低甲醛脲醛树脂及生物复合材料的制备与性能研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zyr2007
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针对目前普通脲醛树脂游离甲醛含量较高、低甲醛脲醛树脂的粘接性能较差且稳定性有待提高以及传统氯化铵固化剂不能使得低甲醛脲醛树脂固化完全等关键问题,本文主要围绕制备稳定的低甲醛脲醛树脂、酚醛中间体改性脲醛树脂以及生物质复合材料的制备来开展。主要研究内容及结果如下:  (1)我们首先研究了稳定的脲醛树脂的制备工艺,然后我们利用苯酚和甲醛为原料,在强碱性条件下制备得到酚醛中间体2,4,6-三羟甲基苯酚钠并用它制备了不同2,4,6-三羟甲基苯酚钠/尿素(TMP/U)摩尔比的低游离甲醛含量的脲醛树脂。实验结果表明:浊点是制备稳定脲醛树脂的关键因素之一,也是一种很好的判断酸性阶段反应终点的方法;酸性缩合阶段的pH控制在3.5~4范围内较好;当TMP/U摩尔比为1∶40时,脲醛树脂的游离甲醛含量降低至0.01%以下;脲醛树脂的粘度随着TMP/U摩尔比的增加有一定的提高,但增加不明显。脲醛树脂制备过程中各阶段的游离甲醛含量分析表明,TMP对脲醛树脂中甲醛的降低主要发生在第二批尿素加入阶段后期;随TMP/U摩尔比的增加,氯化铵/脲醛树脂体系的pH值呈上升趋势,脲醛树脂的固化时间及适用期相应的增长。  (2)为了避免在制备酚醛中间体过程中使用大量的有机溶剂,我们直接用合成的酚醛反应液(PFS)作为脲醛树脂的改性剂,然后通过热压固化成型工艺制备了脲醛树脂/竹纤维复合材料并研究了酚醛反应液用量对竹纤维复合材料性能的影响。实验结果表明:酚醛反应液可以有效地降低脲醛树脂的游离甲醛含量,当酚醛反应液用量(以P/U摩尔量计量)大于1/40时,脲醛树脂的游离甲醛含量降低至0.01%以下;另外,竹纤维复合材料的力学性能和吸水率分析表明,添加少量的酚醛反应液(以P/U摩尔量计量)小于1/40时,在固化剂氯化铵作用下,PFS改性脲醛树脂/竹纤维复合材料的力学性能和耐水性有所提高;红外、力学性能、溶胀率分析表明,当酚醛反应液用量(以P/U摩尔量计量)大于1/40时,脲醛树脂的游离甲醛含量很低,单一氯化铵固化剂不能使得PFS改性脲醛树脂固化完全,因而有待于开发新的固化体系,以改善低甲醛脲醛树脂的固化,提高复合材料的综合性能。  (3)为了改善低甲醛脲醛树脂的固化,我们研究了四种复合固化剂对低甲醛脲醛树脂的pH变化、适用期、凝胶时间及固化温度的影响,并研究了这四种复合固化剂对脲醛树脂/竹纤维复合材料的拉伸性能和吸水率的影响。实验结果表明:过硫酸铵部分代替氯化铵可以降低低甲醛脲醛树脂体系的pH和固化温度,过硫酸铵复合固化剂/脲醛树脂体系的pH在6~7左右,使得脲醛树脂在竹纤维中固化的得到改善,提高了脲醛树脂的粘接性能;而使用少量的草酸和磷酸虽然可以快速地降低低甲醛脲醛树脂体系的pH,但是,pH过低使得脲醛树脂的适用期缩短,粘接性能也下降的较为明显。相对于草酸,磷酸具有较长的适用期和较短的固化时间,草酸或磷酸的微胶囊化有可能解决这类固化剂存在的固化较早的缺点。另外,这四种固化体系对竹纤维复合材料的吸水率和溶胀率影响不大。  (4)为了改善酚醛树脂与脲醛树脂的相容性,我们研究了两种主要的酚醛中间体三羟甲基苯酚钠和三羟甲基苯酚钠二聚体对脲醛树脂以及桉木纤维复合材料的性能的影响。实验结果表明:相同用量(按质量计)的条件下,二聚体对脲醛树脂游离甲醛含量的降低更明显,而且,由于亚甲基二苯的疏水性大于单一苯环的疏水性,因而二聚体改性脲醛树脂制备的桉木纤维复合材料的耐水性较好。  (5)利用聚乙烯醇改性脲醛树脂,并用FTIR、SEM、POM及XRD研究了聚乙烯醇对脲醛树脂游离甲醛含量、稳定性、结晶性能等性能的影响。实验结果表明:聚乙烯醇对脲醛树脂游离甲醛含量的降低和脲醛树脂的稳定性有一定的效果。此外,聚乙烯醇对脲醛树脂的胶体性和结晶都有非常明显的影响。随着聚乙烯醇用量的增加,脲醛树脂体系的粒子大小和结晶的尺度都变得比较的均匀。而且,聚乙烯醇可以明显改善脲醛树脂的脆性,提高脲醛树脂的韧性;但是,吸水率测试结果表明较多的使用聚乙烯醇不利于脲醛树脂耐水性的提高。
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