羅霞，俞科靜，王夢蕾，錢坤

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122）

PVA纖維改性酚醛泡沫的研究*

羅霞，俞科靜，王夢蕾，錢坤

（江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫 214122）

為了改善酚醛泡沫的性能，選用聚乙烯醇（PVA）纖維作為酚醛泡沫的增強(qiáng)材料，研究了不同PVA纖維含量和長度對酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)、壓縮性能、彎曲性能的影響。結(jié)果表明，PVA纖維可以有效改善酚醛泡沫的力學(xué)性能和泡孔結(jié)構(gòu)，隨著PVA纖維含量的增加，酚醛泡沫的力學(xué)性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)PVA纖維的用量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%時(shí)，酚醛泡沫的力學(xué)性能達(dá)到了最大值，泡孔結(jié)構(gòu)達(dá)到了小且均勻的狀態(tài)。PVA纖維的長度對酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)也有一定的影響，當(dāng)PVA纖維長度為6 mm時(shí)，酚醛泡沫具有最好的泡孔結(jié)構(gòu)，但PVA纖維長度增加時(shí)，酚醛泡沫的壓縮性能、彎曲性能減小。

酚醛泡沫；聚乙烯醇纖維；泡孔結(jié)構(gòu)；壓縮性能；彎曲性能

酚醛泡沫是一種新型的保溫隔熱材料。作為應(yīng)用最廣泛的阻燃隔熱材料之一，酚醛泡沫具有很多優(yōu)異的性能，例如耐高溫、耐熱、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、低煙、難燃。酚醛泡沫的原材料來源豐富，生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，酚醛泡沫成本僅相當(dāng)于聚氨酯泡沫的三分之二。酚醛泡沫的質(zhì)量輕，但是比強(qiáng)度很大，尺寸較穩(wěn)定，甚至可以在-30℃的條件下長期使用，且此時(shí)的尺寸變化率僅為1%，酚醛泡沫能長期在150℃的條件下使用［1］。酚醛泡沫相關(guān)產(chǎn)品用途非常廣泛，被廣泛應(yīng)用于管道、冷庫、建筑等領(lǐng)域。然而由于酚醛泡沫結(jié)構(gòu)中酚羥基和亞甲基易氧化，延伸率低，導(dǎo)致普通酚醛泡沫脆性大，極易掉渣粉化，這大大限制了其在很多領(lǐng)域的應(yīng)用，酚醛泡沫的改性成為了研究熱點(diǎn)［2］。纖維改性是一種常用的改性酚醛泡沫的手段［3-4］。聚乙烯醇（PVA）纖維作為一種高強(qiáng)高模的高性能纖維，具有耐酸堿性，耐腐蝕性，耐日光等優(yōu)異的特點(diǎn)，且PVA纖維具有不粘結(jié)，在水中的分散性好，與塑料的親和性好，粘結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)［5］。筆者使用PVA纖維對酚醛泡沫進(jìn)行改性研究，探討了PVA纖維的含量和長度對酚醛泡沫泡孔結(jié)構(gòu)、壓縮性能和彎曲性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1主要原材料

可發(fā)性酚醛樹脂：蘇州美克思科技發(fā)展有限公司；

吐溫-80：分析純，阿拉丁試劑有限公司；

正戊烷、硅油：化學(xué)純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

苯酚磺酸：化學(xué)純，南京大唐化工有限責(zé)任公司；

PVA纖維：直徑12 μm，長度3，6，12 mm，永安市寶華林實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司。

1.2主要儀器與設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱：W1A-4S型，南京沃環(huán)科技實(shí)業(yè)有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)：3385H型，美國Instron公司；掃描電子顯微鏡（SEM）：SU1510型，日本Hitachi 公司。

1.3PVA纖維改性酚醛泡沫的制備

先制備不同含量PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫，選取長度為3 mm的PVA纖維，PVA纖維用量分別為酚醛樹脂質(zhì)量的1%，3%和5%，在酚醛樹脂發(fā)泡前，將模具在75℃條件下預(yù)熱20 min，在PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫的制備過程中，首先將不同含量的PVA纖維加人100 g酚醛樹脂中，攪拌均勻，再向體系中加人2 g吐溫-80 （勻泡劑），5 g硅油（表面活性劑），7 g正戊烷（發(fā)泡劑）和14 g苯酚磺酸（固化劑），攪拌均勻后放人模具中，在75℃條件下發(fā)泡30 min，即得PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫；再制備不同長度PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫，選取的PVA纖維長度分別為3 mm，6 mm，12 mm，PVA纖維的用量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%，實(shí)驗(yàn)步驟和其它原料用量與不同含量PVA纖維改性酚醛泡沫的制備方法相同。

1.4測試方法

（1）泡孔結(jié)構(gòu)分析。

使用SEM觀察PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫的截面，觀察泡孔的分布、孔徑、閉合情況等。

（2）壓縮性能分析。

按照ASTM D1621-2010進(jìn)行壓縮性能測試，壓縮速率為2.5 mm/min。

（3）彎曲性能分析。

彎曲性能按照GB/T 8812.1-2007測試，測試速率為2 mm/min。

2　結(jié)果與討論

2.1PVA纖維含量對酚醛泡沫性能的影響

（1）對酚醛泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的影響。

選取長度為3 mm的PVA纖維加人酚醛泡沫基體中，探究PVA纖維的加人量對酚醛泡沫性能的影響。圖1為不同含量PVA纖維對酚醛泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的影響。

圖1　不同含量PVA纖維增強(qiáng)酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，隨著PVA纖維含量的增加，酚醛泡沫的泡孔直徑在不斷的減小，酚醛泡沫的泡孔形狀由六邊形趨向于圓形。原酚醛泡沫的大部分泡孔直徑分布在200～300 μm之間，部分較大的泡孔直徑在500～600 μm之間，當(dāng)PVA纖維用量為酚醛樹脂質(zhì)量的1%時(shí)，酚醛泡沫泡孔直徑分布范圍為90～180 μm，泡孔分布更加均勻，大尺寸泡孔數(shù)量減小，當(dāng)加人PVA纖維的含量增加至3%時(shí)，酚醛泡沫的泡孔直徑變小，泡孔尺寸分布在150～250 μm之間，基本無大尺寸泡孔存在，當(dāng)加人PVA纖維的含量增加至酚醛樹脂質(zhì)量的5%時(shí)，酚醛泡沫的平均泡孔雖然變得更小，泡孔直徑大部分在80～200 μm之間，但是泡孔的均勻程度變差，直徑大小比較懸殊，大于300 μm的泡孔開始出現(xiàn)。因此在酚醛泡沫中加人少量PVA纖維可以使酚醛泡沫的泡孔變小且均勻，這是因?yàn)殡S著PVA纖維的引人，PVA纖維在基體中作為異相成核劑，減小了泡孔形成所需要的自由能，形成了更多的小泡孔，致使泡孔的密度增加，導(dǎo)致基體的泡孔變小且均勻［6］。但是隨著加人的PVA纖維含量的不斷增加，酚醛泡沫的泡孔直徑分布范圍也變大，當(dāng)加人PVA纖維占酚醛樹脂質(zhì)量的5%時(shí)，極大泡孔和極小泡孔開始出現(xiàn)，這是因?yàn)楫?dāng)加人PVA纖維過多時(shí)，PVA纖維無法在粘稠性的酚醛樹脂中均勻地分散開，這一現(xiàn)象使得過量PVA纖維不僅不能對泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)起到改善作用，反而破壞了酚醛泡沫原本的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致泡孔大小和結(jié)構(gòu)形成較大的差異［7］。

（2）對酚醛泡沫壓縮性能的影響。

不同PVA纖維含量下酚醛泡沫的壓縮性能如圖2所示。

圖2　不同PVA纖維含量下酚醛泡沫的壓縮性能

由圖2可以看出，加人了PVA纖維的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量都高于未加人PVA纖維的酚醛泡沫原樣。未添加PVA纖維的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量分別是0.115，2.173 MPa；而PVA纖維含量分別占酚醛樹脂質(zhì)量的1%，3%，5%的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度分別為0.121，0.168，0.142 MPa；壓縮彈性模量分別為2.449，3.142，2.684 MPa，在一定范圍內(nèi)增加PVA纖維的含量，可以提高酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量，而當(dāng)PVA纖維的含量過多時(shí)，酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量反而隨著PVA纖維含量的增大而減小。當(dāng)加人的PVA纖維的含量為酚醛樹脂的3%時(shí)，酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量最高。因?yàn)楫?dāng)加人的PVA纖維含量較少時(shí)，酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)開始變小且均勻，泡孔密度增加，泡沫棱柱作為泡沫中承受應(yīng)力的主要部分，隨著泡孔變小，棱柱變多，泡沫的壓縮性能提高，同時(shí)PVA纖維使得酚醛泡沫中沿纖維軸向的若干個(gè)泡孔形成了一個(gè)包圍在纖維體周圍的體系，在承受壓縮載荷時(shí)，先要使纖維與泡沫體系脫膠分離然后再使泡孔受到擠壓而變形，因此酚醛泡沫的壓縮能力得到了加強(qiáng)［8］。但是當(dāng)加人的PVA纖維含量過多時(shí)，酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量不僅不增加，反而還有一定程度的下降，這可能是因?yàn)殡S著PVA纖維含量的增加，大量的PVA纖維很難在酚醛樹脂中均勻地分散開來，而使PVA纖維在黏度很高的酚醛樹脂中的分散性變差，形成粘結(jié)，使酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)破壞，在基體中形成貧脂區(qū)，酚醛泡沫的泡孔壁出現(xiàn)缺陷和裂縫，在泡沫中形成應(yīng)力集中點(diǎn)，使酚醛泡沫在壓縮過程中出現(xiàn)崩塌現(xiàn)象，壓縮性能減弱［9］。

（3）對酚醛泡沫彎曲性能的影響。

不同PVA纖維含量下酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量如圖3所示。由圖3可以看出，加人了PVA纖維的酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都高于純酚醛泡沫。未添加PVA纖維的酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量分別是0.027，1.745 MPa；而PVA纖維含量分別占酚醛樹脂質(zhì)量的1%，3%，5%的酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度分別為0.077，0.131，0.104 MPa；彎曲彈性模量分別為2.507，4.735，3.701 MPa，隨著PVA纖維的增加，酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都有了明顯的增大，當(dāng)PVA纖維占酚醛樹脂質(zhì)量的3%時(shí)，酚醛泡沫的彎曲性能達(dá)到了較好的狀態(tài)。而PVA纖維的含量繼續(xù)增加時(shí)，PVA纖維的彎曲性能反而隨著PVA纖維含量的增大而減小。這是因?yàn)榉尤┡菽诔惺芡饬Φ臅r(shí)候，PVA纖維與基體會(huì)發(fā)生脫粘，PVA纖維從基體中抽拔出來，此時(shí)酚醛泡沫的尖端產(chǎn)生應(yīng)力松弛，從而減緩了裂紋的擴(kuò)展，而且在斷裂的過程中，PVA纖維的抽拔需要外力做功從而消耗大量的能量，因此提高了酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)增加PVA纖維含量時(shí)，PVA纖維與酚醛樹脂基體脫粘，拔出所需要的能量就越多，則增韌效果就越好。而當(dāng)PVA纖維加人過多時(shí)，PVA纖維在酚醛樹脂中不能均勻地分散開，過多的纖維還會(huì)破壞基體原來的結(jié)構(gòu)，從而使酚醛泡沫的彎曲性能下降［10］。

圖3　不同PVA纖維含量下酚醛泡沫的彎曲性能

2.2PVA纖維長度對酚醛泡沫性能的影響

（1）對酚醛泡沫泡孔結(jié)構(gòu)的影響。

圖4為不同長度PVA纖維改性酚醛泡沫的SEM照片。由圖4可以看出，當(dāng)加人含量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%的長度為3 mm的PVA纖維之后，泡孔的孔徑開始減小，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，泡孔的孔徑分布最均勻，此時(shí)泡孔的尺寸最小，尺寸分布在200～300 μm之間，這是因?yàn)楫?dāng)纖維長度過短時(shí)會(huì)在基體中形成增強(qiáng)盲區(qū)，從而達(dá)不到較為理想的效果，當(dāng)纖維長度適當(dāng)增加時(shí)，PVA纖維在酚醛泡沫中作為異相成核劑，改善了基體的泡孔結(jié)構(gòu)；當(dāng)PVA纖維的長度為12 mm時(shí)，平均泡孔尺寸雖然較小，但是泡孔結(jié)構(gòu)開始變得不均勻，有較大泡孔開始出現(xiàn)，這是因?yàn)楫?dāng)PVA纖維長度過長時(shí)，纖維容易在基體中纏結(jié)粘附在一起，導(dǎo)致分散不勻，不僅不能改善酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，反而影響了泡孔原本的形態(tài)，所以會(huì)出現(xiàn)泡孔大小不均勻的情況，纏結(jié)的PVA纖維對泡孔的擠壓還有可能使酚醛泡沫的泡孔破裂，因此周圍可以發(fā)現(xiàn)有些細(xì)小的碎裂情況［11］。

圖4　不同長度PVA纖維改性酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)

（2）酚醛泡沫壓縮性能的影響。

圖5為不同PVA纖維長度下酚醛泡沫的壓縮性能。

圖5　不同PVA纖維長度下酚醛泡沫的壓縮性能

由圖5可以看出，未添加PVA纖維的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量分別是0.115，2.173 MPa；而添加了含量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%長度為3，6 mm和12 mm的PVA纖維的酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度分別為0.168，0.184，0.159 MPa；壓縮彈性模量分別為3.142，4.539，3.097 MPa，從這些數(shù)據(jù)中可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨著PVA纖維長度的增加，酚醛樹脂泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量都相應(yīng)增大，而當(dāng)加人酚醛樹脂泡沫中PVA纖維的長度過長時(shí)，PVA纖維的壓縮性能反而有所下降，當(dāng)加人的PVA纖維的長度為6 mm時(shí)，酚醛泡沫的壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量達(dá)到了最大值。

當(dāng)PVA纖維增長時(shí)，酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)變得均勻，泡孔尺寸減小，纖維表面和酚醛樹脂的接觸面積更大，能夠更好地粘附在一起，PVA纖維增加了酚醛泡沫的形變難度，所以增強(qiáng)效果就會(huì)隨著纖維的增長而變大［12］。但是，當(dāng)PVA纖維的長度過長，PVA纖維容易產(chǎn)生粘結(jié)，從而無法與酚醛樹脂進(jìn)行良好的融合，甚至?xí)茐呐菘捉Y(jié)構(gòu)，使得其壓縮應(yīng)力和壓縮彈性模量都變?。?3］。

（3）對酚醛泡沫彎曲性能的影響。

圖6為不同PVA纖維長度下酚醛泡沫的彎曲性能。PVA纖維長度的變化對酚醛泡沫的彎曲性能也有一定的影響。當(dāng)PVA纖維長度由3 mm 增加至12 mm時(shí)，酚醛泡沫的彎曲性能呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當(dāng)占酚醛樹脂3%，長度分別3 mm，6 mm，12 mm的PVA纖維加人酚醛泡沫中，酚醛泡沫的彎曲強(qiáng)度分別為0.131，0.164，0.157 MPa，彎曲彈性模量分別為4.735，5.987，3.142 MPa。當(dāng)PVA纖維加人泡沫基體中時(shí)，纖維貫穿泡沫，承擔(dān)著基體的扭轉(zhuǎn)變形，材料的彎曲強(qiáng)度增加［14］。當(dāng)纖維的長度增加到一定程度時(shí)，由于纖維長度過長，纖維在基體中纏結(jié)，與基體的界面效應(yīng)變差，纖維容易從基體中脫落，使酚醛泡沫材料彎曲性能下降［15］。

圖6　不同PVA纖維長度下酚醛泡沫的彎曲性能

3　結(jié)論

（1）添加PVA纖維可以有效地改善酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)PVA纖維的含量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%時(shí)，酚醛泡沫的結(jié)構(gòu)達(dá)到了小且均勻的狀態(tài)。

（2） PVA的含量會(huì)影響酚醛泡沫的壓縮性能和彎曲性能，當(dāng)PVA纖維的含量為酚醛樹脂質(zhì)量的3%時(shí)，酚醛泡沫的壓縮和彎曲性能達(dá)到了較好的狀態(tài)。該含量下的PVA纖維改性的酚醛泡沫具有較均勻的泡孔結(jié)構(gòu)，隨著纖維含量的增加，泡孔結(jié)構(gòu)被破壞，纖維在基體中分散不勻，造成團(tuán)聚，使酚醛泡沫的壓縮和彎曲性能下降。

（3） PVA纖維的長度對酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)也有一定的影響，當(dāng)PVA纖維的長度為6 mm時(shí)，酚醛泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)達(dá)到較小且均勻的狀態(tài)。當(dāng)PVA纖維長度增加為12 mm時(shí)，纖維在基體中纏結(jié)，造成泡孔結(jié)構(gòu)破壞。

（4） PVA纖維的長度對酚醛泡沫的力學(xué)性能有一定影響，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，PVA纖維的壓縮和彎曲性能都達(dá)到了較好的狀態(tài)，當(dāng)纖維長度增加為12 mm時(shí)，酚醛泡沫的力學(xué)性能開始下降。

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Research of PVA Fibers Reinforced Phenolic Foams

Luo Xia， Yu Kejing， Wang Menglei， Qian Kun
（Key Laboratory of Eco-Textiles， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

In order to improve the performance of phenolic foams， polyvinyl alcohol fiber （PVA fiber） was used as padding material to prepare PVA fibers reinforced phenolic foams. The influences of different content and length of PVA fibers on the microstructure， compression properties and flexural properties of the phenolic foams were investigated. The results show that PVA fiber can improve the mechanical properties and the pore structure of phenolic foams effectively. The compression and flexural properties of the phenolic foams increase with the fiber content increasing at first and then dropping afterwards. When the content of PVA fiber is 3% of the phenolic resin mass， the phenolic foams show the best mechanical property， the cells diameter shows most regular distribution and small. The length of the PVA fiber has a certain influence on the performance of phenolic foams， the phenolic foams show the best cells structure when PVA fiber is 6 mm， but when PVA fiber length increases， the compression performance and bending performance of phenolic foams decrease.

phenolic foam； polyvinyl alcohol fiber； cells structure； compression property； flexural property

TQ328.2

A

1001-3539（2016）10-0012-05

10.3969/j.issn.1001-3539.2016.10.003

*江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金-前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目（BY2015019-33，BY2016022-07），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目（JUSRP51505），江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程（KYLX15_1182），連云港市產(chǎn)業(yè)前瞻與共性關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目（CG1520），江蘇省自然科學(xué)基金-青年基金項(xiàng)目（BK20160157），江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）

聯(lián)系人：俞科靜，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楦叻肿硬牧弦约皬?fù)合材料

2016-07-24