微波輻射下PVA對三聚氰胺泡沫塑料的改性研究

2024年3月31日發(作者：決不后悔)

微波輻射下PVA對三聚氰胺泡沫塑料的改性研究

王玉濱;賈智涵;許曙光;謝睿;張敏;李賽

【摘 要】用三聚氰胺、甲醛在堿性條件下制備三聚氰胺甲醛樹脂.將其與適量發泡

劑、固化劑充分攪拌混合,通過控制反應體系溫度、pH值以及時間,利用微波輻射

的發泡方式制備三聚氰胺泡沫塑料.在此基礎上,討論了加入韌性較強的不同濃度的

聚乙烯醇(PVA)后,對泡沫的表觀密度、阻燃性、熱導性能、力學性能以及吸聲性能

的影響.相關檢測數據分析表明,表觀密度、力學性能、吸聲性能隨著PVA濃度的增

大而分別增大、增強、增大;阻燃性能隨著PVA濃度的增大而降低;在PVA摩爾分

數為2％時,熱導率為0.036 01 W/(m·k),此時有極佳的保溫效果.

【期刊名稱】《山西化工》

【年(卷),期】2015(035)004

【總頁數】4頁(P5-8)

【關鍵詞】三聚氰胺;微波輻射;PVA;泡沫塑料

【作 者】王玉濱;賈智涵;許曙光;謝睿;張敏;李賽

【作者單位】四川大學化學工程學院,四川 成都 610065;四川大學化學工程學院,四

川 成都 610065;四川大學化學工程學院,四川 成都 610065;四川大學化學工程學院,

四川 成都 610065;四川大學化學工程學院,四川 成都 610065;四川大學化學工程學

院,四川 成都 610065

【正文語種】中 文

【中圖分類】O633.21;TQ32

引 言

三聚氰胺泡沫塑料是一種開孔率達到99%以上的具有三維立體交聯網狀結構的新

型泡沫塑料。作為有著優異吸聲性、阻燃性、耐熱穩定性以及低密度性的新型化工

材料，三聚氰胺泡沫塑料在吸聲［1］、阻燃［2］、保溫以及航空航天等領域具

有十分重要的應用價值。尤其是在有阻燃、高溫、低頻噪音吸收［3］要求的環境

條件下使用。但是，熟化后的三聚氰胺甲醛樹脂由柔性鏈段極短的亞甲基與空間結

構極大的剛性三嗪環相連，導致其柔韌性差、剛性強［4－5］，而且發泡后的強

度也顯著降低，嚴重限制了它的應用。目前，科研工作者對三聚氰胺甲醛樹脂的改

性主要在以下2個方面：一是宏觀上面改善泡孔結構；二是通過化學分子修飾，

降低交聯度和增加柔性鏈長度。如，楊中興［6］采用苯代三聚氰胺與聚乙烯醇共

同對三聚氰胺甲醛樹脂進行改性，結果提高了樹脂溶液的可紡性，且柔韌性較好。

從化學分子修飾改性，對泡沫的韌性改善有限。Mahnke［7］首次提出以微波加

熱的方式進行發泡，但這種方法主要針對軟質三聚氰胺泡沫，不適用于硬質三聚氰

胺泡沫的制備。謝丹［8］對微波發泡與普通加熱發泡進行對比發現，微波輻射高

效快捷，制備的泡沫在結構上開孔良好；在宏觀上，前者柔韌度高、彈性好，而后

者脆性較大、掉粉現象嚴重。本文在分析目前國內外發泡工藝的基礎上，針對出現

的柔韌性差、掉渣嚴重的問題，提出了通過微波［9］發泡，并添加不同含量的

PVA，探究對泡沫的表觀密度、阻燃性、熱導性能、力學性能以及吸聲性能的影響，

從而找到適宜的發泡比，為進一步開發高性能的三聚氰胺泡沫塑料提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 主要試劑（見表1）

表1 主要試劑表試劑名稱 純度三聚氰胺 分析純37%甲醛溶液 分析純氫氧化鈉 分

析純十二烷基苯磺酸鈉（SDBS） 分析純聚氧乙烯醚（OP－10） 分析純聚乙烯醇

1799（PVA） ≥90.5%石油醚 分析純

1.2 主要儀器（見表2）

表2 主要儀器表儀器名稱 規格型號電子天平4002 DT－500電動攪拌器 ZWJ－

JA水浴加熱器 HHS電熱恒溫鼓風干燥箱 DHG－9140A家用微波爐

MM721NG1－PW21L極限氧指數儀 JF－3導熱測試儀 Hot Disk 2500－07吸聲

測試儀

1.3 制備工藝

1.3.1 三聚氰胺甲醛樹脂制備

取一定量的37%甲醛溶液，加入到裝有溫度計、電動攪拌器的三口燒瓶中。然后，

稱取一定量的PVA，加入三口燒瓶中。將整個裝置放入事先預熱好的溫度為50℃

的水浴加熱器中緩慢攪拌，使得PVA全部溶解。待PVA完全溶解之后，按照三聚

氰胺與甲醛摩爾比為1∶3加入一定量的三聚氰胺，增大轉速，繼續攪拌，直至溶

液澄清［10］。然后，滴加事先配制好的質量分數為10%的氫氧化鈉溶液，將體

系pH值調節至8.5左右，開始升溫，讓體系進一步反應至完全。待體系升溫至

85℃后，按照質量比加入一定量的SDBS和OP－10的復合乳化劑，再讓體系反

應一段時間，直到體系達到最大黏度后降溫出料。

1.3.2 三聚氰胺泡沫塑料制備

取出一定量的冷卻至40℃左右的樹脂倒入模具中，按照質量比緩慢加入混合均勻

的8%的發泡劑和1%的固化劑的混合液。在這個過程中迅速攪拌，待混合液全部

均勻加入后，將模具放入微波爐中，高檔微波加熱3min左右，直到其發泡體積至

最大。然后，取出模具，放入120℃的高溫烘箱中繼續熟化2h左右，除去交聯固

化過程中殘留的甲醛氣體，并且進一步固化交聯。最后，降溫取出，去除邊緣熟化

過渡的粗糙表面。

1.4 性能測試

1.4.1 泡沫表觀密度

根據GB／T 6343－2009《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定方法》測定泡沫的表

觀密度每組取6個樣品，求平均值。

1.4.2 泡沫阻燃性能

采用極限氧指數法對阻燃性進行表征測試，執行國家標準 GB／T 2406.2－2008

《塑料應用氧指數法測定燃燒行為第2部分：室溫實驗》。

1.4.3 泡沫導熱系數

瑞典 Hot Disk2005－07導熱儀測試泡沫熱導率，傳感器探頭半徑6.403mm，儀

器響應時間20s。計算公式：熱導率＝（式中，H 為熱分散值，t為時間，r為探

頭半徑；樣品長、寬各20cm，厚度為1.0cm）。

1.4.4 泡沫壓縮強度

壓縮強度參照 GB／T 8813－2008／ISO844：2004《硬質泡沫塑料壓縮性能的

測定》的規定，在室溫（23±0.2）℃下，以速率5.00mm／min壓縮至樣品形變

70%來測試泡沫的壓縮強度變化。

1.4.5 泡沫吸聲

吸聲參數參考GB／T－18696.1－2008／ISO10534－1。

2 結果與討論

2.1 不同PVA添加量對泡沫樹脂表觀密度的影響

不同PVA添加量對泡沫樹脂表觀密度的影響如圖1。由圖1可知，在0%、1%、

2%、3%、4%的PVA摩爾分數條件下，泡沫的密度總體在9.5kg／m3左右浮動，

變化不大。原因可能是，微波發泡采用的是自由發泡模式，發泡倍率有了很大的提

高，同時泡沫的泡孔結構大致相同，使泡沫的表觀密度總體上變化幅度較小。由于

表觀密度在極低條件下的改變隨發泡時發泡體積的改變很敏感，因此沒有表現出來

相應的規律性。

圖1 不同PVA添加量對泡沫樹脂表觀密度的影響

2.2 不同PVA添加量對泡沫LOI的影響（見第7頁圖2）

PVA為易燃物質，從圖2中分析得出，隨著PVA加入量的增加，LOI（極限氧指

數值）數值不斷減小，表明三聚氰胺泡沫塑料的阻燃性能不斷降低，且在0%到2%

的時候下降變化比較劇烈，之后變化幅度減少。從圖2中發現，在添加了4%PVA

的條件下，其LOI的數值仍然有30.1，屬于高阻燃材料，說明PVA含量的變化對

LOI的影響不是很大。

圖2 不同PVA添加量對泡沫阻燃性的影響

2.3 不同PVA添加量對泡沫樹脂導熱率的影響（見圖3）

由圖3分析PVA的摩爾分數從0%到4%泡沫樹脂導熱率的變化規律可得出，用

微波發泡的三聚氰胺泡沫塑料的導熱率保持在0.035W／（m·k）～0.037W／

（m·k）這一極低范圍，充分說明不同含量的PVA對三聚氰胺泡沫塑料導熱率的

影響較小。結合圖1分析可知，在PVA摩爾分數2%時，對應的密度為9.58kg／

m3，熱導率為0.036 01W／（m·k）。由此可得出，三聚氰胺泡沫塑料具有極佳

的保溫效果，且保溫的最佳極值點在PVA摩爾分數為2%左右。

圖3 不同PVA添加量對泡沫樹脂導熱率的影響

2.4 不同PVA添加量對泡沫樹脂壓縮應力的影響

圖4為不同PVA添加量對泡沫樹脂壓縮應力的影響。由圖4分析可得出，當不含

PVA時，曲線出現折點且不夠平滑。因為PVA的引入能夠使得泡沫內部泡孔的規

整度提高，因此加入PVA后，各含量段的曲線都比較平滑，且不同含量的PVA加

入后三聚氰胺泡沫塑料壓縮模量均隨著形變的增大而增大。在所檢測分析的圖中，

沒有出現最大的壓縮模量值，其值也都沒有超過0.014MPa。在不同含量梯度的

PVA中泡沫壓縮模量也在逐漸增大，但幅度不大，這結果與泡沫塑料的泡孔大小

幾乎一致有關。

圖4 不同PVA添加量對泡沫樹脂壓縮應力的影響

2.5 不同PVA添加量對泡沫吸聲性能的影響

圖5為不同PVA添加量對泡沫吸聲性能的影響。由圖5分析得出，在低頻段時，

添加少量（如1%）的PVA，降低分貝數也從－1dB增大到了4dB，隨著PVA含

量的增加，二者呈正相關。其原因是，隨著PVA含量的增加，泡沫塑料的力學強

度增加，同時共振作用慢慢消失；但在高頻區，泡沫內部氣體的振動速度隨著

PVA含量的增加而變得更快，泡沫骨架振動更加強烈，吸聲量增加也更加明顯。

圖5 不同PVA添加量對泡沫吸聲性能的影響

3 結論

在微波輻射發泡條件下加入不同含量的PVA，通過對泡沫的表觀密度、阻燃性、

熱導性能、力學性能以及吸聲性能的檢測數據分析可知，泡沫的表觀密度隨PVA

的含量增加而增大，但變化的幅度較小；泡沫的LOI數值隨PVA的含量增加而減

少，但數值仍然較大，故依然屬于高阻燃性能材料；當PVA在2%左右的時候，

有最佳的保溫極值點；泡沫的壓縮模量隨著PVA的含量增大而增大，但變化幅度

不大；吸聲性能隨PVA含量增大而增加。綜合上述的分析可知，PVA的加入顯著

地提高了泡沫的韌性，同時有效地減少了掉渣問題。這一研究結論對高性能泡沫塑

料的工藝開發和應用具有重要的意義。

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