田 露，王 斌，王 琛，馬永強

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048)

纖維增強酚醛泡沫的研究進(jìn)展

田 露，王 斌，王 琛*，馬永強

(西安工程大學(xué) 紡織與材料學(xué)院，陜西 西安 710048)

酚醛泡沫作為保溫、隔音隔熱材料應(yīng)用于交通工業(yè)和建筑工業(yè)、食品冷藏等領(lǐng)域已成為一種趨勢，使用纖維對其進(jìn)行增強增韌逐漸成為人們關(guān)注的焦點。介紹了高性能纖維和天然纖維在酚醛泡沫改性中的研究進(jìn)展，玻璃纖維、芳綸纖維、芳綸漿粕纖維和天然纖維在酚醛泡沫中的應(yīng)用。通過對各類纖維改性酚醛泡沫性能的分析，展望纖維改性酚醛泡沫的發(fā)展前景。

天然纖維；高性能纖維；酚醛泡沫；改性

酚醛泡沫是一種由酚醛樹脂經(jīng)發(fā)泡-固化得到的多孔材料，素有“保溫材料之王”的美譽。因其具有臨界氧指數(shù)高、耐寒耐熱、低煙低毒等特性受到廣泛關(guān)注[1-2]，酚醛泡沫的應(yīng)用形式包括酚醛泡沫板、酚醛泡沫管及彩鋼夾心板等(圖1)。然而，目前國內(nèi)酚醛泡沫的生產(chǎn)技術(shù)不夠成熟，制品的力學(xué)性能差，尤其是脆性大、粉化程度高，這一缺陷極大限制了酚醛泡沫的進(jìn)一步發(fā)展[3-4]。

圖1 酚醛泡沫材料的應(yīng)用形式

為了改善酚醛泡沫的缺陷，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，學(xué)者們圍繞酚醛泡沫的增強增韌改性進(jìn)行了大量研究[5-6]，增強體形式也多種多樣[7-11]，例如，加入木質(zhì)素、腰果酚、聚氨酯預(yù)聚體、多壁碳納米管、碳納米顆粒等。雖然這些填充體的加入使復(fù)合泡沫材料的力學(xué)性能有所改善，但是它們有的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，有的成本很高，均不利于酚醛泡沫的批量生產(chǎn)。因此，近幾年來研究焦點轉(zhuǎn)向了采用填充纖維來增強酚醛泡沫，該方法不僅生產(chǎn)工藝簡單，降低成本，而且可以使酚醛泡沫獲得更好的物理和力學(xué)性能。天然纖維綠色環(huán)保，用其進(jìn)行改性，符合建設(shè)環(huán)境友好型社會的主題；若采用高性能纖維作為增強體，既可以在不影響泡沫基體性能的前提下，使泡沫制品的原有性能更加優(yōu)異，又能賦予酚醛泡沫材料新性能。因此，纖維改性酚醛泡沫具有很大的發(fā)展空間。

1 天然纖維增強酚醛泡沫

天然纖維作為一種新型的環(huán)境友好材料，在復(fù)合材料方面的應(yīng)用備受關(guān)注，可在聚合物中作為優(yōu)良的增強材料[12]。與玻璃纖維和芳綸纖維等填充纖維相比，天然纖維具有來源廣、質(zhì)輕、強度高、價格低廉、易降解、可回收利用等優(yōu)點[13-15]，因此越來越受到人們的關(guān)注。

表1列舉了幾種天然纖維對其酚醛泡沫增強制品性能的影響。可以看出，天然纖維的加入使得酚醛泡沫的力學(xué)性能及韌性提升，粉化度(即掉渣率)降低，在一定程度上改善了傳統(tǒng)酚醛泡沫強度低、易掉渣的缺陷。

但是，由于天然纖維的固有屬性——含有大量的極性羥基等官能團，使得天然纖維具有親水性強，與非極性聚合物的相容性較差。因此，如何改善天然纖維與聚合物基體界面間的黏結(jié)強度將直接影響到纖維與酚醛復(fù)合材料制品的綜合性能。然而大多的表面處理方法，如等離子體表面處理法、化學(xué)刻蝕等方法不僅成本高，而且工藝流程復(fù)雜，很難廣泛使用。

2 高性能纖維增強酚醛泡沫

2.1 玻璃纖維

玻璃纖維(GlassFiber，簡稱GF)是天然的阻燃劑，它本身不燃燒，將其加入酚醛泡沫中，可很大程度上提高酚醛泡沫的阻燃性和力學(xué)性能等。Yang等采用玻璃纖維(GF)對酚醛泡沫進(jìn)行改性，使酚醛泡沫的極限氧指數(shù)由42%提高到50%，極大地提高了酚醛泡沫的阻燃性能。盧杰等[16]研究了玻璃纖維的含量和纖維長度對酚醛泡沫壓縮性能的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)纖維長度為3mm，添加量為5wt.%時，玻璃纖維對酚醛泡沫的增強效果最佳，比壓縮強度比純泡沫增大21%，此時泡沫中的纖維以單絲形式存在，大致沿發(fā)泡方向取向。Choe等[17]研究了一種新的發(fā)泡方法——微波發(fā)泡法(MicrowaveFoaming)(圖2)，該方法提高了酚醛泡沫泡孔的均一性。同時，他們引入玻璃纖維來提高泡沫的力學(xué)性能，制備出了抗拉強度高、斷裂韌性強、耐熱性能優(yōu)異的玻纖增強酚醛泡沫。具體工藝流程如圖3所示。

表1 幾種天然纖維增強酚醛泡沫的性能[18-22]

圖2 微波發(fā)泡法示意圖

圖3 短切纖維增強泡沫的制備工藝流程示意圖[22]

除了單一的長纖或短纖增強形式外，還可以通過改變纖維形態(tài)進(jìn)行增強。Zhou等[23]將玻璃纖維編織成氈作為酚醛泡沫的增強材料，酚醛泡沫制品的抗拉強度、壓縮強度、沖擊強度均有所提高。與未改性的酚醛泡沫相比，玻纖氈改性后的酚醛泡沫的熱膨脹系數(shù)和損耗模量降低，儲能模量提高。隨著增強體玻纖氈含量的增加，酚醛泡沫基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度幾乎不變。該項研究為纖維增強酚醛泡沫提供了新思路。

2.2 芳綸纖維及芳綸漿粕纖維

芳綸纖維表面含有酰胺鍵，與酚醛樹脂中的酚羥基具有良好的化學(xué)相容性[24-25]，使纖維與樹脂間的界面結(jié)合良好，有利于提高復(fù)合材料整體的力學(xué)性能。此外，芳綸纖維優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和阻燃性能，可以改善酚醛泡沫的綜合性能。Shen等將短切芳綸纖維、短切玻璃纖維作為增強體引入酚醛泡沫，分析比較了2種短切纖維在增強酚醛泡沫上的差異，結(jié)果表明短切芳綸纖維改性酚醛泡沫的機械性能明顯優(yōu)于短切玻璃纖維改性酚醛泡沫。Yu等[26]將表面修飾后的芳綸纖維作為增強體增強酚醛泡沫，不僅降低了酚醛泡沫的脆性，同時將壓縮強度提高了11%，壓縮模量也較未改性的酚醛泡沫有所提高。

芳綸漿粕(AP)纖維是一種表面原纖化的對位芳綸，它兼具芳綸纖維高強、高模的特點和纖化后表面毛羽豐富、比表面積大、富含極性基團等優(yōu)異性能。該纖維與樹脂或橡膠基體易于形成較好的結(jié)合，因此，可以作為良好的增強材料。孫潔等[27-28]對比了短切芳綸纖維和AP纖維為增強材料，纖維含量對酚醛泡沫壓縮性能及熱穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)短切芳綸用量為4%時，酚醛泡沫的壓縮強度提高了38%；當(dāng)AP纖維的填充量為3.1%和4.58%時，壓縮強度、壓縮模量分別達(dá)到最大值，分別為0.37、14MPa。另外，短切芳綸纖維和AP纖維的加入，均有助于酚醛泡沫熱穩(wěn)定性的提高。

2.3 碳纖維

碳纖維(CF)是由有機纖維經(jīng)過高溫炭化而成，比重不足鋼的1/4，而抗拉強度卻是鋼的7～9倍，抗拉模量也略高于鋼。碳纖維的熱穩(wěn)定性優(yōu)良，具有自潤滑性能，是一種優(yōu)異的纖維增強材料[29]。

Huang等[30]采用碳纖維對酚醛樹脂進(jìn)行增韌，引入4%的碳纖維，即可顯著提高復(fù)合材料的壓縮、拉伸和剪切強度。位東[31]利用蒙脫土與碳纖維復(fù)合改性，對酚醛泡沫進(jìn)行增強。結(jié)果表明，碳纖維與酚醛樹脂有良好的親和性，與泡沫體緊密相連構(gòu)成了泡沫的基本骨架。微觀結(jié)構(gòu)的改變，使得酚醛泡沫的壓縮強度、彎曲強度較未改性的酚醛泡沫分別提高了56.25%和58%。同時，由于蒙脫土片層的制約作用和碳纖維本身優(yōu)異的耐高溫性能，改性后的酚醛泡沫的熱穩(wěn)定性和殘?zhí)柯示兴岣撸?00 ℃以上時，其殘?zhí)柯瘦^純酚醛泡沫提高8%以上。

無論是天然纖維還是高性能纖維均可以使泡沫制品的綜合性能得到提高。由此可見，以纖維作為增強體材料來研制性能優(yōu)異的纖維改性酚醛泡沫材料將成為未來酚醛泡沫復(fù)合材料的發(fā)展趨勢。

3 結(jié)語

發(fā)展綠色經(jīng)濟、節(jié)能減排已成為社會發(fā)展的主題，這些都昭示著節(jié)能保溫材料將迎來新的發(fā)展機遇。酚醛泡沫作為新一代的保溫材料，有很大的市場潛力和開發(fā)空間，然而，現(xiàn)階段纖維增強酚醛泡沫的研究還有很多局限和不足之處。目前的研究報道大多數(shù)集中在纖維配方優(yōu)化方面，對于纖維增強酚醛泡沫的機理研究較少；玻璃纖維增強酚醛泡沫的研究較多，其他高性能纖維對酚醛泡沫的改性研究報道較少。纖維增強體的形式單一，多為長纖或短纖，可以結(jié)合填充纖維的種類和增強體形態(tài)向多元化發(fā)展，開發(fā)復(fù)合式纖維增強酚醛泡沫。另外，現(xiàn)階段的纖維改性酚醛泡沫制品，其泡沫孔徑多為微米級，如何合成納米級孔徑的纖維增強酚醛泡沫制品可作為今后研究的方向。纖維增強酚醛泡沫還有很大的研究空間，研制性能優(yōu)異的纖維改性酚醛泡沫材料對其在建筑、運輸、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

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Research Progress in Fiber Reinforced Phenolic Foams

TIAN Lu, WANG Bin, WANG Chen*, MA Yong-qiang

(School of Textiles and Materials, Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048，China)

It became a trend that phenolic foams used as thermal insulation, sound insulation materials in the transportation and the construction industry, frozen food and other fields. Research progress of high-performance fibers and natural fibers in phenolic foam modification were reviewed. The application of glass fibers, aramid fibers, aramid pulp fibers, carbon fibers and natural fibers in phenolic foams was mainly introduced. Based on performance analysis of various fiber-modified phenolic foams, the future development of fiber modified phenolic foam was proposed.

natural fibers; high-performance fibers; phenolic foam; modification

2016-11-02

陜西省教育廳省級重點實驗室科研計劃項目(16JS035)；陜西省教育廳專項科研計劃(16JK1338)；西安工程大學(xué)博士科研啟動項目(BS1501)；陜西省產(chǎn)業(yè)用紡織品協(xié)同創(chuàng)新中心項目(2015ZX-09)

田 露(1993-)，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為聚合物基復(fù)合材料、樹脂基炭泡沫。

*通信作者：王 琛(1963-)，女，河北束鹿人，教授，研究方向為高分子材料的合成與改性、聚合物基復(fù)合材料的研究，E-mail:wangchen2231@xpu.edu.cn。

TB324/TQ

A

1673-0356(2017)01-0024-04