　了端氨基聚醚改性对酚醛泡沫塑料的影响，由于聚　　醚的端基是氨基，端氨基与酚醛树脂发生了交联反　　　应，能够有效提高泡沫的压缩强度，并且减少泡沫的　　　　掉渣率和吸水率。张英杰等研究了聚酰亚胺对　　　酚醛泡沫的影响，研究表明：聚酰亚胺与酚醛泡沫形　成了互穿结构，其热稳定性、压缩强度、隔热性能均　　有明显提高。袁莉莉等¨　　　　刮利用羟基多壁碳纳米管　　　　改性酚醛泡沫，使得酚醛泡沫的热稳定性、压缩强度　和阻燃性能都明显提高。本文针对酚醛泡沫机械强　　　　　　　　度较低的缺点，利用ＫＴｉＯ，晶须和短玻璃纤维对　　　酚醛泡沫进行改性，考察了酚醛泡沫的表观结构、力　　学性能和导热性能等。　　１实验部分　　　１．１主要原材料　　　　酚醛树脂：新乡容鑫耐材有限公司；ＫＴｉＯ，晶　　　　　须：唐山晶须复合材料有限公司；３ｒａｍ短玻璃纤维　　　　　　　　（经ＫＨ一５５０处理）：衡水艺兴玻纤有限公司；固化　　　　　剂：新乡容鑫耐材有限公司；石油醚：天津市风船化　　学试剂科技有限公司。　　　１－２主要仪器和设备　　　　　搅拌器：江苏正基仪器有限公司；恒温鼓风烘　　　　　箱：天津中环实验电炉有限公司；发泡模具：自制；万　　能试验机：ＣＭＴ．４２ｏ４型，美特斯工业系统（中国有限　　　　　　　　公司）；环境扫描电镜：Ｑｕａｎｔａ２００型，ＦＥＩ公司；导　　　热系数仪：ＴＣ３０００型，西安夏溪电子科技有限公司。　　１．３酚醛泡沫的制备　　　　　　按一定顺序分别将ＫＴｉＯ。，晶须、短玻璃纤维、　发泡剂、固化剂加入酚醛树脂中，利用搅拌器充分搅　　　　拌均匀，注入已预热好的模具中，７０￣Ｃ固化１ｈ，冷却　　　　脱模即得到改性酚醛泡沫（酚醛泡沫的密度为７０＋　　５ｋｇ／ｍ）。　　　　１．４实验内容　（１）酚醛泡沫的密度测试　　—　按照ＧＢ／Ｔ６３４３２００９（硬质泡沫塑料及橡胶表　观密度的测定方法》的规定测试泡沫的表观密度。　　　　首先将酚醛泡沫按照标准切割成５ｘ５￣Ｓｃｍ的标准　　　　立方体，分别放置４８ｈ、７２ｈ后称重，两次的质量相差　　　应小于０．１ｇ，记为ｍ，然后按照下式计算密度：　　ｍ　Ｐ　　——　收稿日期：２０１４１１２５　　　　　　作者简介：宋寒（１９８９一），男，硕士，主要从事酚醛泡沫复合材料的研究。　　　　　　　通讯作者：吴晓青（１９６４一），女，博士，教授，主要从事复合材料方面的研究，Ｗｕｘｉａｏｑｉｎｇ５０１＠１２６．ｃｏｒｎ。　固　峨　　　短玻璃纤维、ＫＴｉ６Ｏ。３晶须改性酚醛泡沫的性能研究　　２０１５年４月　　　　　　　　６％和８％时，酚醛泡沫的压缩强度为０．４２１ＭＰａ、　　　　０．４６２ＭＰａ和０．５３１ＭＰａ，相比于４％Ｋ２Ｔｉ６Ｏ】３晶须改　　　性的酚醛泡沫，压缩强度分别提高了２８．７％、４１．２％　　　和６２．３％；相比于未改性的酚醛泡沫，压缩强度分别　　　提高了７９．１％、９６．６％和１２６％。这是因为短玻璃纤　　　　维可以贯穿多个泡孔（见图１（ｅ）、图１（ｆ）），使得泡　　　沫体沿着纤维轴向形成柱体结构；同时，由于玻璃纤　维可以很好地与酚醛树脂结合在一起，当酚醛泡沫　　　　　受到载荷的作用产生形变时，可以将载荷传递给玻　　　璃纤维，由于玻璃纤维的力学性能更好，可以吸收更　　高的能量，从而起到增强的作用。　　　　由图２还可以看出，当短玻璃纤维的加入量相　　　　　同时，短玻璃纤维／４％ＫＴｉＯ，晶须改性的酚醛泡沫　　　　　　比短玻璃纤维改性的酚醛泡沫具有更大的压缩强　　　　　　　度。产生这种现象的原因是Ｋ：Ｔｉ０，晶须的加入使　　得酚醛泡沫泡孔结构更加规整，同时泡孔直径更小　　　（这一点已在２．１中讨论），这样就使得酚醛泡沫抵　　抗载荷的能力更高。　　　　　　图２短玻纤、短玻纤／晶须对酚醛泡沫压缩强度的影响　　　　　　Ｆｉｇ．２Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ　　ｓ，ｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓ　　　　　　ｆｉｂｅｒｓ／ｗｈｉｓｋｅｒｓｏｎｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＰＦ　　　　　　　　　　　２．４短玻璃纤维含量对酚醛泡沫弯曲强度　　的影响　　图３所示为短玻璃纤维含量对酚醛泡沫的弯曲　　　　强度的影响。由图３可以看出，利用短玻璃纤维（曲　　　　　线ａ）和短玻璃纤维／４％Ｋ：ＴｉＯ晶须（曲线ｂ）改性　　　的酚醛泡沫，弯曲强度随着短玻璃纤维含量的增大　　　　而增大。如曲线ａ，当短玻璃纤维的含量为４％、６％　　　　　　　　和８％时，酚醛泡沫的弯曲强度分别为０．５０５ＭＰａ、　　　０．５４９ＭＰａ和０．６９４ＭＰａ，相比于未改性的酚醛泡沫，　　　　　　弯曲强度分别提高了９７％、１１４％和１７１％。在４％　　　　　ＫＴｉＯ，晶须的基础上，加入短玻璃纤维对酚醛泡沫　　　进行双重改ｌ生。如曲线ｂ，当短玻璃纤维的含量为４％、　　　６％和８％时，酚醛泡沫的弯曲强度分别为０．５６０ＭＰａ、　　　　０．５８４ＭＰａ和０．７８９ＭＰａ，相比于４％Ｋ２Ｔｉ６Ｏ】３晶须改　　　　性的酚醛泡沫，弯曲强度提高了５９％、６６％和１２４％；　　　　　相比于未改性的酚醛泡沫，弯曲强度提高了１１８％、　　１２８％和２０８％。这是因为短玻璃纤维贯穿一个或多　　　　个泡孔，它构成了酚醛泡沫的基本构架，成为非常好　　　的增强结构，当受到应力的作用时，酚醛泡沫中的短　　　　玻璃纤维作为增强体可以起到承受载荷的作用，从　而提高了酚醛泡沫的抗弯能力。　　　图３短玻纤、短玻纤／晶须对酚醛泡沫弯曲强度的影响　　　　　　　　Ｆｉｇ．３Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｓ，ｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒ　　　　　　ｓ／ｗｈｉｓｋｅｒｓｏｎｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＰＦ　　　　由图３中还可以看到，加入相同量的短玻璃纤　　　维，利用短玻璃纤￣／４％ＫＴｉ６Ｏ。３晶须改性的酚醛泡　沫具有更高的弯曲强度。当加人短玻璃纤维的量为　　４％时，利用短玻璃纤维改性的酚醛泡沫的弯曲强度　　　　　为０．５０５ＭＰａ；而利用短玻璃纤维／４％ＫＴｉＯ，晶须　　　　　改性的酚醛泡沫的弯曲强度为０．５６０ＭＰａ。当加人　　　短玻璃纤维的量为８％时，只利用短玻璃纤维改性的　　　　酚醛泡沫的弯曲强度为０．６９４ＭＰａ；而利用短玻璃纤　　　　　　　维／４％ＫＴｉＯ，晶须改性的酚醛泡沫的弯曲强度为　　　　０．７８９ＭＰａ。这是因为，Ｋ２Ｔｉ６Ｏ。３晶须可以起到成核　　　　中心的作用，它的加入可以提高酚醛泡沫泡孔的规　　　　　整程度，使得泡孔更圆润，降低泡孔直径，这样就会　　使得酚醛泡沫具有更强的抵抗载荷的能力。　　　　　　　　　　　　２．５短玻璃纤维含量对酚醛泡沫保温性能　的影响　　图４为短玻璃纤维含量对酚醛泡沫保温性能的　　　　　影响。从图中曲线ａ和曲线ｂ可以看到，短玻璃纤　　　时ｄｌ毫　∞　弓口　　　　　　　对、最口鲁０七器苦口ｇｕ　　２０１５年第４期　　　　　　　玻璃钢／复合材料　６５　　维的加入使得酚醛泡沫的导热系数有不同程度的提　高，说明短玻璃纤维的加入降低了酚醛泡沫的保温　　　性能。这是因为玻璃纤维贯穿多个泡孔，使得酚醛　　　　泡沫的闭孔率有所降低，同时加入短玻璃纤维，使得　　　酚醛泡沫的密度有所提高，这也在一定程度上降低　　　　了酚醛泡沫的保温性能。由图４还可以看到，当加　　　　入相同量的短玻璃纤维时，短玻璃纤维／４％Ｋ：Ｔｉ０，　　　晶须改性的酚醛泡沫相比于短玻璃纤维改性的酚醛　　　　　　　泡沫具有更小的导热系数，说明利用短玻璃纤维／　　　　　　　　４％Ｋ：Ｔｉ０，晶须改性的酚醛泡沫有更好的保温性　　　　　　　　　　能。这可能是由于，Ｋ：ＴｉＯ晶须可以使酚醛泡沫　　　的泡孔更均匀、泡孔直径更小，使酚醛泡沫导热系数　　更小，保温性能更好。　暑　耄　至　　图４短玻纤含量对酚醛泡沫的导热系数的影响　　Ｆｉｇ．４Ｉｎｆ　　　　　　　　ｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｒｍａｌｉｎｓｕｌａｔｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰＦｍｏｄｉｆｉｅｄ　　　　　　　ｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｈｏｐｐｅｄｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｓ　３结　论　　　　　　（１）利用ＫＴｉＯ，晶须对酚醛泡沫进行改性，有　　　利于提高酚醛泡沫的泡孔规整性，降低泡孔直径，提　　　高酚醛泡沫的压缩强度、弯曲强度和保温性能；　　　（２）短玻璃纤维可以明显提高酚醛泡沫的压缩　　　强度和弯曲强度。相比于未改性酚醛泡沫，利用短　玻璃纤维改性酚醛泡沫的压缩强度和弯曲强度最高　　　分别提高了８６％和１７１％，而利用短玻璃纤维／４％Ｋ　　　　ＴｉＯ晶须改性酚醛泡沫的压缩强度和弯曲强度最　　　　高分别提高了１２６％和２０８％。相比于未添加短玻璃　　　　　纤维的酚醛泡沫，利用短玻璃纤维改性酚醛泡沫稍　　　稍降低了酚醛泡沫的保温性能；　　　　（３）短玻纤含量相同时，短玻璃纤维／４％ＫＴｉ０　　　晶须改性的酚醛泡沫相比于短玻璃纤维改性的酚醛　泡沫具有更高的压缩强度、弯曲强度和保温陛能。　参考文献　　　　　　　　　［１］赖金梅，张晓红，刘铁群，等．超细粉末羧基丁苯橡胶改性酚醛　　　　　　　模塑料的性能研究［Ｊ］．化工新型材料，２００５，３３（５）：３Ｏ３２．　　　　　　—　［２］Ｋａｙｎａｋ．Ｃ，Ｔａｓａｎ．Ｃ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＰａｒａｍｔｅｒｓｏｎＴｈｅＳｔｒｕｃ　ｔｕｒｅｏ　　　　　　　ｆＲｅｓｏｌＴｙｐｅＰｈｅｎｏｌｉｃＲｅｓｉｎ／ｌａｙｅｒｅｄＳｉｌｉｃａｔｅＮａｎｏｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　　　［Ｊ］．ＥｕｒｏｐｅａｎＰｏｌｙｍｅｒＪｏｕｒｎａｌ，２００６，４２（８）：１９０８－１９２１．　　　　　［３］Ｚｈｏｕ．Ｊ．Ｔ，Ｙａｏ．Ｚ．Ｊ．ＴｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌＡｎａｌｙｓｅｓｏｆＰｈｅｎｏｌｉｃＦｏａｍ　　　　　　　ＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈＧｌａｓｓＦｉｂｅｒＭａｔ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１３，　５１：１３１－１３５．　　［４］梁明莉，金关泰，祝军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