CN105086354A - 一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂及其制备方法，涉及一种树脂及其制备方法，该改性酚醛发泡树脂采用含异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷作为改性剂，在酚醛树脂中引入Si-O柔性侧基，得到增韧的酚醛发泡树脂；该方法制备的酚醛树脂，降低了酚羟基和水分的相对含量，使改性的热塑性酚醛树脂的热稳定性和力学性能得到了一定的改善，制得粒径小，分子量分布均匀、挥发份少的酚醛树脂。采用本发明制备的酚醛泡沫板，韧性大大提高，改善了酚醛泡沫的导热系数等综合性能，使其不仅应用于建筑外墙外保温中，还可应用在其他适合的领域，使酚醛泡沫板的应用范围得到扩大。

Description

一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种树脂及其制备方法，特别是涉及一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂及其制备方法。

背景技术

酚醛泡沫塑料是近些年发展起来的一类新型泡沫塑料，酚醛泡沫相对于聚氨酯泡沫、聚苯乙烯泡沫，在耐高温方面有明显优势，酚醛泡沫能够在-196～200℃温度范围内长期使用而不会变形和降解。酚醛泡沫还具有质轻、隔热、燃烧时低烟、低毒、无明显火焰、无滴落物、热导率低，隔热性能好，优良的电绝缘性能，耐化学腐蚀的优点，因此在建筑保温、石油化工行业、航空航天器绝热方面有广阔的应用前景。然而，酚醛泡沫同时又具有脆性大、韧性差、机械强度低的缺点，这些缺点都严重制约了它的应用范围和使用寿命。

酚醛泡沫通常由甲阶酚醛树脂、表面活性剂、发泡剂混合均匀后再加入固化剂，搅拌均匀后加热发泡，所形成的酚醛泡沫一般情况下存在脆性大，酸性大、吸水率高等缺陷，所以酚醛泡沫发泡使用的酚醛树脂需要使用柔性材料进行改性，来解决酚醛泡沫的部分缺陷。改性酚醛泡沫的柔性材料一般包括：聚乙二醇、低分子量聚酯，外加增韧剂等。经过改性的酚醛树脂进行发泡制备的酚醛泡沫，其脆性会有一定的改善。使用外增塑的办法，增塑效果不佳，故需克服其韧性差的缺陷，还需采用内增韧办法来解决。

MarkoTurunen等（MarkoTarune，LeilaAlvila，TuuleT.Pakkanenetal.Modificationofphend-Formaldehyde.ResolResinsbyLigain，Starch,andUreaJournalofAppliedPolymerScience，2003，88(7)：582-588.）采用木质素、淀粉和尿素对甲阶酚醛树脂进行了增韧改性，并对其分子量、结构、性能及反应活性做了对比研究。但制得的酚醛树脂复合材料过程中木质素的分散难以均匀，在发泡过程中所需固化温度过高，固化速度过慢。酚醛泡沫存在泡孔不均匀，易发生龟裂等缺点。

王云成等（王云成，张伟亚，杨左军等.无机纳米粒子改性热固性树脂研究进展，热固性树脂，2002，17（5）：34-39.）采用纳米材料插层复合法，复合材料的片层结构分散在树脂基体中，实现树脂与剥离的结构单元在纳米尺度上复合。但是纳米材料存在结构松散，易发生团聚等缺点；而且制得的酚醛树脂复合材料只是分子间作用力，作用力不强，难以长久增韧酚醛发泡树脂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂及其制备方法，该方法在制备改性的酚醛树脂过程中，降低了酚羟基和水分的相对含量，使改性的热塑性酚醛树脂的热稳定性和力学性能得到了有效的改善，制得粒径小，分子量分布均匀、挥发份少的酚醛树脂。发泡后的酚醛泡沫韧性大大提高，导热系数降低，同时改善了吸水率及耐碱性等综合性能。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述树脂由酚类化合物、醛类化合物、改性剂、催化剂、表面活性剂、发泡剂、固化剂组成，具体如下：

树脂合成阶段，各组分按重量计，组成如下：

酚类化合物100份；

醛类化合物50~80份；

改性剂15~30份；

催化剂2~5份；

树脂发泡阶段，各组分按重量计，组成如下：

酚醛树脂100份；

表面活性剂1~15份；

发泡剂4~12份；

固化剂10~15份。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述改性剂为异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷，其结构如下：

。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述酚类化合物选自苯酚、甲酚、二甲酚、壬基苯酚、双酚A、间苯二酚、丙基苯酚、乙基苯酚与腰果酚中的一种或多种。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述醛类化合物选自甲醛、乙醛、丁醛、聚甲醛与糠醛中的一种或多种。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾等强碱物质中的一种或多种。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述表面活性剂为吐温-80、硅油中的至少一种。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述发泡剂为正戊烷、异戊烷中的至少一种。

所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，所述固化剂为对甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯酚磺酸、苯磺酸中的一种或几种硫酸中的一种或多种。

一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

按称量酚类化合物、催化剂、改性剂置于60~80℃温度下的反应釜中，然后加入醛类化合物，反应后升温至80~100℃；待反应完成后，减压蒸馏，调PH值，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂；

改性酚醛树脂置于容器中待用，依次称量表面活性剂、发泡剂、加入容器中，快速搅拌，搅拌1-3分钟，再将称量好的固化剂倒入容器中，搅拌10-20秒，然后将搅拌好的液体倒入模具中，将模具放入60-80℃的烘箱中进行发泡成型，待发泡成型完成后，将模具取出、拆模，即得到本发明的带有Si-O侧基增韧酚醛泡沫板。

本发明的优点与效果是：

通过加入改性剂在酚醛树脂间引入了Si-O侧基团，改变了树脂间仅有亚甲基连接的结构；异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷在酚醛树脂合成过程中参与反应，所含的硅氧基团与酚醛中的酚羟基发生反应，降低了酚醛树脂中的羟基密度，而且交联过程中大量的Si-O长柔性链取代了酚醛树脂中刚性部分的亚甲基链段，柔性链增加，使树脂的大分子交联密度降低，提高了可发性酚醛树脂的分子量等各项性能。再者，发泡过程中由于加入的改性剂中含有异氰酸酯基团，在酚醛刚性分子结构中引入了柔韧性极好的氨基甲酸酯链段，这种柔性链段的引入，从改变了酚醛树脂交联的刚性分子结构，与此同时引入了聚氨酯材料的特性。从而使制得的酚醛泡沫韧性大大改善，密度上升、吸水率降低，隔热效果以及耐碱性等综合性能提高。在所提供的配比范围内调制原料不同配比及控制其制备工艺条件，制得的改性酚醛发泡树脂均能达到下列指标：水份≤5%，游离酚≤2.5%，流动度30-50mm，固化速度(150℃)50-100秒，挥发份≤7%，软化点85-105℃，粒径为200目下至少95%。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

所用材料：

氰酸钾

N，N-二甲基甲酰胺

己内酰胺

氯丙基三乙氧基硅烷

苯酚

多聚甲醛

氢氧化钠

乙酸

吐温-80

正戊烷

对甲苯磺酸

实施例1

1)改性剂的制备：将1.15mol氰酸钾和1molN，N-二甲基甲酰胺以及1.1mol己内酰胺，搅拌使其完全混合均匀，缓慢升温至125℃，向混合物中滴加1.0mol氯丙基三乙氧基硅烷,反应温度保持在130℃；滴加结束后，保温5h。反应结束后,过滤得到滤液；反应装置内的真空度在700MPa进行减压精馏，得到3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷。

2)Si-O侧基的可发性酚醛树脂的制备：将80g苯酚、15g异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度65℃分批量加入45g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应70min，然后保持反应装置内的真空度在650MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂。

3)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

4)将酚醛基础树脂、带有Si-O侧基的酚醛树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比80：20：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

实施例2

1)改性剂的制备：将1.15mol氰酸钾和1molN，N-二甲基甲酰胺以及1.1mol己内酰胺，搅拌使其完全混合均匀，缓慢升温至125℃，向混合物中滴加1.0mol氯丙基三乙氧基硅烷,反应温度保持在130℃；滴加结束后，保温5h。反应结束后,过滤得到滤液；反应装置内的真空度在700MPa进行减压精馏，得到3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷。

2)Si-O侧基的可发性酚醛树脂的制备：将80g苯酚、15g异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度65℃分批量加入45g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应70min，然后保持反应装置内的真空度在650MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂。

3)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

4)将酚醛基础树脂、带有Si-O侧基的酚醛树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比70：30：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

实施例3

1)改性剂的制备：将1.15mol氰酸钾和1molN，N-二甲基甲酰胺以及1.1mol己内酰胺，搅拌使其完全混合均匀，缓慢升温至125℃，向混合物中滴加1.0mol氯丙基三乙氧基硅烷,反应温度保持在130℃；滴加结束后，保温5h。反应结束后,过滤得到滤液；反应装置内的真空度在700MPa进行减压精馏，得到3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷。

2)Si-O侧基的可发性酚醛树脂的制备：将80g苯酚、15g异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度65℃分批量加入45g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应70min，然后保持反应装置内的真空度在650MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂。

3)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

4)将酚醛基础树脂、带有Si-O侧基的酚醛树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比60：40：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

实施例4

1)改性剂的制备：将1.15mol氰酸钾和1molN，N-二甲基甲酰胺以及1.1mol己内酰胺，搅拌使其完全混合均匀，缓慢升温至125℃，向混合物中滴加1.0mol氯丙基三乙氧基硅烷,反应温度保持在130℃；滴加结束后，保温5h。反应结束后,过滤得到滤液；反应装置内的真空度在700MPa进行减压精馏，得到3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷。

2)Si-O侧基的可发性酚醛树脂的制备：将80g苯酚、15g异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度65℃分批量加入45g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应70min，然后保持反应装置内的真空度在650MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂。

3)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

4)将酚醛基础树脂、带有Si-O侧基的酚醛树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比50：50：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

实施例5

1)改性剂的制备：将1.15mol氰酸钾和1molN，N-二甲基甲酰胺以及1.1mol己内酰胺，搅拌使其完全混合均匀，缓慢升温至125℃，向混合物中滴加1.0mol氯丙基三乙氧基硅烷,反应温度保持在130℃；滴加结束后，保温5h。反应结束后,过滤得到滤液；反应装置内的真空度在700MPa进行减压精馏，得到3-异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷。

2)Si-O侧基的可发性酚醛树脂的制备：将80g苯酚、15g异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度65℃分批量加入45g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应70min，然后保持反应装置内的真空度在650MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂。

3)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

4)将酚醛基础树脂、带有Si-O侧基的酚醛树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比40：60：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

对比例

1)将65g苯酚、1g氢氧化钠饱和溶液加入反应釜中，水浴温度60℃，分批量加入35g固体多聚甲醛，控制半个小时加完，继续反应半个小时，升高温度到90℃，持续反应1.5小时，然后保持反应装置内的真空度在680MPa进行减压蒸馏，蒸馏过程中物料温度控制在48℃左右，直至蒸出的水量达到一定要求后停止蒸馏，加入乙酸调整产品PH值为7左右，最终得到酚醛基础树脂。

2)将酚醛基础树脂、吐温-80、正戊烷：对甲苯磺酸按配比100：12：10：12的比例进行充分均匀混合，快速搅拌1min，然后将混好的物料转移到模具中，在70℃下反应10分钟，脱模即得到需要的酚醛泡沫。

本发明实施例所制备的改性酚醛树脂与普通酚醛树脂的性能对比如下表：

	分子量Mm	黏度cp	固含量%	游离酚%
					改性后树脂	1520	2400	88	1.6
基础对比	1160	4500	68	6

本发明实施例1至5所制备的酚醛泡沫与普通酚醛泡沫的性能对比如下表：

	弯曲形变mm	密度g/cm3	体积吸水率%	氧指数%
					实施例1	11.35	0.0396	4.9	32.9
实施例2	14.35	0.0406	4.7	33.8
					实施例3	16.84	0.0457	4.3	33.7
实施例4	21.71	0.0465	3.9	33.9
					实施例5	24.16	0.0472	3.3	33.8
基础对比	5.19	0.0394	8.2	31.0

由上表可见，本发明的异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷改性的酚醛树脂改性剂，改性酚醛树脂分子量、粘度、固含量等都有提高，而且游离酚的含量大幅度降低。这是由于异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷在酚醛树脂合成过程中参与反应，所含的硅氧基团与酚醛中的酚羟基发生反应，降低了酚醛树脂中的羟基密度，而且交联过程中大量的Si-O长柔性连取代了酚醛树脂中刚性部分的亚甲基链段，柔性连增加，使树脂的大分子交联密度降低，提高了可发性酚醛树脂的各项性能。

改性后制得的酚醛泡沫韧性大大改善，密度上升、吸水率降低，产品的综合性能提高。这是由于加入的改性剂中含有异氰酸酯基团，在酚醛刚性分子结构中引入了柔韧性极好的氨基甲酸酯链段，这种柔性链段的引入，从改变了酚醛树脂交联的刚性分子结构，与此同时引入了聚氨酯材料的特性。从而使制得的酚醛泡沫韧性变好，导热系数等综合性能都得到了提高。

Claims (9)

1.一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述树脂由酚类化合物、醛类化合物、改性剂、催化剂、表面活性剂、发泡剂、固化剂组成，具体如下：

树脂合成阶段，各组分按重量计，组成如下：

酚类化合物100份；

醛类化合物50~80份；

改性剂15~30份；

催化剂2~5份；

树脂发泡阶段，各组分按重量计，组成如下：

酚醛树脂100份；

表面活性剂1~15份；

发泡剂4~12份；

固化剂10~15份。

2.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述改性剂为异氰酸酯基丙基三乙氧基硅烷，其结构如下：

。

3.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述酚类化合物选自苯酚、甲酚、二甲酚、壬基苯酚、双酚A、间苯二酚、丙基苯酚、乙基苯酚与腰果酚中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述醛类化合物选自甲醛、乙醛、丁醛、聚甲醛与糠醛中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述催化剂为氢氧化钠、氢氧化钾等强碱物质中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述表面活性剂为吐温-80、硅油中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述发泡剂为正戊烷、异戊烷中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂，其特征在于，所述固化剂为对甲苯磺酸、二甲苯磺酸、苯酚磺酸、苯磺酸中的一种或几种硫酸中的一种或多种。

9.一种带有Si-O侧基增韧酚醛发泡树脂制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

按称量酚类化合物、催化剂、改性剂置于60~80℃温度下的反应釜中，然后加入醛类化合物，反应后升温至80~100℃；待反应完成后，减压蒸馏，调PH值，得到带有Si-O侧基的可发性酚醛树脂；

改性酚醛树脂置于容器中待用，依次称量表面活性剂、发泡剂、加入容器中，快速搅拌，搅拌1-3分钟，再将称量好的固化剂倒入容器中，搅拌10-20秒，然后将搅拌好的液体倒入模具中，将模具放入60-80℃的烘箱中进行发泡成型，待发泡成型完成后，将模具取出、拆模，即得到本发明的带有Si-O侧基增韧酚醛泡沫板。