CN108530824A - 一种植物纤维增韧酚醛泡沫的制备方法 - Google Patents

一种植物纤维增韧酚醛泡沫的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种植物纤维增韧酚醛泡沫的制备方法。将天然植物纤维在酸性条件下浸润处理，然后再用碱性溶液浸泡，最后干燥并将其切割至1‑3mm的短切纤维备用；制备可发性甲阶酚醛树脂；取可发性甲阶酚醛树脂100份，表面活性剂3‑8份、发泡剂5‑12份、短切纤维0.5‑20份、固化剂8‑15份均匀混合后在50℃‑70℃环境下发泡30min‑60min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。本发明利用春季马路边三球悬铃木花絮以及秋季无人回收利用的芦苇絮作为改性剂来增韧酚醛泡沫，不仅提高了酚醛泡沫的机械性能降低了游离酚醛的含量，而且还使用了天然材料，给解决环境问题及生物质材料的回收利用提供了新方法。

Description

一种植物纤维增韧酚醛泡沫的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种植物纤维增韧酚醛泡沫的制备方法。
背景技术
酚醛泡沫是价廉物美的轻质绝热材料，它因自身的性能特点被誉为“保温之王”。通过酚醛树脂的分子结构可以看出，酚醛树脂分子中存在着大量的苯环，泡沫体燃烧的时候产生的亚甲基自由基容易被苯环分子吸附，使得泡沫结构含碳量高，物质的挥发减少，从而让酚醛泡沫具有良好的绝热作用。检测结果表明普通的酚醛泡沫的氧指数40在左右，其燃烧性能为B1级，若对其进行改性，其氧指数可达60以上，阻燃等级可以达到A1级。酚醛泡沫除了良好的阻燃效果还具备良好的热稳定性、化学稳定性及尺寸稳定性。
相对于其他的保温材料而言，传统酚醛泡沫的物理性能有不可替代的优势，但同时也有一些缺陷，如粉化掉渣、脆性大和强度低等，这些缺点使其难以大规模推广使用。因此，对酚醛泡沫塑料进行增韧改性，降低其掉渣率和粉化度，提高其机械性能一直是这个领域的研究热点。随着石油资源的日益枯竭，石化酚醛泡沫的原料来源也越来越紧张，因此在酚醛泡沫的制备过程中使用一些可再生的酚醛原料及助剂是一种很好的选择。而生物质原料具有可再生性、生物降解性及成本低廉的优势，我们既可以利用生物质中的酚类物质代替部分苯酚制备生物质改性甲阶酚醛树脂，进而制备生物质酚醛泡沫塑料，又可以在发泡共混过程中加入生物质制品，从而达到降低酚醛泡沫塑料成本并改善其性能的目的。
刘瑞杰等用腰果酚对酚醛泡沫进行增韧改性，研究结果表明，腰果酚的引入明显改善了酚醛泡沫的力学性能，当腰果酚的替代量达到10％时，酚醛泡沫的弯曲强度最高，为0.25MPa，只是其氧指数降低到36左右，其热稳定性也有所降低，这是由于腰果酚的脂肪族长链的热稳定性不足所造成的。
孙垂海等发明了一种用栲胶改性酚醛泡沫塑料的方法，在碱性条件下用双氧水降解栲胶制得的降解液合成酚醛泡沫塑料，在不影响酚醛泡沫塑料本身阻燃性和保温性能的前提下，其拉拔强度和弯曲断裂力明显提高，并且显著降低了泡沫中游离醛的含量。
Dou J等在pH＝10，液固比1：1的条件下氧化降解木质素磺酸钙，然后合成可发性甲阶酚醛树脂，氧化降解后的木质素对苯酚的替代量达到了30％，改性后的树脂制备的酚醛泡沫的压缩强度为0.15MPa与正常的酚醛泡沫塑料的压缩强度(0.18MPa)相差不大。
Shen等将短切芳纶纤维、短切玻璃纤维作为增强体引入酚醛泡沫，分析比较了种短切纤维在增强酚醛泡沫上的差异，结果表明短切芳纶纤维改性酚醛泡沫的机械性能明显优于短切玻璃纤维改性酚醛泡沫。
发明内容
本发明目的在于利用天然植物纤维改性酚醛泡沫材料，以提高酚醛泡沫塑料的机械性能能。同时将未被利用起来的芦苇絮及三球悬铃木种子繁殖时产生的大量种毛加以回收利用，有望解决各种植物纤维的回收利用及其造成的环境问题。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，包括以下步骤：
1)将天然植物纤维在酸性条件下浸润处理，然后再用碱性溶液浸泡，最后干燥并将其切割至1-3mm的短切纤维备用；
2)取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:(1.2-2)混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至75℃-90℃反应60min-210min；将反应液降温至70℃以下，用稀盐酸调节pH至7-9；除去溶液中的水分得到固含量为75-85％的可发性甲阶酚醛树脂；
3)取步骤2可发性甲阶酚醛树脂100份，表面活性剂3-8份、发泡剂5-12份、步骤1短切纤维0.5-20份、固化剂8-15份均匀混合后在50℃-70℃环境下发泡30min-60min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
按上述方案，步骤1中将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥；将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制成长度为1mm左右的短切纤维。
按上述方案，所述天然植物纤维为三球悬铃木花絮、芦苇絮或棉花絮。
按上述方案，所述可发泡性甲阶酚醛树脂的粘度在20℃下为3000-6000mPa·S。
按上述方案，所述表面活性剂为山梨糖醇干、脂肪酸脂类、硅氧烷基环氧杂环共聚物、蓖麻油乙烯氧化物、烷基苯酚聚氧化乙烯醚、聚氧化乙烯甲基硅油、OP-7、OP-10、吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80中任意一种。
按上述方案，所述发泡剂为正戊烷、正丁烷、异戊烷、石油醚中任意一种。
按上述方案，所述固化剂为硫酸、盐酸、磷酸、氢溴酸、硼酸、苯磺酸、对苯磺酸、醋酸、萘磺酸中任意一种；或者对苯磺酸与磷酸的混合，或者盐酸与硼酸和苯磺酸的混合型固化剂。
本发明所达到的有益效果：
本发明利用春季马路边三球悬铃木(法国梧桐)影响环境及危害过敏人群的花絮以及秋季无人回收利用的芦苇絮作为改性剂来增韧酚醛泡沫，该方案不仅提高了酚醛泡沫的机械性能，降低了泡沫体中的游离酚醛的含量，而且还使用了天然材料，给解决环境问题及生物质材料的回收利用提供了新方法。该方法制备的酚醛泡沫不仅降低了成本获得了客观的经济收益，也获得了一定的环保效益。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
对比例
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.8混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至85℃反应150min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-805份、正戊烷10份、固化剂12份，所述固化剂为盐酸与对苯磺酸、磷酸按质量比1:2:1混合配置的，均匀混合后在60℃环境下发泡30min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为64kg/m3，压缩强度为156kpa，极限氧指数为47。
实施例1
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.2混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至75℃反应210min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-803份、正戊烷5份、短切纤维0.5份、固化剂10份，所述固化剂为磷酸、盐酸和苯磺酸按质量比2:1:5混合配置的，均匀混合后在60℃环境下发泡30min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为63kg/m3，压缩强度为164kpa，极限氧指数为49。
实施例2
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.5混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至80℃反应180min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-804份、正戊烷8份、短切纤维4份、固化剂10份，所述固化剂为磷酸与盐酸按质量比1:1混合配置的，均匀混合后在50℃环境下发泡30min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为61kg/m3，压缩强度为173kpa，极限氧指数为48。
实施例3
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.8混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至85℃反应150min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-805份、正戊烷10份、短切纤维10份、固化剂10份，所述固化剂为磷酸与对苯磺酸、水按质量比1:2:1混合配置的，均匀混合后在70℃环境下发泡30min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为58kg/m3，压缩强度为196kpa，极限氧指数为46。
实施例4
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:2混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至90℃反应60min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-806份、正戊烷10份、短切纤维12份、固化剂12份，所述固化剂为盐酸与对苯磺酸、磷酸按质量比1:2:1混合配置的，均匀混合后在60℃环境下发泡40min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为67kg/m3，压缩强度为186kpa，极限氧指数为47。
实施例5
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.8混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至90℃反应120min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-808份、正戊烷12份、短切纤维15份、固化剂12份，所述固化剂为盐酸与对苯磺酸、磷酸按质量比1:2:1混合配置的，均匀混合后在55℃环境下发泡50min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为63kg/m3，压缩强度为197kpa，极限氧指数为45。
实施例6
将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥后，将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制备成长度为1mm左右的短切纤维；
取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:1.8混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至85℃反应120min，反应结束后将反应液降温至70℃以下，用0.01mol/L的稀盐酸调节溶液pH至9。减压蒸馏或用旋转蒸发除去溶液中的水分得到固含量为80％的可发性甲阶酚醛树脂。
取可发性树脂100份，吐温-806份、正戊烷10份、短切纤维20份、固化剂12份，所述固化剂为盐酸与对苯磺酸、磷酸按质量比1:2:1混合配置的，均匀混合后在60℃环境下发泡60min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
所得酚醛泡沫表观密度为59kg/m3，压缩强度为186kpa，极限氧指数为46。
由实施例1-5及对比例可以得出，本发明制备的天然植物纤维改性酚醛泡沫的压缩性能有显著的提高，同时具有良好的阻燃性和环保性，有着广阔的应用潜力。

Claims (7)

1.一种天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)将天然植物纤维在酸性条件下浸润处理，然后再用碱性溶液浸泡，最后干燥并将其切割至1-3mm的短切纤维备用；
2)取溶化状态下的苯酚与甲醛按摩尔比1:(1.2-2)混合并搅拌均匀，在60℃下加入催化剂并保温30min后升温至75℃-90℃反应60min-210min；将反应液降温至70℃以下，用稀盐酸调节pH至7-9；除去溶液中的水分得到固含量为75-85％的可发性甲阶酚醛树脂；
3)取步骤2可发性甲阶酚醛树脂100份，表面活性剂3-8份、发泡剂5-12份、步骤1短切纤维0.5-20份、固化剂8-15份均匀混合后在50℃-70℃环境下发泡30min-60min后脱模得到植物纤维改性的酚醛泡沫。
2.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于步骤1中将植物纤维、0.01mol/LHCl溶液按1:100的比例混合均匀后静置30min后将植物纤维过滤干燥；将植物纤维、0.01mol/LNaOH溶液按1:100混合均匀后加入0.1份双氧水在15℃下搅拌40min，60℃下干燥，制成长度为1mm左右的短切纤维。
3.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于所述天然植物纤维为三球悬铃木花絮、芦苇絮或棉花絮。
4.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于所述可发泡性甲阶酚醛树脂的粘度在20℃下为3000-6000mPa·S。
5.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于所述表面活性剂为山梨糖醇干、脂肪酸脂类、硅氧烷基环氧杂环共聚物、蓖麻油乙烯氧化物、烷基苯酚聚氧化乙烯醚、聚氧化乙烯甲基硅油、OP-7、OP-10、吐温-20、吐温-40、吐温-60、吐温-80中任意一种。
6.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于所述发泡剂为正戊烷、正丁烷、异戊烷、石油醚中任意一种。
7.如权利要求1所述天然植物纤维改性酚醛泡沫的制备方法，其特征在于所述固化剂为硫酸、盐酸、磷酸、氢溴酸、硼酸、苯磺酸、对苯磺酸、醋酸、萘磺酸中任意一种；或者对苯磺酸与磷酸的混合，或者盐酸与硼酸和苯磺酸的混合型固化剂。
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