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低溫法制備環氧樹脂泡沫及其性能 魯桂林，高慧妍 （沈陽工業大學中央校區，遼寧 沈陽 110870） 摘 要：采用雙酚 A 環氧樹脂為基料，添加發泡劑、固化劑和填料等材料制備環氧保溫材料。本課題研究了固化劑的種類對產物的發泡時間、固化時間、密度以及產物的力學性能的影響。還研究了固化劑用量、氫氧化鈉用量對產品密度的影響以及其對泡沫塑料孔結構的影響。最后根據正交實驗研究制備環氧樹脂泡沫的最優比。實驗表明，鋁粉和氫氧化鈉作為發泡劑，聚酰胺作為固化劑。根據正交實驗，在 5g 雙酚 A環氧樹脂中，加入 0.2g 的發泡劑，1.6g 的固化劑，0.1g 的填料所得的樣品力學性能較好。按此配比所制備的泡沫的彎曲應力為 35MPa，拉伸應力為 5.5MPa，壓縮應力為 3.6MPa。 關鍵詞：環氧樹脂；泡沫；合成；性能 前言 環氧樹脂泡沫的優點是：耐熱性好，粘結性能好，具有化學惰性，電性能良好等特點[1-3]。低溫法制備的環氧樹脂泡沫具有良好的保溫性、防火性和耐熱性，它吸水性小，無毒，并且具有吸聲和阻尼效果[4-5]低溫法制備的環氧樹脂泡沫能夠彌補我國傳統保溫材料強度差、有毒性、防火性差、發泡過程難以控制和適用范圍窄等不足。專家認為環氧樹脂泡沫在建筑、交通、國防等領域具有廣泛的應用前景[6-7]。筆者以雙酚 A 型 EP 為基體，采用低溫工藝制備了 EP 泡沫，對其微觀結構，力學性能等進行了表征和分析。 1 實驗 1.1 主要原材料 （1）雙酚 A 環氧樹 （2）固化劑 采用兩種固化劑：聚酰胺固化劑和二乙烯三胺固化劑進行實驗 （3）發泡劑 之前應用廣泛的國產有機發泡劑毒性較大，不予采用。本文根據鋁粉在堿性條件下反應生成氫氣的原理，采用鋁粉和氫氧化鈉溶液為發泡劑。 （4）加強纖維 提高泡沫孔隙率是改善泡沫性能的有效措施之一。可以采用兩種方法來提高泡沫孔隙率，①發泡 ②選用合適的填料。單純依靠發泡提升泡沫的孔隙率會使泡沫的力學性能降低，因此，在發泡的同時，有必要引入合適的填料，在不影響力學性能的前提下，提高孔隙率從而改善泡沫的保溫性能。本文選用玻璃纖維作為填料。 （5）其他材料 阻燃劑，基于對阻燃劑耐熱耐光性和不易滲析性性、環保型等方面的考慮，本文采用十溴二苯乙烷為阻燃劑。 1.2 試樣制備 將雙酚 A 環氧樹脂和固化劑加入模具中，再放入適量的填料，阻燃劑，充分攪拌均勻后，加入一定量的鋁粉，取一定量的氫氧化鈉于燒杯中，加入少量水充分溶解后，將氫氧化鈉溶液直接倒在鋁粉上，當有氣泡產生時，充分攪拌。然后使其靜置在模具中，緩慢的發泡膨脹并固化成形。最后脫模并對其進行性能測試。 1.3 性能測試 （1）按照 GB/T 6343-1995《硬質泡沫塑料表觀密度的測定方法》的規定，測定泡沫的表觀密度。 （2）本文按照 GB/T 8813-2008《硬質泡沫塑料壓縮性能的測定》的規定，測定泡沫的壓縮強度。 （3）按照 GB 9641-88《硬質泡沫塑料拉伸性能試驗方法》的規定，測定泡沫的拉伸應力。 （4）按照 GB/T 9341-2008《硬質泡沫塑料彎曲性能試驗方法》的規定，測定泡沫的彎曲應力。 （5）利用氧指數儀測定材料的氧指數。 2 實驗結果與討論 2.1 固化劑的種類和用量的確定 2.1.1 固化劑種類的選擇 圖 3-1 表示保持在環氧樹脂和發泡劑的量保持不變的前提下，改變固化劑種類對產品性能的影響。注：環氧樹脂均為 5g，發泡劑均為 0.2g 在圖 1 中，線條 1 和線條 5 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的發泡時間。線條 2 和線條 6 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的固化時間。線條3和線條7分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的密度。線條 4 和線條 8 分別表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化劑后聚合物的彎曲應力。  通過圖 1 看出二乙烯三胺固化劑的固化時間過長，形成的泡孔不均勻，產品表孔較大且不均勻。根據上述結果，選擇發泡時間略大、固化時間略小、密度適宜、彎曲應力較大的聚酰胺固化劑，使產品具有良好的力學性能。 2.1.2 固化劑用量的選擇  本性能測試試樣是由環氧樹脂 5 克，發泡劑 0.2g，玻璃纖維 0.1g 和不同量的聚酰胺固化劑混合后發泡制備的。聚酰胺固化劑的使用應該使聚合物的能夠保持一致的發泡速度和固化速度。從圖 2 中可以看出，隨著聚酰胺固化劑用量的增加，環氧樹脂泡沫的密度迅速減小。當固化劑用量到達一定值之后，環氧樹脂泡沫的密度又隨著固化劑用量的增大而增大。在聚酰胺固化劑用量在 1.6g 時密度出現最小值為 318Kg/m3 2.2 發泡材料的影響 本性能測試試樣是由環氧樹脂 5g 克，固化劑 1.6g，鋁粉 0.3g 和不同量的氫氧化鈉混合而制得的。  氫氧化鈉用量為 0.19g 時，環氧樹脂發泡充分，基本不出現泡孔的破裂，因此泡沫的表觀密度最小。 2.3 填料對泡沫性能的影響 為測定玻璃纖維填充的環氧樹脂泡沫性能的研究，進行了對比實驗，在保持其它量不變的情況下，比較加入玻璃纖維和未加入玻璃纖維的泡沫的力學性能及其泡孔結以及加入不同的填料量對泡沫性能的影響。其中設定環氧樹脂的加入量為 5g，固化劑的加入量為 1.6g，發泡劑的量為 0.19g。未加玻璃纖維的樣品的表觀密度為 315Kg/m3，彎曲應力為27.08MPa。 根據表 1 所示可以看出，玻璃纖維不僅可以減小泡沫的表觀密度，還可以增加泡沫的彎曲應力。隨著玻璃纖維用量的增加，泡沫的表觀密度也逐漸減小，泡沫的彎曲應力則逐漸增大。當玻璃纖維的加入量在 0.12g 以后，由于混合料過干，導致發泡劑發泡困難，影響了泡沫的性能。  2.4 性能檢測結果 設定一個三因素四水平的正交實驗，來選出泡沫的最佳配比。所做試樣均保持原料環氧樹脂的用量為 5g，將固化劑用量設定為因素 A；保持鋁粉量不變，選擇鋁粉用量為0.3g。改變氫氧化鈉的量，將氫氧化鈉的用量設定為因素 B；將填料的用量設定為因素 C。進行數據處理，根據極差大小可知，固化劑對泡沫的密度影響最大，填料對泡沫密度的影響最小。同時可以得出制備環氧樹脂泡沫的最優比，即原料環氧樹脂 5g 時，取聚酰胺固化劑 1.6g，取發泡劑劑 0.2g，填料 0.1g。按此配比所制備的環氧樹脂泡沫性能較好。 圖 4，圖 5，圖 6 表示按最優比配制的泡沫性能圖   3 ·結論 （1）以雙酚 A 型環氧樹脂為基料，以聚酰胺為固化劑，鋁粉和氫氧化鈉溶液為發泡劑，添加玻璃纖維和適量阻燃劑，可制得任意形狀尺寸的環氧樹脂泡沫。 （2）最佳配比：聚酰胺固化劑的量為 1.6g，氫氧化鈉的量為 0.2g，填料的量為 0.1g。按此配比測出的產品密度為 0.367Kg/m3。測彎曲性能時的彎曲應力為 35MPa，測拉伸性能時的拉伸應力為 5.5MPa，測壓縮性能時的壓縮應力為3.6MPa，氧指數不小于 28。 參考文獻 [1]于 錦. 涂料與涂裝[M]. 沈陽工業大學出版社, 2011. [2] 錢志屏. 泡沫塑料[M]. 北京: 中國石化出版社, 1998. [3]張聰莉, 陳歡慶, 孫曼靈, 等. 高密度環氧泡沫塑料的制備工藝及性能研究[J]. 熱固性樹脂, 2009, 24(6): 30-33. [4]呂 平. 環氧泡沫保溫材料的配方研究[J]. 保溫材料與建筑節能, 1999, 2(12): 26-28. [5]陳春滋, 朱未禺. 保溫絕熱材料與應用技術[M]. 北京:中國建材工業出版社, 2005. [6]陳歡慶, 鄭水蓉, 孫曼靈. 環氧泡沫塑料的研究與應用[J]. 粘結雜志社, 2009, 4(2): 71-75. [7]Russick E M, Peter B R.Epoxy foams using multiple resins and curing agents: US, 6110982[P]. 2000. |
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