纳米SiO2气凝胶对酚醛泡沫塑料性能的影响

摘要 ：采用超声分散/高速剪切法，制备出纳米SiO2气凝胶/乙二醇改性酚醛泡沫和乙二醇改性酚醛泡沫，对比了它们压缩强度、导热系数的差异。结果表明，乙二醇作为发泡体系粘度调节剂，能够很好的调节体系粘度，同时使纳米SiO2气凝胶顺利加入到发泡体系中。一定量的纳米SiO2气凝胶使酚醛泡沫塑料的压缩强度提高。同时也降低了酚醛泡沫塑料的导热系数。导热系数最低可达0.02744 w/m.k。

关键词 ：纳米SiO2气凝胶 乙二醇 酚醛树脂 压缩强度 导热系数

中图分类号： O648.17 文献标识码： A 文章编号：

酚醛泡沫具有导热系数低、耐热性好、不燃、无毒、低烟雾、耐火焰穿透等优点，因此成为国内外建筑行业优先选用的保温隔热材料。尽管如此，提高酚醛泡沫的强度、韧性等力学性能仍是不容忽视的问题。纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大的特点，与聚合物材料复合能改善材料的综合性能[1-4]。纳米颗粒改性酚醛泡沫塑料的研究报道不少，其中纳米颗粒添加方式各不相同，也各有优势。本文以乙二醇作为纳米SiO2气凝胶的溶剂，通过超声分散/高速剪切法将其均匀分散在酚醛泡沫塑料中，对所得材料的压缩强度、导热系数进行了研究。

1 实验部分

1.1 原料

纳米SiO2气凝胶：自制；无水乙醇、乙二醇均为分析纯；酚醛树脂；对甲苯磺酸、磷酸、浓盐酸，均为分析纯；正戊烷：分析纯；水溶性硅油：工业品。

1.2 纳米SiO2气凝胶改性酚醛泡沫塑料的制备

将纳米SiO2气凝胶置于烘箱内，在105 ℃下干燥l h，以除去颗粒表面吸附的水，然后加入一定量的乙二醇或酒精，超声分散数分钟，再将其混合液直接加入到一定量酚醛树脂中高速搅拌，转速为1000r/min，时间为0.5h。之后加入硅油和正戊烷的混合液，搅拌1.5min。再加入固化剂后搅拌3min，转速均为480 r/min。搅拌完毕，迅速将其倒入涂有脱模剂的预热模具中，置于60℃ 的烘箱内固化发泡，待固化完全后冷却脱模即可。

1.3 性能测试

a.表观密度按GB/T6343-1995测定；b.压缩强度按GB/T 8813―88《硬质泡沫塑料压缩试验方法》测定，试件尺寸为（50.0+1.0）mm×（50.0+1.0）mm×（50.0+1.0）mm，加荷速度为2mm/min；c.导热系数采用dry-300f型导热系数仪测定。

2 结果与讨论

2.1 纳米SiO2气凝胶改性酚醛泡沫发泡体系粘度调节剂选择

通常选择乙二醇作为发泡体系粘度调节剂，由于纳米SiO2气凝胶为亲水型，所以也可作为纳米SiO2气凝胶的溶剂。同时实验发现纳米SiO2气凝胶能很好的分散在无水乙醇中，且无水乙醇与酚醛树脂相容性极好。所以考虑用无水乙醇作为发泡体系粘度调节剂以提高纳米SiO2气凝胶在酚醛树脂中的分散效果。

表1 发泡体系粘度调节剂选择试验

表1表明，无水乙醇的加入使酚醛泡沫的泡孔粗大，导热系数增大，强度降低，原因在于纳米SiO2气凝胶/乙二醇与酚醛树脂混合后，虽然可以通过加热的方式去掉部分无水乙醇，但是残余的无水乙醇仍会在后期发泡的过程中快速挥发，导致泡孔粗大，密度变小，强度变小，同时导热系数也受到很大影响。所以最终选择乙二醇作为发泡体系粘度调节剂。

2.2 纳米SiO2气凝胶对酚醛泡沫塑料性能的影响

以乙二醇作为发泡体系粘度调节剂，制备了纳米SiO2气凝胶/乙二醇改性酚醛泡沫塑料（注：100g酚醛树脂，0.5g纳米SiO2气凝胶），同时以乙二醇改性酚醛泡沫塑料为参考，研究了纳米SiO2气凝胶对酚醛泡沫塑料性能的影响。

图1纳米SiO2气凝胶对酚醛泡沫图2 纳米SiO2气凝胶对酚醛泡沫

压缩强度的影响导热系数的影响

如图1所示，相比乙二醇改性酚醛泡沫, 纳米SiO2气凝胶/乙二醇改性酚醛泡沫的压缩强度呈先下降后上升趋势。对于同样含量的纳米SiO2气凝胶，当乙二醇含量较少时，纳米SiO2气凝胶未能充分分散在发泡体系中，导致纳米SiO2气凝胶颗粒团聚严重，在泡壁孔隙处堆积，附近局部会发生应力集中，严重降低泡沫的强度。随着乙二醇含量的增加，纳米SiO2气凝胶的分散效果显著增强，基于银纹机理，压缩强度有所增加。乙二醇含量再增加，发泡体系粘度降低，酚醛泡沫密度减小，导致压缩强度降低。但总体上纳米SiO2气凝胶提高了酚醛泡沫塑料的压缩强度。

如图2所示，相比乙二醇改性酚醛泡沫, 纳米SiO2气凝胶/乙二醇改性酚醛泡沫的导热系数呈先下降后上升趋势。起初，在有相同含量纳米SiO2气凝胶的情况下，少量的乙二醇使发泡体系粘度增加，泡孔生长的阻力增大，导致泡孔细小，同时纳米SiO2气凝胶作为成核剂增加了泡孔数量，导致导热系数下降。后期，乙二醇含量增加，相对前期而言，发泡体系粘度减小，泡孔增大，导致导热系数上升。

3 结论

乙二醇作为发泡体系粘度调节剂，能够很好的调节体系粘度，同时使纳米SiO2气凝胶顺利加入到发泡体系中。一定量的纳米SiO2气凝胶使酚醛泡沫塑料的压缩强度提高，同时也降低了酚醛泡沫塑料的导热系数。导热系数最低可达0.02744 w/m.k。

参考文献

[1]钟发春，贺江平，王晓川等．微波固化环氧泡沫材料的结构和性能研究．材料导报，2006，20(8)：149～151

[2] 张军丽，王汉雄，叶文玉等．新型壳聚糖／纳米二氧化硅杂化材料的制备与性能．石油化工，2006，35(1)：74～78

[3] 王华林，唐 超，史铁钧等．聚氨酯／SiO2有机无机杂化材料研究．高分子材料科学与工程，2006，22(4)：250～252