论文 岩棉用酚醛树脂体系

岩棉生产用酚醛树脂体系的研究
随着岩棉制品的发展，用于生产岩棉保温材料的酚醛树脂胶粘剂研究也不断深入。

过去对于岩棉树脂的研究与岩棉产品的性能要求以及生产工艺结合不够紧密，而随着岩棉生产装备的日益成熟，对岩棉的生产工艺提出了更高的要求，对生产工艺中的各要素以及要素间配合的研究也日益突显。

一、水溶性酚醛树脂的反应机理：
岩棉具有优异的绝热性能，所以做为保温材料被大量用于建筑保温领域，因此要求岩棉产品具有较好的耐老化性、憎水性、尺寸稳定性以及低毒环保等特性。

根据这些特性以及生产工艺的要求，应用于生产岩棉制品的树脂就需要选择水溶性热固型酚醛树脂，同时这种酚醛树脂还需要具用低游离醛、低游离酚以及优良的储存稳定性能。

酚醛树脂做为岩棉生产中的一个重要原料，也是岩棉生产工艺中核心技术之一。

1）苯酚和甲醛的聚合反应可以在碱性条件和酸性条件下发生。

在酸性催化剂作用下，生成线型热塑性树脂，不适合岩棉生产使用；在碱性催化剂作用下，生成体型热固性树脂，适合岩棉生产使用。

岩酚醛树脂在碱性条件下缩聚，控制缩聚反应生成分子量为700-1000的低聚物，能够有足够的交接官能团以及有较好的溶水性能来满足岩棉的生产以及性能要求。

一般认为，在合成水溶性酚醛树脂的反应中，碱性催化剂提供OH-与苯酚形成酚氧负离子：
接着，在其邻位或对位发生取代反应：
在碱性介质中所形成的羟甲基酚比较稳定，因此能继续与过量甲醛反应，生成二羟甲基酚和三羟甲基酚：
2）酚醛树脂与岩棉纤维的结合
岩棉用主要原料为玄武岩纤维，Si—C是纤维表面的主要官能团，另外还应用长链的伯胺以及羟甲基等官能团。

酚醛树脂的结构中主要含有苯环、羟基以及—CH2等官能团。

在对岩棉制品过行FTIR分析，出现苯环、羟基、长链的—CH2、C—N—C、N—H、Si—O—C、Si—C等官能团。

因此C—N—C、Si—O—C应该就是玄武岩纤维与树脂胶合后新形成的化学键，增加了结合强度。

3）通常用于岩棉生产的酚醛树脂的技术指标：
4）酚醛树脂与岩棉性能的关系：
岩棉制品需要具有良好的耐老化性能。

而酚醛树脂固化后胶层结合强度在热带地区暴露3年强度不变，暴露10年粘接强度尚能保持75%～80%以上。

脲醛树脂固化后树脂中仍残存有亲水的羟甲基，此亲水基团反复吸附与脱除水分，使胶层处于反复干湿条件下，导致内应力不断变化，使其产生应力裂纹，最终导致龟裂产生；再由于高湿度与胶层酸介质的作用下，其自身发生水解，次甲基键断裂，导致胶层开胶：此外使用条件的劣化、水分的侵蚀等都促进加速胶层的老化。

在湿热环境下暴露2－3年胶合强度急剧下降，胶层开裂。

岩棉制品需要具有良好的憎水性能和尺寸稳定性。

酚醛树脂固化后形成体型网状结构具有良好的结合强度柔韧性能，使得具有更好的憎水性能和尺寸稳定性能。

岩棉制品的低游离醛低、游离酚不仅环保而且在同等施胶的情况下具有更低的有机挥发份和灰份，保证结合强度的同时降低了有机物燃烧的可能。

二、酚醛树脂催化剂的选择以及低灰份酚醛树脂的特点：
酚醛树脂通常用的催化剂有碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、有机碱等，甲阶酚醛树脂生产过程中可分为加成和缩合两个步骤，不同的催化剂对加成和缩聚产生的组分影响很大，进而影响树脂固化后制品的性能。

在氢氧化钠催化下，苯酚的对位具有比邻位更高的反应活性，故此无论在热固性的甲阶酚醛树脂或线型树脂中余下的反应活性点多为活性较差的邻位。

所以采用氢氧化钠催化的酚醛树脂制，虽树脂工艺简单，但是固化后脆性大、板材弯曲强度小、韧性低。

而使用二价金属离子做为催化剂生产出的具有高邻位热固性的酚醛树脂比一般热固性甲阶酚醛树脂固化速度快，固化强度好。

下表列出了100克水中氢氧化钡在不同温度下的溶解度：
所以是在岩棉生产过程中，使用氢氧化钡做为催化剂在常温下很难溶与树脂中，在贮存以及使用过程中会缓慢析出，形成“胶泥”造成施胶系统堵塞使产品质量波动以及过滤网需要清理影响生产效率。

为了解决氢氧化钡的沉淀问题，很多酚醛树脂生产厂家使用氢氧化钠或氢氧化钠与氢氧化钡复配的催化剂，造成了酚醛树脂在缩聚反应上有着很大的差别，使岩棉制品在性能上有了差别。

由于岩棉制品中钠、钡离子大量存在，使岩棉制品具有吸湿性，吸收空气中的水分子使得岩棉板在应用时重量增
加出现坍塌和粉化。

在夹芯板中使用时，由树脂中带来的金属钠、钡离子与金属墙板之间发生交换水解加快腐蚀缩短使用寿命。

氢氧化钠和氢氧化钡在生产使用过程中都存在一些不可避免的缺陷，我们使用了另一种高效、无污染的有机碱做为催化剂，解决了金属碱催化剂带来的以上问题使得灰份更低。

我们有机碱催化生产的低灰份酚醛树脂具有稳定性好，贮存使用中无沉淀析出、生产效率高的岩棉用酚醛树脂，客户可以加水以及其它添加剂后直接使用。

●该树脂水溶性好，和其它助剂配制粘结剂时稳定性高，不产生沉淀，
雾化时不易堵喷嘴。

●该树脂在岩棉生产过程中固化较快。

●该树脂生产的岩棉制品憎水性能较高，不易吸潮。

●该树脂相对普通钡催化树脂生产的岩棉制品强度要高。

三、岩棉用酚醛树脂系统中添加剂的选择：
为了提高岩棉制品的憎水性能以及结合强度会添加不同的助剂，最常用的助剂有憎水剂和偶联剂。

1）憎水剂应具有优异的乳化性能，能够在稳定细粒乳液的同时防止产品过度粘稠或过度亲水。

憎水剂含有反应性聚二甲基硅氧烷，这是一种已被证实适用于对矿棉进行持久憎水处理的有效成分，它能牢固地附着于矿物表面，并形成稳定、耐用的有机硅网状结构，这种网状结构同时具有憎水性和透汽性。

在岩棉生产过程中选择与酚醛树脂混溶好的憎水剂产品很关键，好的相溶性能可以发挥酚醛树脂和憎水剂的憎水性能。

2）用酚醛树脂将无机矿岩纤维进行粘合，岩棉板才能显示出良好的结合强度，为了改进界面之间的粘接，就需要加入一种界面交联剂，称为偶联剂。

偶联剂的种类很多，与酚醛树脂配合使有最成熟和实用的就是有机硅烷偶联剂KH550。

在有机胶粘剂中加入硅烷偶联剂不仅能提高粘合强度，而且能改善胶粘剂的耐久性和耐热老化性能。

在岩棉生产应用过程中有机硅烷偶联剂KH550的加入方法和时间对整个酚醛树脂系统有着很大的影响。

加入不当，不但不能发挥偶联剂的功能还会破坏酚醛树脂中的有效成份造成不良的影响。

有机硅烷偶联剂KH550水解比较快，所以，KH550在岩棉酚醛树脂体系溶液中最后加入，并且尽可能在30-60分钟内用完加入KH550的酚醛树脂。

四、岩棉酚醛树脂固化时间与温度的关系：
水溶性酚醛树脂在105℃开始固化，在120℃以上开始进行充分固化。

常规生产工艺在生产过程中需要至少三段高温固化过程。

第一段：传热：固化炉温度不易过高，如果在高温下岩棉表层的酚醛树脂迅速固化，会使得热量很难进入岩棉板芯层，造成中心层酚醛树脂固化不完全而形成“面包棉”。

第一段固化温度通常保持在160-170℃。

第二段：表层固化推动内固化：岩棉板由外向内开始高温固化，表层固化产生热量向内层均匀传递使得芯层能够有较高的温度完全固化。

这一段是温度最高的固化阶段，常通保持在180-200℃。

第三段：平衡应力阶段：从高温固化段出来，水汽、温差以及固化产生的应力会造成结合强度退减，降低温度会平衡应力。

所以第三段固化温度通常保持在170-180℃。

第四段：热堆放阶段：将成型的产品堆放在一起保持温度均匀下降可以解决产品与环境中温度与湿度的平衡，消除温差、湿度产生的应力。

热风温度180-200℃
在不同温度下检测酚醛树脂的固化时间：
随着中国经济结构调整，环保与节能成为经济发展的主题。

岩棉做为重要的节能保温材料有广阔的市场空间。

高质量的产品会推动行业的发展，北京太尔愿意与行业同仁共同努力，推动技术进步，让行业健康、蓬勃发展。