CN102061059B

CN102061059B - 木质纤维增强阻燃泡沫材料及其加工方法

Info

Publication number: CN102061059B
Application number: CN2010105999517A
Authority: CN
Inventors: 储富祥; 王春鹏; 李守海; 张伟; 马玉峰; 许玉芝; 金立维; 赵临五
Original assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Current assignee: Institute of Chemical Industry of Forest Products of CAF
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102061059A

Abstract

本发明涉及一种木质纤维增强阻燃泡沫材料及其加工方法，该复合泡沫材料由可发性阻燃树脂、固化剂、表面改性剂、木质纤维、偶联剂和增韧剂制备而成，各组分的重量份含量为：可发性阻燃树脂40～95份，固化剂0.1～8份，表面活性剂0.5～8份，木质纤维1～50份，增韧剂0.5～10份。所述的木质纤维先用偶联剂处理后烘干，偶联剂占木质纤维质量的0.15~0.5%。采用自然膨胀发泡法或模具发泡法中的任一种加工。这种木质纤维增强阻燃泡沫材料可广泛用于建筑外墙体保温、建筑装饰、交通车辆、水上船舶、航空航天、机电设备、工业吸音保温减震等领域，是一种具有实际应用价值的复合泡沫材料。

Description

木质纤维增强阻燃泡沫材料及其加工方法

技术领域

本发明属于生物基阻燃复合泡沫材料技术领域，具体涉及一种木质纤维增强阻燃泡沫材料。

背景技术

泡沫材料是以气体为填料的新型复合材料。泡沫材料的品种很多，但都具有一些共同的特性和可贵的性能，如质轻、热导率低、隔热、隔音、能吸收冲击载荷从而具有优良的缓冲性能、比强度高等。泡沫材料是一种应用广泛的高分子材料，在工农业生产和国防建设中有着广泛应用。塑料泡沫由于其特殊的化学结构决定了大多数的产品都是易燃产品，燃烧时产生的大量有毒气体和烟尘对人体的健康和环境都存在极坏的影响，泡沫材料在某些用途方面必须具有一定的阻燃性。我国新农村和城镇建设过程中，为解决传统建材耗能毁地、废弃建筑垃圾等问题需要大量的轻型、节能、环保建材。近十年来，我国火灾发生次数平均为每年12.7万起，死亡1000多人，不仅威胁人民生命安全，还产生大量有害浓烟，破坏环境。据统计，90%以上的火灾是由于用火不慎引起室内可燃物燃烧，导致灾害发生。随着我国建筑材料对节能保温和阻燃性能指标要求的进一步提高，阻燃与防火材料的需求将进一步增长。

酚醛泡沫和三聚氰胺泡沫材料是两种自阻燃型泡沫塑料，在燃烧过程中不会发生熔融，不会产生流滴，亦不会产生大量毒性烟雾。酚醛泡沫塑料是由美国科学家巴克兰(Baekeland)在20世纪初首先研发成功，德国首先将其应用到航空工业上。美国联合碳化物公司在1945年开始开发低密度酚醛泡沫塑料的生产技术，使低密度酚醛泡沫塑料在多行业中得以推广应用。二战后，以聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯为代表的泡沫塑料由于采用了连续化发泡生产工艺而快速发展，而酚醛泡沫发展缓慢。但随着各国政府对建筑物用泡沫塑料的防火性能开始重视，酚醛泡沫塑料以其绝热、难燃、燃烧时低烟低毒以及尺寸稳定性等优良的特性，在近20年来又重新受到重视，其技术研究和应用开发又重新活跃起来。三聚氰胺甲醛泡沫最早是由德国巴斯夫公司开展研发工作，并于1982年获得美国专利US4334971。国内中原大化集团在三聚氰胺甲醛泡沫材料的研究领域处于领先水平。三聚氰胺甲醛泡沫价格高昂，其应用范围还仅限于军用、航海和航天隔热保温。

泡沫材料仍然存在着很多性能不足，比如抗冲击性能和抗损伤能力较低。为克服泡沫材料的性能缺陷，可加入一些纤维增强材料并使其黏结为一个整体，纤维能起到传递载荷的作用，可赋予泡沫材料优良的综合性能。美国芯材专业厂商Nida-Core公司现在就供应两种玻璃纤维增强硬质闭孔聚氨酯泡沫芯材产品，利用其专利设备把玻璃纤维植入聚氨酯泡沫板中，产品具有优异的力学性能和绝热性能。2005年拜耳材料科技有限公司研发了一种用长玻璃纤维增强的聚氨酯泡沫材料制作的铁轨枕木，该复合材料尺寸极其稳定，性能优良。有机纤维如尼龙（PA）短纤维作为增强剂，在聚烯烃塑料和橡胶发泡复合材料中也得到应用，采用PA短纤维增强材料，可以提高橡胶泡沫材料和聚烯烃泡沫材料的物理力学性能，弥补模量过低、尺寸稳定性很差等缺点，扩大橡胶泡沫的应用范围。湘潭大学的纤维增强发泡聚合物材料及其制备方法(CN1944500)和清纺绩株式会社的纤维增强发泡树脂成形体的制造方法及其制造装置（CN1217973），对发泡工艺进行适当的微调均取得不错的效果。

目前玻璃纤维增强材料的回收与处理存在很大的问题，碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和硼纤维等增强材料价格高昂难以在民用设备上得到普及利用。木质纤维因具有价格低廉、高比强度、低密度、可再生等性能日益受到人们的关注。近十年来，用木材、麻或农业剩余物等天然植物纤维材料增强聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等各种石油基热塑性塑料已取得长足进步。木质纤维的极性、亲水性和吸湿性等特性使其与疏水性的树脂塑料间的界面粘合性较差是这类复合材料最大的缺点。对木质纤维采用偶联剂、氢氧化钠、异氰酸盐、苄基氯化物和高锰酸钾进行化学处理后，可明显改善其与树脂塑料界面的相容性。

基于木质纤维增强的阻燃建筑板材因具有价格低廉、高比强度、低密度、可再生等性能优点日益受到人们的关注。目前对于木质纤维增强阻燃型泡沫塑料的发泡技术研究仍然较少。因此，需对纤维增强阻燃泡沫材料制备工艺进行深入的研究，完善工艺制备技术，降低成本，并对其结构进行有效控制，解决关键发泡技术困难以获得良好的性能，发展无缺陷的易于工业化的制备技术。开发木质纤维增强阻燃泡沫材料可有效替代易燃的聚苯乙烯保温板材和阻燃性能低的聚氨酯材料，为节能保温、轻质隔音建材、减震材料、装饰等方面提供高性能、高安全性的新型材料。开发的纤维增强阻燃泡沫材料将在人造板加工、家居装饰等领域有广阔应用前景。发展木质资源化学深加工产业符合低碳经济与循环经济的发展趋势，与我国的可持续发展战略相一致。

发明内容

本发明的目的是充分利用农林资源，提供一种用途广泛的木质纤维增强阻燃泡沫材料及其加工方法。

本发明的技术方案为：一种木质纤维增强阻燃泡沫材料由可发性阻燃树脂、固化剂、表面活性剂、木质纤维、偶联剂和增韧剂制备而成。各组分的重量份含量为：

可发性阻燃树脂40～95份，

固化剂0.1～8份，

表面活性剂0.5～8份，

发泡剂2～8份，

木质纤维1～50份，

增韧剂0.5～10份；

所述的木质纤维先用偶联剂处理后烘干，偶联剂占木质纤维质量的0.15~0.5%。

其中，可发性阻燃树脂选自可发性酚醛树脂和三聚氰胺改性脲醛树脂中的任一种。

所述的木质纤维的长度为1～10mm，直径为0.05～0.5mm。

木质纤维可选自杨木纤维、柳木纤维、樟木纤维、梧桐木纤维、榆木纤维、榉木纤维、杉木纤维、核桃木纤维、松木纤维、柏木纤维、竹纤维、果壳纤维中的任一种。

发泡剂为环戊烷。

偶联剂可选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、钛酸四异丙酯、正钛酸四丁酯中的任一种。表面改性剂可选自硬脂酸，十二烷基苯磺酸钠，烷基二甲基苄基季铵盐烷基二甲基苄基季铵盐，卵磷脂，氨基酸型，甜菜碱型，脂肪酸甘油酯，聚山梨酯，三乙醇胺皂，蔗糖酯中的任一种。

增韧剂可选自硬脂酸铝，十八烷基异氰酸酯，聚乙烯醇，聚乙二醇，聚酰胺，聚砜，乙二醇，甘油，赤藓醇，间苯二酚，甲酚，对苯二酚，腰果油，双-（２-乙基己基）-２-乙基己基膦酸酯，丁腈橡胶中的任一种。

固化剂可选自磷酸、氯化铵、盐酸、硫酸、对甲基苯磺酸中的任一种。

加工方法采用自然膨胀发泡法、模具发泡法中的任一种。

有益效果：

1. 本发明采用了农林可再生性的木质纤维作为原材料，将其转化可获得一种具有较高使用价值的新材料，对于构建节能社会，推动可持续发展战略，以及为解决“三农”问题具有积极的意义。

2. 本发明中木质纤维作为阻燃泡沫基体的增强型材料，真正实现了木质纤维的高值化利用。

3. 本发明的基体材料选用三聚氰胺改性脲醛树脂，三聚氰胺改性脲醛泡沫基体材料阻燃性好、力学性能强，特别是其低有毒物释放，用作室内装饰材料满足环保要求。

4. 制备方法简单有效，适于进行规模扩大化工业生产。

5. 这种纤维增强阻燃泡沫材料建筑外墙体保温工程领域可发挥巨大的作用，还可用于烟道、窑炉、工厂塔罐、反应器和冷库的保温隔音工程，各种气、液、油输送管道的隔热、防水工程。除此之外还可用作室内隔音、装饰和家具材料；冰箱、冷柜、空调压缩机、烘箱、微波炉等的保温、隔音材料以及汽车、轮船、飞机等交通工具的保温、隔音材料。是一种具有实际应用价值的阻燃泡沫材料。

具体实施方式

下面给出部分实施例以对本发明作进一步说明，但以下实施例并非是对本发明保护范围的限制说明，该领域技术人员根据本发明内容作出一些非本质性的改进和调整仍属本发明保护范围。以下皆为重量份。

实施例1

首先将杨木纤维中加入占杨木纤维质量为0.25%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取80份酚醛树脂，然后依次加入十二烷基苯磺酸钠表面活性剂5份，固化剂盐酸0.5份，固化剂磷酸2.5份，增韧剂硬脂酸铝2份，偶联剂处理后的杨木纤维6份，发泡剂环戊烷4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.12g/cm³，导热系数为0.048W/(m·K)，临界氧指数为41%，抗压强度0.42MPa，弯曲强度0.32MPa。

实施例2

首先将柳木纤维中加入占柳木纤维的质量0.5%的γ-氯丙基三乙氧基硅烷，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取85份酚醛树脂，然后依次加入硬脂酸2份，磷酸2份，十八烷基异氰酸酯0.5份，偶联剂处理后的柳木纤维7份，环戊烷3.5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.19g/cm³，导热系数为0.050W/(m·K)，临界氧指数为40.8%，抗压强度0.46MPa，弯曲强度0.31MPa。

实施例3

首先将长度为1~10mm、直径为0.05~0.5mm的樟木纤维中加入其质量为0.15%的乙烯基三乙氧基硅烷偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取70份酚醛树脂，然后依次加入烷基二甲基苄基季铵盐烷基二甲基苄基季铵盐表面活性剂5份，硫酸固化剂0.5份，对甲基苯磺酸固化剂4.5份，聚乙烯醇增韧剂5份，偶联剂处理后的樟木纤维10份，环戊烷发泡剂5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.08g/cm³，导热系数为0.038W/(m·K)，临界氧指数为38%，抗压强度0.21MPa，弯曲强度0.19MPa。

实施例4

首先将梧桐木纤维中加入占其质量0.30%的乙烯基三甲氧基硅烷偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取75份酚醛树脂，然后依次加入卵磷脂表面活性剂4份，对甲基苯磺酸固化剂6份，聚乙二醇增韧剂3份，偶联剂处理后的梧桐木纤维8份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.11g/cm³，导热系数为0.050W/(m·K)，临界氧指数为44%，抗压强度0.37MPa，弯曲强度0.30MPa。

实施例5

首先将榆木纤维中加入其质量为0.28%的钛酸四异丙酯偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取80份酚醛树脂，然后依次加入脂肪酸甘油酯表面活性剂5份，对甲基苯磺酸固化剂5份，聚酰胺增韧剂1份，偶联剂处理后的榆木纤维5份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.16g/cm³，导热系数为0.052W/(m·K)，临界氧指数为40%，抗压强度0.43MPa，弯曲强度0.34MPa。

实施例6

首先将榉木纤维中加入其质量为0.2%的正钛酸四丁酯偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取80份酚醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂5份，盐酸固化剂0.5份，磷酸固化剂3份，聚砜增韧剂0.5份，偶联剂处理后的榉木纤维6份，环戊烷发泡剂5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.14g/cm³，导热系数为0.051W/(m·K)，临界氧指数为44%，抗压强度0.46MPa，弯曲强度0.26MPa。

实施例7

首先将杉木纤维中加入其质量为0.15%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取90份酚醛树脂，然后依次加入三乙醇胺皂表面活性剂1份，硫酸固化剂0.5份，磷酸固化剂2.5份，乙二醇增韧剂0.5份，偶联剂处理后的杉木纤维1.5份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.16g/cm³，导热系数为0.056W/(m·K)，临界氧指数为44%，抗压强度0.44MPa，弯曲强度0.38MPa。

实施例8

首先将核桃木纤维中加入其质量为0.25%的γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂，均匀搅拌后于60℃烘干。然后再取85份酚醛树脂，然后依次加入蔗糖酯表面活性剂2份，磷酸固化剂4.5份，甘油增韧剂0.5份，偶联剂处理后的核桃木纤维4份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.19g/cm³，导热系数为0.047W/(m·K)，临界氧指数为45%，抗压强度0.43MPa，弯曲强度0.41MPa。

实施例9

首先将松木纤维中加入氢氧化钠碱液中处理1小时后于60℃烘干。然后再取80份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入十二烷基苯磺酸钠表面活性剂5份，氯化铵固化剂0.5份，赤藓醇增韧剂1.5份，碱液处理后的松木纤维9份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于开口式发泡模具中于70℃发泡固化成型。材料密度为0.07g/cm³，导热系数为0.031W/(m·K)，临界氧指数为38%，抗压强度0.21MPa，弯曲强度0.15MPa。

实施例10

取85份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂5份，氯化铵固化剂0.4份，间苯二酚增韧剂0.6份，柏木纤维5份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.15g/cm³，导热系数为0.052W/(m·K)，临界氧指数为40%，抗压强度0.47MPa，弯曲强度0.38MPa。

实施例11

取95份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入十二烷基苯磺酸钠表面活性剂0.5份，氯化铵固化剂0.5份，甲酚增韧剂0.5份，竹纤维1份，环戊烷发泡剂2.5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于开口式发泡模具中于70℃发泡固化成型。材料密度为0.07g/cm³，导热系数为0.045W/(m·K)，临界氧指数为40%，抗压强度0.18MPa，弯曲强度0.17MPa。

实施例12

取80份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂5份，氯化铵固化剂0.6份，对苯二酚增韧剂1.4份，偶联剂处理后的坚果壳纤维8份，环戊烷发泡剂5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.28g/cm³，导热系数为0.031W/(m·K)，临界氧指数为51%，抗压强度0.28MPa，弯曲强度0.22MPa。

实施例13

取85份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂3份，氯化铵固化剂0.4份，腰果油增韧剂2.6份，偶联剂处理后的木质纤维5份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.24g/cm³，导热系数为0.051W/(m·K)，临界氧指数为46%，抗压强度0.47MPa，弯曲强度0.35MPa。

实施例14

取82份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂4.5份，氯化铵固化剂0.5份，双-（２-乙基己基）-２-乙基己基膦酸酯增韧剂3份，偶联剂处理后的木质纤维6份，环戊烷发泡剂4份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.29g/cm³，导热系数为0.054W/(m·K)，临界氧指数为45%，抗压强度0.43MPa，弯曲强度0.37MPa。

实施例15

再取44份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂5份，氯化铵固化剂0.7份，丁腈橡胶增韧剂1.3份，偶联剂处理后的木质纤维44份，环戊烷发泡剂5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于发泡模具中（模具体积400mL）于70℃发泡固化成型。材料密度为0.32g/cm³，导热系数为0.036W/(m·K)，临界氧指数为42%，抗压强度0.48MPa，弯曲强度0.34MPa。

实施例16

再取44份三聚氰胺改性脲醛树脂，然后依次加入聚山梨酯表面活性剂4份，氯化铵固化剂0.6份，丁腈橡胶增韧剂1.4份，偶联剂处理后的木质纤维45份，环戊烷发泡剂5份。将混合物置于捏合机中常温条件下捏合均匀后取出置于开口模具中于70℃自然发泡固化成型。材料密度为0.30g/cm³，导热系数为0.034W/(m·K)，临界氧指数为41%，抗压强度0.44MPa，弯曲强度0.31MPa。

Claims

1.一种木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，该复合泡沫材料由可发性阻燃树脂、固化剂、表面活性剂、发泡剂、木质纤维、偶联剂和增韧剂制备而成；其中，各组分按重量份计为：

可发性阻燃树脂40～95份，

固化剂0.1～8份，

表面活性剂0.5～8份，

发泡剂2～8份，

木质纤维1～50份，

增韧剂0.5～10份；

所述的木质纤维先用偶联剂处理后烘干，偶联剂占木质纤维质量的0.15~0.5%；

所述的可发性阻燃树脂选自三聚氰胺改性脲醛树脂中的任一种；

所述的增韧剂选自硬脂酸铝、十八烷基异氰酸酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚酰胺、聚砜、乙二醇、甘油、赤藓醇、间苯二酚、甲酚、对苯二酚、腰果油、双-（２-乙基己基）-２-乙基己基膦酸酯或丁腈橡胶中的任一种。

2.根据权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，所述的木质纤维的长度为1～10mm，直径为0.05～0.5mm。

3.据权利要求1或2所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，所述的木质纤维选自杨木纤维、柳木纤维、樟木纤维、梧桐木纤维、榆木纤维、榉木纤维、杉木纤维、核桃木纤维、松木纤维、柏木纤维、竹纤维、果壳纤维中的任一种。

4.根据权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，所述的发泡剂为环戊烷。

5.根据权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，所述的偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氯丙基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷、钛酸四异丙酯、正钛酸四丁酯中的任一种。

6.根据权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于表面活性剂选自硬脂酸、十二烷基苯磺酸钠、烷基二甲基苄基季铵盐烷基二甲基苄基季铵盐、卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱型、脂肪酸甘油酯、聚山梨酯、三乙醇胺皂或蔗糖酯中的任一种。

7.根据权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料，其特征在于，所述的固化剂选自磷酸、氯化铵、盐酸、硫酸、对甲基苯磺酸中的任一种或几种的混合物。

8.基于权利要求1所述的木质纤维增强阻燃泡沫材料的加工方法，其特征在于，采用自然膨胀发泡法或模具发泡法中的任一种。