请问苯酚主要是用作哪些行业?最主要的下游产品是什么?
苯酚是重要的基本有机化工原料,其许多下游产品涉及到众多领域,在工业上的用途很广,主要用于制造酚醛树脂、双酚A和己内酰胺。此外,苯酚衍生物如卤代酚、硝基酚、烷基酚可用于医药、农药、油漆、染料、炸药、石油添加剂、脱漆剂、木材防腐剂、香料等的生产,在皮革领域还用来消毒。随着工业经济的发展,特别是合成材料的品种和产量迅速扩大和增长,可以预测在世界范围内对苯酚的需求量将持续增长,苯酚下游产品开发大有可为。酚醛树脂 酚醛树脂价格较低,用于制造齿轮等机械零部件,铸造模芯和砂轮,层压板和各种玻璃钢制品,胶粘剂、涂料和油漆,制造各种电器、仪表机壳和零件以及瓶盖、钮扣等日用品。酚醛树脂经改性后用途更为广泛,适用于电气绝缘材料,还用于各种汽车的刹车片、离合器片等。己内酰胺 以苯酚为原料生产己内酰胺是最早实现工业化的方法。己内酰胺绝大部分用于生产聚酰胺类产品,锦纶6主要用于袜类生产,在工业方面可制成工业用布、绳索、渔网、传动带、轮胎帘子布等。工程级聚酰胺还广泛用于制作轴承、齿轮、管材、医疗器械和电气绝缘材料等。双酚A 目前双酚A的需求量有超过酚醛树脂之势。双酚A主要用于生产聚碳酸酯和环氧树脂,还用于生产一些特种树脂和阻燃剂。聚碳酸酯是当今主要工程塑料之一,在电子和电器工业、摄影和光学仪器、办公用品设备和家用品生产中占有重要地位。环氧树脂可以制作层压板、清漆、涂料、胶粘剂等。以双酚A生产的特种树脂用于涂料、薄膜、纤维、机械、电器零件和管材等。双酚A经氯化和溴化可得四氯双酚A和四溴双酚A,用于生产阻燃剂。双酚F 双酚F与环氧氯丙烷缩合得到双酚F型环氧树脂,用于衬里材料、地板材料、浸渍材料和层压材料等,也可用于无溶剂型超高固体含量的涂料。双酚F与光气反应生成双酚 F型聚碳酸酯,用于生产成型材料和薄膜。双酚F还可生产油溶性酚醛树脂、阻燃剂、抗氧剂和表面活性剂等。双酚S 由苯酚直接磺化可制取双酚S。双酚S与双酚A结构相似,用途相近。利用它可生产双酚S型环氧树脂、聚碳酸酯、聚砜醚酮、聚砜与聚醚砜的复合树脂。双酚S作为填加剂加入多种树脂中以改善其性能,加入PU中起增塑剂作用;加入PVC中,可增强抗紫外线老化作用;加入酚醛树脂和环氧树脂中,可加速其固化。烷基酚 烷基酚是苯酚的烷基化产物,种类较多。主要品种有2,6-二甲酚、叔丁基酚、邻异丙基酚等。2,6-二甲酚由苯酚与甲醇高温反应生成,它是生产工程塑料聚苯醚的原料,还用于生产2,6-二甲苯胺,它是医药和农药的中间体。叔丁基酚由异丁烯和苯酚反应生成,用于运输、建筑、土木工程和制鞋,也可用于橡胶硫化剂和涂料。2,4-二叔丁基苯酚和2,6-二叔丁基苯酚主要作为生产聚烯烃时使用的抗氧剂、酚醛树脂、汽油添加剂和润滑油的抗氧剂等。邻异丙基酚是由丙烯和苯酚进行烷基化反应而制得的,它是氨基甲酸酯类杀虫剂的中间体。辛基酚是由苯酚和辛烯烷基化反应生成,可用于合成橡胶的硫化,也可制取辛基酚聚氧乙烯醚,用作洗涤剂、染色助剂、农药乳化剂、金属清洗剂等。以苯酚和十二烯为原料进行烷基化反应即得十二烷基酚,用于生产十二烷基酚钙盐,其次是镁盐和钡盐,用作润滑油添加剂,还用于生产十二烷基酚聚氧乙烯醚,用作农药喷洒辅助剂。十二烷基酚还可用于生产非离子型表面活性剂。对异丙基苯酚可由苯酚和α-甲基苯乙烯反应合成,主要用作非离子活性剂的原料;用以制取对异丙基苯酚甲醛树脂,用作涂料、清漆的胶粘剂;对异丙基苯酚杀菌、防腐能力强,用于木材的杀菌防霉;它还可用作环氧树脂分子量调节剂、塑料增塑剂和稳定剂原料。
一、酚醛树脂也叫电木,又称电木粉。原为无色或黄褐色透明物,市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色,有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱,遇强酸发生分解,遇强碱发生腐蚀。不溶于水,溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚醛或其衍生物缩聚而得。
二、性质:
1、固体酚醛树脂为黄色、透明、无定形块状物质,因含有游离酚而呈微红色,实体的比重平均1.7左右,易溶于醇,不溶于水,对水、弱酸、弱碱溶液稳定。由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂。因选用催化剂的不同,可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能,广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。
2、液体酚醛树脂为黄色、深棕色液体,如:碱性酚醛树脂主要做铸造黏结剂。
我国在1989年以前,酚醛树脂仅仅是作为酚醛塑料生产的原料,由于后来国民经济的发展及各种应用技术的成熟,酚醛树脂的应用进入了其它工业领域,主要是木材加工、涂料、研磨摩擦材料、绝缘耐火材料、石油钻井、铸造材料、复合材料、玻璃钢、泡沫塑料等方面。目前虽然酚醛塑料对酚醛树脂的需求仍占首位,但其消费比例已由1996年的38%,下降到2004年的34%,而其它用途的需求量逐渐增加。表6表明了2004年我国酚醛树脂树脂的需求结构。
表6 2004年我国酚醛树脂树脂的需求结构(见图1)
需求领域
比例(%)
1. 酚醛塑料
2. 木材加工,层压板
3. 涂料
4. 研磨摩擦材料
5. 绝缘耐火材料
6. 石油钻井
7. 铸造材料
8. 其它
34
16
5
8
15
7
8
7
总计
100
2004年中国酚醛模塑料消费量为28万吨,其中国内生产20万吨左右(消费苯酚9万吨左右),其中30%为注塑料,需进口酚醛模塑料8万吨左右,主要是高性能(高机械强度、电气性能优良等各种规格)注射型材料。主要从中国台湾长春塑胶公司、美国Plenco公司、比利时Vyncolit公司、德国Bakelite公司、德国Raschig公司、日本住友、日本松下等公司进口。
随着近年来市场开发的深入要求,酚醛树脂在酚醛塑料以外的其它行业的需求也已显示出良好的发展趋势。酚醛树脂因其独特的性能价格比,至今仍在热固性材料中独占鳌头。主要表现在以下方面:
1. 汽车、电子、建筑、冶金、铸造等行业对工业用酚醛树脂的需求明显增加;
2. 铸造业的砂型材料、冶金业的耐火材料、石油钻采业的固砂材料、电子工业的塑封材料等均显示出对酚醛树脂的特殊要求;
3. 部分行业的产品结构由此得到改善,如铸造业的型砂粘接剂,自我国大量改用酚醛树脂后,明显改善了铸造制件成型和提高了铸件品质,有良好的效果。目前,铸造用酚醛树脂的需求量正在以每年15%的速度增长。
4. 新型酚醛树脂及其复合材料和酚醛泡沫塑料的发展前景看好。
如果苯酚价格和供应趋势平衡合理,预计2005年我国酚醛树脂的市场需求量将达到22万吨(可消费苯酚20万吨左右)。2010年市场需求量将达到35万吨。
酚醛树脂也叫电木,又称电木粉。原为无色或黄褐色透明物,市场销售往往加着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色,有颗粒、粉末状。耐弱酸和弱碱,遇强酸发生分解,遇强碱发生腐蚀。不溶于水,溶于丙酮、酒精等有机溶剂中。苯酚与甲醛缩聚而得。它包括:线型酚醛树脂、热固性酚醛树脂和油溶性酚醛树脂。主要用于生产压塑粉、层压塑料;制造清漆或绝缘、耐腐蚀涂料;制造日用品、装饰品;制造隔音、隔热材料等。 常见的高压电插座、家具塑料把手等等
phenolic resin,简称PF,酚醛树脂.为黄色、透明、无定形块状物质,因含有游离分子而呈微红色,比重1.25~1.30,易溶于醇,不溶于水,对水、弱酸、弱碱溶液稳定。由苯酚和甲醛在催化剂条件下缩聚、经中和、水洗而制成的树脂。因选用催化剂的不同,可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能,广泛应用于防腐蚀工程、胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。
苯酚-甲醛树脂是最早工业化的合成树脂。
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【英文名称】phenol
【结构或分子式】
所有C原子均以sp2杂化轨道形成σ键,O原子均以sp3杂化轨道形成σ键。
【相对分子量或原子量】94.11
【密度】1.071
【熔点(℃)】42~43
【沸点(℃)】182
【折射率】1.5425(41)
【毒性LD50(mg/kg)】
大鼠经口530。
【性状】
无色或白色晶体,有特殊气味。
【溶解情况】
溶于乙醇、乙醚、氯仿、甘油、二硫化碳等。
【用途】
用于制染料合成树脂、塑料、合成纤维和农药、水杨酸等。作外科消毒剂消毒能力大小的标准(石炭酸系数)。
【制备或来源】
由煤焦油经分馏,由苯磺酸经碱熔。由氯苯经水解,由异丙苯经氧化重排,或由甲苯经侧链氯化和水解而制得。
【其他】
加热能溶于水(在室温下,在水中的溶解度是9.3g,当温度高于65°C时能与水混溶),有毒,具有腐蚀性如不甚滴落到皮肤上应马上用酒精清洗,在空气中易被氧化而变粉红色。在民间有土方用石炭酸来治皮肤顽疾,以毒攻毒,如用来治脚底起泡。
一种重要的苯系中间体。又称石炭酸。低熔点(40.91℃)白色 晶体 ,在空气中放置及光照下变红 ,有臭味,沸点181.84℃。对人有毒,要注意防止触及皮肤。工业上主要由异丙苯制得。苯酚产量大,1984年,世界总生产能力约为5兆吨。苯酚用途广泛。第一次世界大战前,苯酚的唯一来源是从煤焦油中提取。绝大部分是通过合成方法得到。有磺化法、氯苯法、异丙苯法等方法。
分子结构: 苯环上的C原子以sp2杂化轨道成键,O原子以sp3杂化轨道成键。
苯酚主要用于制造酚醛树脂 ,双酚A及己内酰胺。其中生产酚醛树脂是其最大用途 ,占苯酚产量一半以上 。此外,有相当数量的苯酚用于生产卤代酚类。从一氯苯酚到五氯苯酚,它们可用于生产2,4-二氯苯氧乙酸( 2,4-滴 )和 2,4,5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-涕 )等除草剂;五氯苯酚是木材防腐剂;其他卤代酚衍生物可作为杀螨剂、皮革防腐剂和杀菌剂 。由苯酚所制得的烷基苯酚是制备烷基酚-甲醛类聚合物的单体,并可作为抗氧剂、非离子表面活性剂、增塑剂、石油产品添加剂。苯酚也是很多医药(如水杨酸、阿司匹林及磺胺药等)、合成香料、染料(如分散红3B)的原料。此外,苯酚的稀水溶液可直接用作防腐剂和消毒剂。
苯酚俗名石炭酸,分子式C6H5OH,比重1.071,熔点42~43℃,沸点182℃,燃点79℃。无色结晶或结晶熔块,具有特殊气味(与浆糊的味道相似)。置露空气中或日光下被氧化逐渐变成粉红色至红色,在潮湿空气中,吸湿后,由结晶变成液体。酸性极弱(弱于H2CO3),有特臭,有毒,有强腐蚀性。室温微溶于水,能溶于苯及碱性溶液,易溶于乙醇、乙醚、氯仿、甘油等有机溶剂中,难溶于石油醚。常用于测定硝酸盐、亚硝酸盐及作有机合成原料等.实验室可用溴(生成白色沉淀2,4,6-三溴苯酚,十分灵敏)及FeCL3 (生成[Fe(C6H5O)6]3-络离子呈紫色)检验.
苯酚工业生产以异丙苯法为主,该法具有产品纯度高、原料和能源消耗低等优点,但其发展受联产物丙酮的制约。近年来,人们开始研究苯直接羟基化(也称氧化)制苯酚的方法,其中有些成果已显示出工业化前景。目前研究的氧化剂类型主要有N2O、H2O2、O2/H2等。
苯酚主要用于生产酚醛树脂、己内酰胺、双酚A、己二酸、苯胺、烷基酚、水杨酸等,此外还可用作溶剂、试剂和消毒剂等,在合成纤维、合成橡胶、塑料、医药、农药、香料、染料以及涂料等方面具有广泛的应用。
世界苯酚生产与消费现状
自1923年世界上采用苯磺化法首次生产苯酚以来,世界苯酚的生产发展很快。2003年世界苯酚的总生产能力约为805.3万吨,2004年增加到约865.6万吨,比2003年增长约7.5%。Ineos苯酚公司是目前世界上最大的苯酚生产厂商,生产能力约占世界苯酚总生产能力的18%。预计2005年世界苯酚的总生产能力将达到955.3万吨。
2003年,世界苯酚的总消费量约为735万吨,2004年总消费量增加到约748万吨,同比增长约1.8%。世界各个地区对苯酚的需求有所不同,其中美国的需求量约占总需求量的26.8%,欧洲的需求量约占总需求量的28.3%,日本的需求量约占总需求量的11%,亚洲(不包括日本)的需求量约占总需求量的20.1%,其他地区的需求量约占总需求量13.7%。
我国苯酚的产量不能满足国内实际生产的需求,每年都得大量进口,且进口量呈不断增加的趋势。2003年进口量达到32.27万吨,比2002年增长48.4%。2004年由于我国对苯酚进口进行了反倾销,进口量减少到28.12万吨。
为了满足日益增长的需求,国内许多苯酚生产厂家都纷纷扩建或新建生产装置。蓝星化工材料公司计划新建两套分别为6.2万吨/年和12.4万吨/年苯酚生产装置,2005年、2006年相继建成投产。香港建滔拟在常州新建一套12.4万吨/年苯酚生产装置。燕山石化拟将现有苯酚生产能力扩大到24.0万吨/年。沈阳化工集团公司拟新建一套12.4万吨/年苯酚生产装置。若这些项目能够按计划完成,预计到2006年,我国苯酚的总生产能力将达到100万吨。
近几年,我国苯酚的需求增长速度较快。2004年我国苯酚的表观消费量为61.96万吨,1999-2004年表观消费量的年均增长率为17.3%。目前,我国苯酚主要用于生产酚醛树脂、双酚A、水杨酸以及壬基酚等。2004年我国苯酚的消费结构为:酚醛树脂对苯酚的消费量占总消费量的29.0%,双酚A占31.1%,水杨酸占10.5%,壬基酚占8.1%,其他方面占21.3%。
预计在今后几年中,双酚A将成为我国苯酚下游产品中重点发展的品种之一,目前有许多公司准备新建或扩建双酚A生产装置。2005年,我国双酚A的需求量达到35万吨,对苯酚的需求量将达到30万吨。
酚醛树脂是目前我国苯酚最主要的消费领域,随着新材料的发展,其部分用途将逐渐被其他材料所取代,因此在今后苯酚消费中所占的比例将会逐渐下降。2005年我国酚醛树脂对苯酚的需求量约为17.5万吨。
水杨酸主要用于生产阿司匹林。目前我国水杨酸的总生产能力约为5万吨/年,2004年对苯酚的需求量约为6.5万吨,2005年对苯酚的需求量将达到约7万吨。预计未来几年我国水杨酸对苯酚的需求量将以年均约11%的速度增长。
壬基酚主要用作非离子表面活性剂,目前我国总生产能力约为3万吨/年,产量约为1.6万吨/年,2004年对苯酚的需求量约为5万吨。随着我国日用化工和合成材料工业等的快速发展,加上国内壬基酚合成技术日益完善以及下游系列产品的不断开发,壬基酚的消费量将保持较高的增长势头,2005年我国壬基酚对苯酚的需求量达到5.5万吨。
苯酚(别名:石炭酸 )
分子式:C6H6O
分子量:94.11
CAS NO.108-95-2
结构式:C6H5OH
CAS 登录号108-95-2
EINECS 登录号203-632-7
物化性质:
性状 无色针状结晶或白色结晶熔块。有特殊的臭味和燃烧味,极稀的溶液具有甜味。
熔点 43℃
沸点 181.7℃
凝固点 41℃
相对密度 1.0576
折射率 1.54178
闪点 79.5℃
溶解性 易溶于乙醇、乙醚、氯仿、甘油、二硫化碳、凡士林、挥发油、固定油、强碱水溶液。几乎不溶于石油醚
储存注意事项:
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。避免光照。库温不超过30℃,相对湿度不超过70%。包装密封。应与氧化剂、酸类、碱类、食用化学品分开存放,切忌混储。配备相应品种和数量的消防器材。储区应备有合适的材料收容泄漏物。应严格执行极毒物品“五双”管理制度。
【钠与苯酚反应的实验】
苯酚在通常温度下是固体,与钠不难顺利发生反应,如果采用加热熔化苯酚,再加入金属钠的方法进行实验,苯酚易被氧化,在加热时苯酚颜色发生变化而影响实验效果。本人在教学中采取下面的方法实验,操作简单,取得了满意的实验效果。
在一支试管中加入2~3毫升无水乙醚,取黄豆粒大小的一块金属钠,用滤纸吸干表面的煤油,放入乙醚中,可以看到钠不与乙醚发生反应。然后再向试管中加入少量苯酚,振荡,这时可观察到钠在试管中迅速反应,产生大量气体。这一实验的原理是苯酚溶解在乙醚中,使苯酚与钠的反应得以顺利进行。
酚醛树脂
酚醛树脂有多少种类
酚醛树脂是由酚(苯酚、甲酚、二甲酚、问苯二酚等)与醛(甲醛、乙醛、糠醛等)在酸性或碱性催化剂存在下作用所生成的缩聚物。酚醛树脂除用于胶黏剂外,尚有许多重要用途。用不同的酚和甲醛及两者不同配比、催化剂,可制得不同性质和用途的酚醛树脂产品。
就酚醛树脂而言,通过控制酚与醛的摩尔比及酚的官能度,以及催化剂的类型(酸性或碱性),可制得热塑性和热固性酚醛树脂。热固性酚醛树脂又称可溶酚醛树脂或称一阶酚醛树脂、Resol酚醛树脂或甲阶树脂,它是一种含有可进一步反应的羟甲基活性基团的树脂,该树脂在加热或在酸性条件下就可交联固化。如果合成反应不加控制,则会使缩聚反应一直进行至形成不溶不熔的具有三向网络结构的树脂。用于胶黏剂的主要是热固性酚醛树脂。另一类称为热塑性酚醛树脂,又称线型酚醛树脂、二阶酚醛树脂、Novolac树脂或乙阶树脂,该树脂要加入固化剂如六亚甲基四胺后才可反应形成具有三向网络结构的固化树脂。
胶黏剂用酚醛树脂的相对分子质量在700~1000左右。它分为线型酚醛树脂和甲阶酚醛树脂。线型酚醛树脂是在酸性催化剂作用下制备的,使用时加入六亚甲基四胺、甲醛等固化剂,在加热条件下固化,如3201酚醛树脂、2123酚醛树脂等。甲阶酚醛树脂是在碱性催化剂的作用下制备的,它能直接溶于丙酮、乙醇和水中。加热固化,也可加入酸性催化剂(石油磺酸、对氯苯磺酸、磷酸的乙二醇溶液、盐酸的乙醇溶液等)室温固化,如2122酚醛树脂、2127酚醛树脂、264酚醛树脂和219酚醛树脂等。
酚醛树脂有毒吗
酚醛树脂是有毒的,因为酚醛树脂在缩聚和加工过程中,因不同的供需而有不同的毒性反应。在缩聚过程中,原料甲醇和苯酚都是有毒的物质,故反应锅要密闭,加料时可从计量槽经管道压进反应锅,用碱(或酸)作催化剂进行缩聚。反应达到终点后用稀盐酸中和,用清水洗涤呈中性,得到酚醛胶。在缩聚过程中,如果操作不当或密封不严,容易产生甲醇蒸气散发,长期接触会使职业性皮炎的发病率增高,特别是夏季,皮肤暴露面广,会加剧皮损,个别人是过敏性皮炎发作,间接接触甲醇蒸气,皮炎也会继续发生。苯酚的作用较甲醇为小,可能与其挥发性较低有关。
酚醛泡沫是由酚醛树脂通过发泡而得到的一种泡沫塑料。与早期占市场主导地位的聚苯乙烯泡沫、聚氯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫等材料相比,在阻燃方面它具有特殊的优良胜能。其重量轻,刚性大,尺寸稳定性好,耐化学腐蚀,耐热性好,难燃,自熄,低烟雾,耐火焰穿透,遇火无洒落物,价格低廉,是电器、仪表、建筑、石油化工等行业较为理想的绝缘隔热保温材料,因而受到人们的广泛重视。目前,酚醛泡沫已成为泡沫塑料中发展最快的品种之一。消费量不断增长,应用范围不断扩大,国内外研究和开发都相当活跃。然而,酚醛泡沫最大的弱点是脆性大,开孔率高,因此提高它的韧性是改善酚醛泡沫性能的关键技术。本文主要就酚醛泡沫的制备中所用发泡助剂、发泡机理和泡沫增韧的新进展作一介绍。
2 发泡助剂
2.1 催化剂/固化剂
酚醛泡沫一般是在室温或低热条件下制备,因此需以酸作催化剂。当酸作催化剂时,酸能加速树脂分子间的缩聚反应,反应放出的热量促使发泡剂急剧气化,而使乳化树脂膨起,同时树脂固化。反应的催化剂也是树脂的固化剂。在环境温度下固化剂的类型和数量对获得优质泡沫是极其重要的。固化剂的选择应使聚合物的固化速度与发泡速度匹配。因此,要求所用的固化剂能够使固化速度在很宽的范围内变化,固化反应本身又能在比较低的温度下进行。
固化剂分无机酸和有机酸,无机酸如硫酸、盐酸、磷酸等。有机酸有草酸、已二酸、苯硝酸、酚硝酸、甲苯磺酸,苯磺酸,石油磺酸等。无机酸价格低,但固化速度太快,对金属有很强的腐蚀作用,因此防腐成为酚醛泡沫使用中的一大难题。研究表明,可利用甲醇、乙醇、丙醇等稀释无机酸达到缓蚀,也可加入抗腐蚀剂如氧化钙、氧化铁、碳酸钙、无水硼砂、碱金属和碱土金属碳酸盐及锌、铝等。有人已考虑用碱中和剂来处理泡沫,但这种方法的有效性尚末得到证实。有关这方面的研究还在进行中。文献曾报导,使用酸性的萘磺酸酚醛既起催化作用又参与酚醛的缩合反应,降低了酸的渗透性,对金属的腐蚀性也就很小。文献中还提到其它降低泡沫材料腐蚀性方法,如以盐酸作固化剂时首先用真空法除去成型产品中易挥发物,再用NH3除去残存的酸或在80-130℃条件下热处理,或在树脂配方添加中和剂等,这些方法使生产工艺复杂化,并增加成本。
现在采用芳族磺酸为基础的固化剂很普遍。这是因为它腐蚀性小,并具有增塑作用。还有将有机酸和无机酸混合使用。为保证分散均匀,使用时应将固态有机磺酸配成高浓度的水溶液,一般溶液的浓度在40-65%为宜。
2.2 发泡剂
发泡剂是塑料发泡成型中发泡动力的来源塑料发泡方法一般分为机械发泡、物理发泡和化学发泡。机械发泡是借助于机械的强烈搅拌,使气体均匀地混入树脂中形成气泡。物理发泡则是借助于溶解在树脂中的发泡剂物理状态的改变,形成大量的气泡。以上两种发泡完全是物理过程,没有发生任何化学变化。化学发泡是发泡过程中使化学发泡剂发生化学变化,从而分解并产生大量气体,使发泡过程进行。发泡剂的种类和用量对发泡效果具有重要影响。它直接影响泡沫密度,进而影响到产物的物理、机搬胜能。此外,使用发泡剂使泡沫具有大量球状微孔,泡沫耐燃性及韧性提高。
根据酚醛树脂发泡反应机理,大多数以物理发泡方法进行。物理发泡剂分惰性气体和低沸点液体两类。酚醛泡沫常用的发泡剂为各种沸点在30-60℃之间的挥发性液体,如氟利昂、氯化烃、正戊烷等。现在的科研和工厂生产中使用的发泡剂绝大多数仍然是氟氯烃化合物,其中以氟利昂一11与氟利昂-21的1:4(mol)混和物使用最广泛。氟氯烃发泡剂效果非常好,但氟氯烃会破坏大气的臭氧层,所以已限制使用且开始选择代用品。在近期的专利中为减少对大气臭氧层的危害,选择了危害小的氟氯烃,如 CF32CF2CHC12、HCF2CF2CEt,被称为不耗臭氧的发泡剂。还有人采用减少氟化物发泡剂的使用量,加入部分代用品,如 F-11和戊烷混合使用。在新的代用品中最有前途的当属惰性气体发泡剂二氧化碳、氮气等。它们无毒、无污染,臭氧消耗系数(ODP)为零,温室效应系数(GwP)很小,不燃,价廉易得,是氟利昂替代品研究的热点,但难度较高。可喜的是有文献报道,日本的Asahi化工公司的研究者用CO2代替氟氯烃作生产酚醛泡沫材料的发泡剂,效果良好。它们由酚醛共聚树脂(含有羟甲基脲)与发泡剂CO2及催化剂混合物制得的酚醒泡沫材料。其密闭气孔含量为96.0%,气孔直径为190μm,热导率(JISA1412)为0.0231Kcal/m.h.℃,C O2含量为5.2%,脆度(JIS A9511)为11%。氯化烃中以二氯甲烷最常用,其化学性质较为稳定、发气量也高于氟氯烃,故近年已有许多厂家用之代替氟氯烃或二者并用。在塑料发泡工业中有选用低沸点脂肪族烷烃G4-G7混合物如正戊烷作为发泡剂,但其效果不理想,还有易燃的危险。有时通过几种发泡剂并用的办法来解决发泡剂汽化温度与树脂固化反应速度相匹配的问题,这样发泡剂在汽化时,树脂已具有了适当的粘度,从而有利于泡孔结构的形成和稳定。
化学发泡剂也有应用,如发泡剂H(N,N一二亚硝基五次甲基四胺),它遇酸会强烈分解,释放出氮气,从而使树脂发泡。
2.3 表面活性剂
表面活性剂的分子中含有亲水结构和疏水结构,具有界面走向和降低液体树脂的表面张力的作用,使泡沫塑料中亲水性和疏水性相差很大的原料乳化成为均匀体系,各组分充分接触,使各种反应能较平衡地进行。表面活性剂的用量虽小,只为树脂的2-6%,但它对发泡工艺和产品性能影响很大。它可以保证发泡过程中各组份充分混合均匀,形成均匀微细多泡孔结构和稳定的闭孔率,还可以加快反应过程,缩短固化时间,对泡沫制品的抗压强度,泡孔尺寸等均有较大的影响。
泡沫塑料发泡成型通常分三个阶段。第一阶段是在发泡基体的熔体或液体中形成大量均匀细密的气泡核,然后再膨胀成具有要求泡体结构的泡体,最后通过加热,固化定型,得到泡沫塑料制品。发泡第一阶段是要制得以发泡剂为分散相、树脂为连续相的乳状液,在树脂中形成大量分布均匀、粒径微小的发泡剂液滴(气泡核)。如单纯以高速搅拌将发泡剂分散到树脂中,这种分散体系极不稳定,容易破坏。表面活性剂能降低界面张力,使分散体系在热力学上稳定。这时表面活性剂起到了乳化剂或匀泡剂的作用。当在高速搅拌下,往酚醛树脂与发泡剂的乳状液中加入固化剂时,酚醛发泡成型进入了第二阶段。在固化剂作用下甲阶树脂发生缩合反应,转化为乙阶树脂阶段,最后固化为丙阶树脂,同时树脂缩合释放出的大量反应热使发泡剂液滴气化,发泡料在变稠的同时,体积迅速增大,原先的乳状液已转变成泡沫,此泡沫是不稳定的,已形成的气泡可以继续膨胀,也可能合并、塌陷或破裂。在酚醛泡沫没有固化定型前表面活性剂起着稳定泡沫的作用。
酚醛泡沫塑料各组分之间的相容性较差,所以选用表面活性剂更要考虑其乳化性能。良好的乳化性能可以提高各组分混合的均匀程度,有利于形成均匀微细的泡孔结构,而且可以加快反应过程,缩短固化时间。此外表面活性剂还必须对固化剂的强酸性保持稳定。尽管能用于酚醛泡沫塑料的表面活性剂种类很多,但非离子型表面活性剂效果最好,较常用的有①脂肪醇聚氧乙烯、聚氧丙烯醚类;②烷基酚聚氧乙烯醚类,如壬基酚与环氧乙烷的加成物;③聚硅氧烷、聚氧乙烯、聚氧丙烯的嵌段共聚物,这类表面活性剂不仅有良好的泡沫稳定性能,而且有极强的乳化作用。
近年来也有研究者采用多种表面活性剂混合物来得到具有特定性能的泡沫,如池田义宏等用硅酮与十二烷基苯磺酸钠混合的表面活性剂制成高吸水性泡沫。
3 泡沫增韧研究
酚醛树脂结构上的薄弱环节是酚羟基和亚甲基易氧化。其泡沫延伸率低,质脆,硬度大,不耐弯曲。这大大限制了酚醛泡沫的应用,所以对泡沫的增韧是十分必要的。酚醛泡沫的增韧,可以通过以下几种途径实现:①在体系加入外增韧剂,通过共混的方式达到增韧的目的;②通过甲阶酚醛树脂与增韧剂的化学反应,达到增韧的目的;③用部分带有韧性链的改性苯酚代替苯酚合成树脂。
3.1 加入外增韧剂
这一改性方式要求树脂和增韧体系须具有一定的混溶性,才能改善其脆性,提高韧性和抗压性能,可根据溶解度参数δ预测有机化合物之间的混溶性。这种改性方式的实施一般是按如下步骤进行。首先合成普通的甲阶酚醛树脂,然后在体系内加入改性剂,脱水,发泡。这类改性剂常用的有三类。
第一类是橡胶弹性体改性剂。橡胶增韧酚醛树脂属物理掺混改性,但由于弹性体通常带有活性的端基(如羧基、羟基等)和双键,能与甲阶酚醛树脂中的羟甲基发生不同程度的接校或嵌段共聚反应。在树脂固化及发泡过程中这些橡胶类弹性体段一般能从基体中析出,在物理上形成海岛两相结构。这种橡胶增韧的热固性树脂及泡沫的断裂韧性比起未增韧的树脂及泡沫有较大幅度的提高。常用的橡胶有丁腈、丁苯、天然橡胶和端羧基丁腈橡胶及其他含有活性基团的橡胶。增韧的效果还与共混比例等有关,橡胶量太少达不到效果,但若橡胶含量较高,影响耐热性,同时也会影响酚醛橡胶间的相容性。橡胶的加入量一般宜控制在5-20%之间。
第二类是热塑性树脂。用于酚醛泡沫改性的有聚乙烯醇,聚乙二醇等。聚乙烯醇分子中的羟基有可能与酚醛缩聚物中的羟甲基发生化学反应,形成接枝共聚物。聚乙烯醇改性酚醛树脂可提高泡沫的压缩强度。据文献报道,泡沫压缩强度与聚乙烯醇的加入量有关。加入聚乙烯醇的量太少,压缩强度提高不明显;加入过多量的聚乙烯醇会导致粘锅,使反应难以继续进行。聚乙烯醇的加入量为苯酚重量的l.5-3%较为合适。
聚乙二醇也是酚醛树脂有效的增韧剂。聚乙二醇中的一OH可能与树脂中的一OH结合,但在碱性条件下反应较困难。聚乙二醇中的一OH与树脂中的一OH也可能形成部分氢键,使树脂中导入长的柔性醚链,从而起到增韧的效果。葛东彪等人用不同分子量的聚乙二醇系列来增韧泡沫,发现改性效果随着聚乙二醇分子量的增大而增大,分子量为1000时达到峰值,而后随着聚乙二醇分子量的增大减小。所给出的结论是:先随着分子量的增大,酚醛树脂中导入的聚醚柔性链比较长,有利于拉伸强度和断裂伸长率增大;但聚乙二醇分子量大于1000时,由于加人聚乙二醇的质量是一定的,其分子链两端羟基所占的比例相对减小,使得羟基和酚醛树脂的羟甲基反应的机率减小,影响了聚乙二醇的改性效果。分子量适中的聚乙二醇1000和800改性的泡沫韧性最好。
聚乙二醇增韧改性的酚醛泡沫与纯酚醛泡沫相比,不仅尺寸稳定性好、压缩强度高、表观密度适中,而且泡孔闭孔率较高、大小均匀、致密,且易加工切割,断面无或少碎屑。此外氯化聚乙烯(CPE)、聚氯乙烯(PVC)增韧树脂及泡沫也有报道。
第三类是小分子物质如乙二醇。乙二醇增韧泡沫是合成酚醛树脂后,按一定比例加入乙二醇混合均匀,依次加入稳定剂、发泡剂、均泡剂,搅拌均匀,然后加入固化剂,剧烈搅拌,迅速倒入准备好的模具中团模发泡,待其固化完全后脱模即可。
有人根据纯酚醛泡沫与乙二醇改性酚醛泡沫(乙二醇含量为苯酚量15%)的红外光谱图的差别,推测乙二醇可能在酸催化作用下,部分或全部生成了甘油醇类的衍生物,参与了主反应。乙二醇的加入能在一定程度上改善酚醛泡沫的性能,提高其压缩强度,改善其脆性,而又不太多地损失其阻燃性,最佳用量为10-15份/100份树脂。此时其氧指数为37-38,压缩强度为0.40MPa,密度为0.059g/cm3,如表1所示。
表1 泡沫性能与乙二醇加入量
A B C D E F
乙二醇/w% 25 20 15 10 5 0
密度/g.cm-3 0.064 0.06 0.059 0.058 0.056 0.062
压缩强度/MPa 0.30 0.35 0.40 0.37 0.38 0.31
氧指数 35 37 37 38 38 40
添加短切玻纤也是外增韧的一种方法。短切玻纤属于无机材料,常温下无色、无味、无毒,易与酚醛树脂混匀。短切玻纤经用偶联剂处理后,与酚醛树脂共混,然后发泡制成酚醛泡沫塑料。短切玻纤含量对改性酚醛泡沫塑料主要性能的影响见表2。
表2 短切破纤含量与酚醛泡沫性能
短切玻纤/w% 0 3 4 5 6 8 10
容重/kg.cm-3 60 60 60 60 62 68 80
脆性质量损失/% 40.0 28.0 25.0 22.0 21.0 17.7 15.0
氧指数 45 45 46 48 48 50 50
压缩强度/MPa 0.20 0.25 0.26 0.28 0.31 0.39 0.43
由表2可知,随着短切玻纤含量的增加,酚醛泡沫塑料的压缩强度明显提高,容重增加,脆性降低,氧指数升高,但共混物的粘度随着短切玻纤含量的增加而升高,使发泡工艺难以控制,因此短切玻纤的含量一般控制在10%以下。文献也报道了邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲苯酯等有机物质用于泡沫增韧。
3.2 化学增韧甲阶酚醒树脂
化学增韧改性方法是在合成甲阶树脂时加入改性剂,通过酚羟基和羟甲基的化学反应接枝上柔性链,从而得到内增韧的改性甲阶树脂,这种改性方法较共混方法的效果要好。
聚氨酯改性酚醛泡沫是一种很好的化学增韧方法,在日本、美国已进行了系列研究,取得了较好的成果。从采用的方法看有如下2种方式:①以糠醇树脂、芳胺多元醇等作为聚氨酯组分中的多羟基化合物,将酚醛树脂、多异氰酸酯(MDI、PAPI)和上述各种多元醇混合,加入发泡剂等助剂进行复合发泡。②聚醚、聚酯多元醇和异氰酸酯合成末端为一NCO基团的预聚体,再与酚醛树脂、发泡助剂混合,进行复合发泡。
在聚氨酯改性酚醛泡沫制备过程中,无论采用何种改性方法,其反应机理是一致的。主要有两种反应发生,①异氰酸酯基团和组分中的多羟基化合物的羟基进行交联或扩链反应;②异氰酸酯基团和甲阶酚醛树脂中的羟甲基进行交联反应。两种反应的结果是在酚醛刚性分子结构中引入了柔韧性链段,从根本上改变了酚醛树脂的刚性分子结构,从而提高了泡沫制品的韧性,降低了脆性;同时引入了聚氨酯的特性,如提高闭孔率,降低吸水性,加快固化反应速度,成型快,也提高了制品的强度。
以TDI与分子量为1000的聚乙二醇反应,合成带有一NCO基团的预聚体改性酚醛泡沫,其性能如表3所示。
表3 TDI改性聚乙二醇增韧酚醛泡沫性能
压缩强度/MPa 密度/kg.cm-3 吸水率/% 氧指数
0.288 0.1771 14.39 38.3
3.3 用部分带有韧性链的改性苯酚代替苯酚合成树脂
第三类改性方法是用含有与苯酚相类似官能团的韧性物质部分代替苯酚与甲醛缩合,从而达到增韧的目的。有文献报道用间苯二酚、邻甲酚、对甲酚、对苯二酚等改性。加入量控制在0.2-10%,可降低泡沫脆性,提高制品的强度和韧性。烷基酚和腰果壳油改性也都有报道。腰果壳油主要结构是在苯酚的间位上带一个15个碳的单烯或双烯烃长链,因此腰果壳油既有酚类化合物的特征,又有脂肪族化合物的柔性,用其改性酚醛泡沫,韧性有明显改善。
用桐油和亚麻油改性苯酚也有人尝试,桐油中的共轭三烯在酸催化下与苯酚发生阳离子烷基化反应,其中残留的双键由于空阻效应,参加反应的机率很小。反应产物在碱催化下进一步与甲醛反应,生成了桐油改性甲阶酚醛树脂。亚麻油是十八碳三烯酸甘油脂,其分子结构中都有三个双键。在催化剂的作用下,苯酚的邻、对位上的碳原子在亚麻油的双键上发生烷基化反应,合成改性酚,然后改性酚与甲醛共聚,柔顺的烷基链将脆性的酚醛分子链连结起未,有效地改善了酚醛泡沫脆性。桐油改性苯酚如图所示。
4 结束语
近几年来,国内外对酚醛泡沫原材料、发泡技术、工艺过程都进行了大量研究工作。泡沫制备工艺日臻完善,并已进入了工业化生产阶段。随着人们对材料耐火性及难燃性要求越来越高,泡沫改性研究的不断深入和泡沫韧性不断的提高,酚醛泡沫塑料的应用将更加广泛。