含硅化合物改性木质素基酚醛泡沫塑料研究

摘要

酚醛泡沫作为第三代保温材料，具有阻燃性好、无毒低烟、热稳定性好等特性，被广泛应用在建筑、石油化工设备、电器管道、交通工具等领域。但酚醛泡沫材料具有脆性大韧性低等缺点，严重制约了其应用，因此对酚醛泡沫进行改性以提高其性能为当前发展趋势。木质素作为世界上含量仅次于纤维素的天然有机物，是一种存在于植物体中，来源广泛的芳香性高聚物，可取代部分苯酚与醛类发生缩合反应，制备改性酚醛树脂，降低树脂的游离甲醛和游离苯酚含量。活性晶须硅的主要成分为二氧化硅，高温下不分解，可提高制品的阻燃性、热变形温度以及弯曲强度等机械性能。纳米二氧化硅表面存在大量活性硅羟基，可与酚醛树脂结合形成交联网状结构，但其活性较高，热力学不稳定，在聚合物中分散性差，易团聚。本论文在课题组已制备木质素酚醛树脂及其改性酚醛泡沫的基础上，引入硅元素与酚醛树脂形成Si-O-C键，改善树脂与黏接材料之间的界面性能，提高材料的力学强度和热稳定性等，硅氧烷链中含有的Si-O键键长较长，树脂的柔韧性得到进一步改善，主要研究内容如下:　　以活性晶须硅为硅源，将硅元素引入酚醛树脂结构中，游离酚、游离醛和羟甲基含量测试显示，普通酚醛树脂PR1的游离酚、游离醛含量分别为6.9％和8.3％，含量较高。木质素和晶须硅含量增加，游离酚、游离醛含量先降低后升高，羟甲基与游离醛含量变化趋势相反。木质素取代量为30％(以苯酚为基准)，晶须硅为0.5％(以树脂为基准)时(PR4)，游离酚含量为4.5％，游离醛含量为4.7％，羟甲基含量为41.5％，树脂活性提高。在木质素取代量为30％时，硅烷化纳米SiO2改性木质素基酚醛树脂，游离酚游离醛含量随纳米SiO2增加先降低后回升。羟甲基含量随纳米SiO2含量的增加，先增加后降低，当纳米SiO2含量为0.7％,硅烷偶联剂为2g时，PR4-4效果较好,游离酚含量为4.5％，游离醛含量为4.9％，羟甲基含量为40.7％。FT-IR分析表明这两类改性树脂分子结构中具有稳定的Si-0-C键。　　改性酚醛泡沫由改性酚醛树脂与发泡剂、表面活性剂、固化剂发泡固化制备，对泡沫的热稳定性、阻燃性、保温性、机械性能等进行表征。TGA/DTG显示泡沫的残炭率随着晶须硅和木质素含量的增加而提高，PF4在800C的残炭率为54.5％，PF8的残炭率提高最多，较普通树脂提高了22.6％。泡沫材料导热系数、闭孔率、扫描电镜分析，闭孔率随木质素和晶须硅含量的增加而降低，导热系数相应增大;其中PF4的泡孔均匀性最好，孔径小，导热系数为0.033W/m.K。晶须硅和木质素含量越高，LOI值越高，阻燃性越好，PF4的LOI值为49.6％，较PF1提高了39.3％。木质素和晶须硅含量过高时会影响泡沫的机械性能以及泡孔分布情况，PF4的压缩强度为0.311MPa，弯曲强度为0.412MPa,性能最好。木质素和晶须硅含量继续增大，机械性能降低。　　由改性树脂PR4-1～PR4-6制备酚醛泡沫PF4-1～PF4-6，讨论纳米SiO2和硅烷偶联剂的用量对泡沫性能的影响。TGA、DTG以及TGA/FT-IR分析了酚醛泡沫热降解三个阶段的产物，各泡沫遵循相同的热降解机理，硅烷化纳米SiO2含量增加，泡沫的热稳定性先提高后降低，其中PF4-4耐热性有较大提高，残炭率达56.3％。泡沫的阻燃性随纳米SiO2的含量增加，先提高后降低;阻燃性PF4-4＞PF4-5＞PF4-6＞PF4-3＞PF4-2＞PF4-1.纳米SiO2过量时，引起团聚影响泡孔结构，木质素替代率为30％，纳米SiO2含量为0.7％时，泡沫材料的泡孔分布最好，阻燃性最好，L0I值达到54.8％。此时硅烷偶联剂为2g时，压缩强度和弯曲强度分别为0.442MPa，0.552MPa，效果最好。综上，通过比较晶须硅和硅烷化纳米SiO2改性木质素基酚醛泡沫的各项性能，后者效果优于前者。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1引言

1．2研究背景

1．3木质素基酚醛泡沫研究进展

1．4含硅化合物改性酚醛泡沫研究进展

1．4．1有机硅改性酚醛泡沫研究进展

1．4．2纳米SiO2改性酚醛泡沫研究进展

1．4．3含硅酚醛树脂材料在新领域的应用

1．5建筑保温材料的阻燃性现状

1．6研究目标、研究内容与技术路线

1．6．1研究目标

1．6．2研究内容

1．6．3技术路线

1．7主要创新点

第二章晶须硅改性木质素基酚醛树脂的制备及表征

2．1引言

2．2实验部分

2．2．1试剂与仪器

2．2．2实验方法

2．2．3分析方法

2．3结果与讨论

2．3．1树脂红外(FT-IR)光谱分析

2．3．2树脂的游离酚、游离醛分析

2．3．3树脂的羟甲基含量分析

2．4本章小结

第三章硅烷化纳米SiO2改性木质素基酚醛树脂的制备及表征

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1试剂与仪器

3．2．2实验方法

3．2．3分析方法

3．3结果与讨论

3．3．1制备纳米SiO2苯酚溶液

3．3．2树脂的FT-IR分析

3．3．3树脂的游离酚、游离醛分析

3．3．4树脂的羟甲基含量分析

3．4本章小结

第四章晶须硅改性木质素基酚醛泡沫的制备及性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1试剂与仪器

4．2．2实验方法

4．2．3分析方法

4．3结果与讨论

4．3．1泡沫的TGA／DTG分析

4．3．2泡沫的导热系数与闭孔率分析

4．3．3泡沫LOI分析

4．3．4泡沫微观形貌分析

4．3．5泡沫机械性能分析

4．4本章小结

第五章硅烷化纳米SiO2改性木质素基酚醛泡沫的制备及性能研究

5．1引言

5．2．1原料与试剂

5．2．2实验方法

5．2．3分析方法

5．3结果与分析

5．3．1泡沫的热稳定性分析

5．3．2泡沫的TGA／FT-IR分析

5．3．3泡沫导热系数与闭孔率分析

5．3．4泡沫的LOI分析

5．3．5泡沫微观形貌分析

5．3．6泡沫的机械性能分析

5．4本章小结

第六章结论与讨论

6．1结论

6．2存在的问题

6．3展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢