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低温法制备环氧树脂泡沫及其性能 鲁桂林，高慧妍 （沈阳工业大学中央校区，辽宁 沈阳 110870） 摘 要：采用双酚 A 环氧树脂为基料，添加发泡剂、固化剂和填料等材料制备环氧保温材料。本课题研究了固化剂的种类对产物的发泡时间、固化时间、密度以及产物的力学性能的影响。还研究了固化剂用量、氢氧化钠用量对产品密度的影响以及其对泡沫塑料孔结构的影响。最后根据正交实验研究制备环氧树脂泡沫的最优比。实验表明，铝粉和氢氧化钠作为发泡剂，聚酰胺作为固化剂。根据正交实验，在 5g 双酚 A环氧树脂中，加入 0.2g 的发泡剂，1.6g 的固化剂，0.1g 的填料所得的样品力学性能较好。按此配比所制备的泡沫的弯曲应力为 35MPa，拉伸应力为 5.5MPa，压缩应力为 3.6MPa。 关键词：环氧树脂；泡沫；合成；性能 前言 环氧树脂泡沫的优点是：耐热性好，粘结性能好，具有化学惰性，电性能良好等特点[1-3]。低温法制备的环氧树脂泡沫具有良好的保温性、防火性和耐热性，它吸水性小，无毒，并且具有吸声和阻尼效果[4-5]低温法制备的环氧树脂泡沫能够弥补我国传统保温材料强度差、有毒性、防火性差、发泡过程难以控制和适用范围窄等不足。专家认为环氧树脂泡沫在建筑、交通、国防等领域具有广泛的应用前景[6-7]。笔者以双酚 A 型 EP 为基体，采用低温工艺制备了 EP 泡沫，对其微观结构，力学性能等进行了表征和分析。 1 实验 1.1 主要原材料 （1）双酚 A 环氧树 （2）固化剂 采用两种固化剂：聚酰胺固化剂和二乙烯三胺固化剂进行实验 （3）发泡剂 之前应用广泛的国产有机发泡剂毒性较大，不予采用。本文根据铝粉在碱性条件下反应生成氢气的原理，采用铝粉和氢氧化钠溶液为发泡剂。 （4）加强纤维 提高泡沫孔隙率是改善泡沫性能的有效措施之一。可以采用两种方法来提高泡沫孔隙率，①发泡 ②选用合适的填料。单纯依靠发泡提升泡沫的孔隙率会使泡沫的力学性能降低，因此，在发泡的同时，有必要引入合适的填料，在不影响力学性能的前提下，提高孔隙率从而改善泡沫的保温性能。本文选用玻璃纤维作为填料。 （5）其他材料 阻燃剂，基于对阻燃剂耐热耐光性和不易渗析性性、环保型等方面的考虑，本文采用十溴二苯乙烷为阻燃剂。 1.2 试样制备 将双酚 A 环氧树脂和固化剂加入模具中，再放入适量的填料，阻燃剂，充分搅拌均匀后，加入一定量的铝粉，取一定量的氢氧化钠于烧杯中，加入少量水充分溶解后，将氢氧化钠溶液直接倒在铝粉上，当有气泡产生时，充分搅拌。然后使其静置在模具中，缓慢的发泡膨胀并固化成形。最后脱模并对其进行性能测试。 1.3 性能测试 （1）按照 GB/T 6343-1995《硬质泡沫塑料表观密度的测定方法》的规定，测定泡沫的表观密度。 （2）本文按照 GB/T 8813-2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》的规定，测定泡沫的压缩强度。 （3）按照 GB 9641-88《硬质泡沫塑料拉伸性能试验方法》的规定，测定泡沫的拉伸应力。 （4）按照 GB/T 9341-2008《硬质泡沫塑料弯曲性能试验方法》的规定，测定泡沫的弯曲应力。 （5）利用氧指数仪测定材料的氧指数。 2 实验结果与讨论 2.1 固化剂的种类和用量的确定 2.1.1 固化剂种类的选择 图 3-1 表示保持在环氧树脂和发泡剂的量保持不变的前提下，改变固化剂种类对产品性能的影响。注：环氧树脂均为 5g，发泡剂均为 0.2g 在图 1 中，线条 1 和线条 5 分别表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化剂后聚合物的发泡时间。线条 2 和线条 6 分别表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化剂后聚合物的固化时间。线条3和线条7分别表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化剂后聚合物的密度。线条 4 和线条 8 分别表示加入二乙烯三胺和聚酰胺固化剂后聚合物的弯曲应力。  通过图 1 看出二乙烯三胺固化剂的固化时间过长，形成的泡孔不均匀，产品表孔较大且不均匀。根据上述结果，选择发泡时间略大、固化时间略小、密度适宜、弯曲应力较大的聚酰胺固化剂，使产品具有良好的力学性能。 2.1.2 固化剂用量的选择  本性能测试试样是由环氧树脂 5 克，发泡剂 0.2g，玻璃纤维 0.1g 和不同量的聚酰胺固化剂混合后发泡制备的。聚酰胺固化剂的使用应该使聚合物的能够保持一致的发泡速度和固化速度。从图 2 中可以看出，随着聚酰胺固化剂用量的增加，环氧树脂泡沫的密度迅速减小。当固化剂用量到达一定值之后，环氧树脂泡沫的密度又随着固化剂用量的增大而增大。在聚酰胺固化剂用量在 1.6g 时密度出现最小值为 318Kg/m3 2.2 发泡材料的影响 本性能测试试样是由环氧树脂 5g 克，固化剂 1.6g，铝粉 0.3g 和不同量的氢氧化钠混合而制得的。  氢氧化钠用量为 0.19g 时，环氧树脂发泡充分，基本不出现泡孔的破裂，因此泡沫的表观密度最小。 2.3 填料对泡沫性能的影响 为测定玻璃纤维填充的环氧树脂泡沫性能的研究，进行了对比实验，在保持其它量不变的情况下，比较加入玻璃纤维和未加入玻璃纤维的泡沫的力学性能及其泡孔结以及加入不同的填料量对泡沫性能的影响。其中设定环氧树脂的加入量为 5g，固化剂的加入量为 1.6g，发泡剂的量为 0.19g。未加玻璃纤维的样品的表观密度为 315Kg/m3，弯曲应力为27.08MPa。 根据表 1 所示可以看出，玻璃纤维不仅可以减小泡沫的表观密度，还可以增加泡沫的弯曲应力。随着玻璃纤维用量的增加，泡沫的表观密度也逐渐减小，泡沫的弯曲应力则逐渐增大。当玻璃纤维的加入量在 0.12g 以后，由于混合料过干，导致发泡剂发泡困难，影响了泡沫的性能。  2.4 性能检测结果 设定一个三因素四水平的正交实验，来选出泡沫的最佳配比。所做试样均保持原料环氧树脂的用量为 5g，将固化剂用量设定为因素 A；保持铝粉量不变，选择铝粉用量为0.3g。改变氢氧化钠的量，将氢氧化钠的用量设定为因素 B；将填料的用量设定为因素 C。进行数据处理，根据极差大小可知，固化剂对泡沫的密度影响最大，填料对泡沫密度的影响最小。同时可以得出制备环氧树脂泡沫的最优比，即原料环氧树脂 5g 时，取聚酰胺固化剂 1.6g，取发泡剂剂 0.2g，填料 0.1g。按此配比所制备的环氧树脂泡沫性能较好。 图 4，图 5，图 6 表示按最优比配制的泡沫性能图   3 ·结论 （1）以双酚 A 型环氧树脂为基料，以聚酰胺为固化剂，铝粉和氢氧化钠溶液为发泡剂，添加玻璃纤维和适量阻燃剂，可制得任意形状尺寸的环氧树脂泡沫。 （2）最佳配比：聚酰胺固化剂的量为 1.6g，氢氧化钠的量为 0.2g，填料的量为 0.1g。按此配比测出的产品密度为 0.367Kg/m3。测弯曲性能时的弯曲应力为 35MPa，测拉伸性能时的拉伸应力为 5.5MPa，测压缩性能时的压缩应力为3.6MPa，氧指数不小于 28。 参考文献 [1]于 锦. 涂料与涂装[M]. 沈阳工业大学出版社, 2011. [2] 钱志屏. 泡沫塑料[M]. 北京: 中国石化出版社, 1998. [3]张聪莉, 陈欢庆, 孙曼灵, 等. 高密度环氧泡沫塑料的制备工艺及性能研究[J]. 热固性树脂, 2009, 24(6): 30-33. [4]吕 平. 环氧泡沫保温材料的配方研究[J]. 保温材料与建筑节能, 1999, 2(12): 26-28. [5]陈春滋, 朱未禺. 保温绝热材料与应用技术[M]. 北京:中国建材工业出版社, 2005. [6]陈欢庆, 郑水蓉, 孙曼灵. 环氧泡沫塑料的研究与应用[J]. 粘结杂志社, 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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