酚醛樹脂以其的瞬時(shí)耐高溫?zé)g性能成為空間、導(dǎo)、火箭等熱防護(hù)材料的基體樹脂。由于酚醛樹脂轉(zhuǎn)化而成的樹脂炭對(duì)環(huán)境污染小，粘度相關(guān)于瀝青較低，易于滲透纖維，成炭強(qiáng)度大、硬度大，現(xiàn)已有越來越多的酚醛樹脂經(jīng)過轉(zhuǎn)化為樹脂基體炭，而用于制備C/C復(fù)合材料。由于其具有價(jià)錢低廉、阻燃、熄滅發(fā)煙少等顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來越來越多地用于交通工具、高樓、隧道等防火懇求嚴(yán)厲的場所[1~3]。這些用途的共同特性就是懇求酚醛樹脂高溫下具有較高的熱穩(wěn)定性或成炭率。但目前對(duì)酚醛樹脂的高溫?zé)峤庑袨樘貏e是高溫成炭過程的研討較少。只需深化了解酚醛樹脂高溫降解過程中樹脂結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，才干正確指導(dǎo)成炭率高、熱穩(wěn)定性高的新型酚醛樹脂的合成。 酚醛樹脂固化物的主要結(jié)構(gòu)為之間經(jīng)過亞連結(jié)的一種三維體型網(wǎng)絡(luò)，因此在熱降解過程中主要表現(xiàn)為酚基和亞的熱降解。傳統(tǒng)的觀念以為酚基和亞非常容易氧化是酚醛樹脂熱穩(wěn)定性低的主要緣由[4~11]，但這一觀念都是基于酚醛樹脂在熱降解過程中的紅外光譜所測得的結(jié)構(gòu)變化。 由于酚醛樹脂化學(xué)組成復(fù)雜、官能基在紅外光譜中吸收峰數(shù)目較多且互相堆疊，分辨率較低，因此很難正確反映酚醛樹脂在熱降解過程中的結(jié)構(gòu)變化。核磁共振碳譜化學(xué)位移值δ的變化范圍可超越200，碳原子的化學(xué)位移值分別程度也較高，因此結(jié)構(gòu)上的細(xì)微變化可望在碳譜上得到反映，且碳原子是構(gòu)成酚醛樹脂的骨架，控制有關(guān)碳原子的信息對(duì)分析熱降解過程中的結(jié)構(gòu)變化具有重要意義。固然樹脂熱降解過程的產(chǎn)物都為不溶不熔物質(zhì)，但交叉極化、自旋魔角固體核磁共振光譜(crosspolarizationmagicanglespinning：CP/MASNMR)[12]可以消去化學(xué)位移的異向性，進(jìn)步信號(hào)的靈敏度，得到固體高分辨光譜。 為此我們初次采用了固體核磁共振(13C-NMR)對(duì)2種酚醛樹脂(商業(yè)樹脂2130和自制氨酚醛樹脂)熱降解過程中樹脂結(jié)構(gòu)的變化中止了分析，并與紅外光譜結(jié)果中止了對(duì)比。結(jié)果標(biāo)明：亞的熱解行為與傳統(tǒng)機(jī)理所闡述的熱降解進(jìn)程存在一定的差異。 1實(shí)驗(yàn) 1·1主要原料 ：分析純，長沙湘科精細(xì)化工廠；溶液：(HCHO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37%~40%，分析純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研討所；：氨(NH3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%~28%，分析純，長沙延風(fēng)化學(xué)試劑有限公司；無水醇：分析純，湖南匯虹試劑有限公司；商業(yè)酚醛樹脂：品名2130，長沙志達(dá)絕緣化工有限公司消費(fèi)。 1·2氨酚醛樹脂的合成及固化 將、溶液和催化劑按一定比例參與到裝有攪拌器、溫度計(jì)和回流裝置的三口燒瓶內(nèi)，在水浴中加熱使反響液的溫度緩慢上升至85~90℃。在此溫度下恒溫反響一段時(shí)間，待乳化后，再于此溫度下反響約30min。然后開端抽真空，待反響液完好透明后，中止抽真空，保溫一段時(shí)間，可得到橙黃色的稀薄狀氨酚醛樹脂。將合成的氨酚醛樹脂在140℃下預(yù)固化1h，再在170℃固化3h，得到暗紅色的氨酚醛樹脂固化物，經(jīng)粉碎后用于熱分析和紅外分析。商業(yè)酚醛樹脂也在同等條件下中止固化后處置用于結(jié)構(gòu)分析。 1·3結(jié)構(gòu)與性能測定 采用德國耐馳公司(NETZSCH)消費(fèi)的STA449C型綜合熱分析儀對(duì)固化后的酚醛樹脂中止熱失重(TG)分析。升溫速率為10℃/min，在N2氣氛維護(hù)下中止。對(duì)熱重曲線中止微分(DTG)分析，肯定熱失重溫度及其高溫下的成炭率。 采用北京第二光學(xué)儀器廠消費(fèi)的WQF-410型傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)對(duì)酚醛樹脂中止結(jié)構(gòu)分析。分辨率：4，掃描次數(shù)：32，波數(shù)范圍：400~4000cm-1。將樣品用KBr壓片后分析其化學(xué)官能團(tuán)。 采用美國Varian公司消費(fèi)的Infinityplus300WB型固體核磁共振儀對(duì)酚醛樹脂固化物及不同溫度熱處置后的樣品中止結(jié)構(gòu)分析。相位分辨率≤0·25度，頻率分辨率≤0·1，采樣速率≥8MHz。 2·結(jié)果與討論 圖1比較列出了自制氨酚醛樹脂(圖1a)和商業(yè)酚醛樹脂(圖1b)在N2維護(hù)氣氛下，室溫~700℃熱處置時(shí)的熱重曲線及其失重速率曲線。 從圖1a、b可以看出自制酚醛樹脂的成炭率為73·78%，遠(yuǎn)高于商業(yè)酚醛樹脂2130的成炭率57·45%。 自制酚醛樹脂的失重速率曲線中存在2個(gè)明顯的失重峰，而商業(yè)酚醛樹脂的幾個(gè)失重峰則部分堆疊在一同，且其失重速率(圖中右縱坐標(biāo))也要高于自制酚醛樹脂。自制酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性及高溫下的成炭性能明顯優(yōu)于商業(yè)酚醛樹脂，主要緣由是2種樹脂結(jié)構(gòu)中各種基團(tuán)的種類及其相對(duì)含量不同，這可從熱處置過程中其結(jié)構(gòu)隨溫度的變化來中止分析。根據(jù)熱失重速率曲線上失重峰所處的位置，我們將酚醛樹脂固化物分別在300℃、450℃及600℃下熱處置后中止了固體核磁共振分析和紅外光譜分析。 圖2和圖3分別為自制氨酚醛樹脂和商業(yè)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)隨熱處置溫度變化的固體核磁共振碳譜，其中酚醛樹脂各基團(tuán)中碳原子的化學(xué)位移值如表1所示。 從圖2a可以看出，自制氨酚醛樹脂固化物最強(qiáng)的3個(gè)峰依次為：δ129歸屬為苯環(huán)中C—C的化學(xué)位移、δ150歸屬為與酚基相連的碳原子的化學(xué)位移及δ35處亞基碳的化學(xué)位移，這與酚醛樹脂中主要結(jié)構(gòu)為酚環(huán)之間經(jīng)過亞基連結(jié)的一種三維體型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相符。在δ90左近有少量的(R—CH2—O—CHO)碳原子的化學(xué)位移峰，另外還有少量羧基和羰基CO(δ190)中碳的化學(xué)位移峰，基醚(δ74)和基(δ65)中碳原子的化學(xué)位移峰則十分微小。當(dāng)熱處置溫度進(jìn)步到300℃時(shí)，基醚和基、羰基、羧基(CO)等端基基團(tuán)曾經(jīng)脫去，亞基則沒有發(fā)作明顯的變化，但苯環(huán)上酚基的鄰位無取代碳原子(δ115)的數(shù)目有所減少，標(biāo)明脫去了部分端基后留下的自由基和無取代鄰位碳原子之間中止了交聯(lián)，使樹脂的交聯(lián)程度有所增加。當(dāng)溫度升高到450℃時(shí)，傳統(tǒng)的觀念以為：即使在維護(hù)性氣氛下，亞基也是經(jīng)反響進(jìn)熱降解的，熱降解進(jìn)程如反響式（1）所示。 反響過程中的氧化劑是反響過程中綴裂的OH自由基或生成的H2O。但從圖2b中可以看出樹脂中含氧的基團(tuán)如醚鍵、基鍵在較低的溫度下曾經(jīng)脫去，只剩下含氧的酚基，但比較圖2b、c可以看出，在這一溫度區(qū)間內(nèi)與酚基相連的碳原子在數(shù)量上沒有發(fā)作明顯的變化，這說明酚基在這一溫度區(qū)間內(nèi)并未發(fā)作斷裂或脫水反響。同時(shí)在δ190左近也沒有明顯呈現(xiàn)氧化產(chǎn)物羰基碳原子的化學(xué)位移峰，標(biāo)明氧化反響不是亞基熱降解的主要進(jìn)程。 但是可以明顯的發(fā)現(xiàn)亞基熱解斷裂生成基的跡象，如圖2c中δ20及δ16處的基碳原子的化學(xué)位移峰，其熱降解進(jìn)程如反響式(2)[15]所示。 當(dāng)溫度繼續(xù)升高到600℃時(shí)，從圖2d可以看出樹脂中仍存在少量的酚基碳原子，這是由于2個(gè)酚基之間經(jīng)過脫水環(huán)化成氧雜蒽后仍保管了1個(gè)氧原子，這一溫度區(qū)間內(nèi)主要是一個(gè)脫氧過程，故酚基的熱降解應(yīng)該在亞基斷裂之后。因此傳統(tǒng)觀念中所述的亞基的氧化反響(氧化劑是反響過程中綴裂的OH自由基或生成的H2O)在酚醛樹脂的熱降解過程中將很難中止，即使中止其程度也較低。 圖3為商業(yè)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)隨熱處置溫度變化的固體核磁共振碳譜。比較圖3和圖2可知：圖3a中位于δ65~75之間的基碳或基醚碳的強(qiáng)度明顯高于自制氨酚醛樹脂，這說明商業(yè)酚醛樹脂的端基小分子比自制氨酚醛樹脂多，因而在300℃前的失重高于自制氨酚醛樹脂。由于商業(yè)酚醛樹脂位于δ115處與苯環(huán)上基相鄰的無取代碳原子的數(shù)目比自制氨酚醛樹脂少，進(jìn)一步交聯(lián)固化的機(jī)率較小，合成過程中構(gòu)成的基較多轉(zhuǎn)化為終端基團(tuán)，不利于構(gòu)成高交聯(lián)密度的酚醛樹脂，因而降低了商業(yè)酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性及成炭性能，這是商業(yè)酚醛樹脂高溫下的成炭率遠(yuǎn)低于自制氨酚醛樹脂的緣由之一。當(dāng)溫度升至450℃后，亞基碳數(shù)目大量減少，相應(yīng)基碳的數(shù)量則快速增加，在δ190左近仍沒有呈現(xiàn)羰基碳的化學(xué)位移峰。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到600℃時(shí)，酚基之間開端脫水環(huán)化成炭。比較圖3c、d可以看出，與酚基相連的碳原子數(shù)量在這一溫度區(qū)間內(nèi)大幅度減少，同樣說明酚基的脫去是在亞基的熱解斷裂之后。上述結(jié)果標(biāo)明，商業(yè)酚醛樹脂的熱降解進(jìn)程與自制氨酚醛樹脂一樣，主要是亞基斷裂成基，仍不是傳統(tǒng)機(jī)理中所述的亞基氧化生成羰基。 比較圖2d和圖3d還可以看出，商業(yè)酚醛樹脂中的亞基在600℃降落解的數(shù)量要遠(yuǎn)超越自制氨酚醛樹脂，在這一降解過程中，以亞基單鍵相連的苯環(huán)就會(huì)以苯及酚的同系物方式揮發(fā)進(jìn)來，從而大大地降低了樹脂的成炭率。酚醛樹脂主要是經(jīng)過亞基交聯(lián)構(gòu)成固體三維網(wǎng)絡(luò)，而亞基的熱解與酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性密切相關(guān)，因此對(duì)樹脂體系中僅以亞基單鍵與整體銜接起來的端基苯環(huán)來說，當(dāng)亞基斷裂后，苯環(huán)就以苯或酚的同系物的方式揮發(fā)進(jìn)來，這就是招致酚醛樹脂的理論成炭率低于理論含碳量的主要緣由。 熱降解過程中酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)變化也可以由紅外光譜來中止對(duì)比分析。自制氨酚醛樹脂及商業(yè)酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)隨熱處置溫度的變化分別如圖4、圖5所示。 經(jīng)固化后的樹脂熱處置到300℃時(shí)，樹脂中各基團(tuán)主要是位于1000~1750cm-1之間的吸收峰的變化較為明顯，其中1000~1400cm-1之間的吸收峰為各種醚鍵如烷苯醚、醚基中C—O鍵的振動(dòng)吸收峰，1400~1500cm-1之間的吸收峰為亞基中C—H鍵的振動(dòng)峰，1610cm-1為苯環(huán)中C—C鍵的振動(dòng)峰，1650cm-1為羰基中CO鍵的振動(dòng)峰，1750cm-1為羧基中CO鍵的振動(dòng)峰。在300℃處置后樹脂的紅外光譜圖中，固化樣品中微量的基(1100cm-1)、基醚(1100cm-1)吸收峰消逝或削弱，微量羰基(1650cm-1)氧化成羧基(1740cm-1)，其他各基團(tuán)基本上沒有什么變化，這與前述熱重曲線在210~270℃的溫度區(qū)間為樹脂進(jìn)一步交聯(lián)固化及基等端基的脫除是分歧的。這一階段的熱解產(chǎn)物主要是H2O及CH3OH等小分子，失重率非常小(約為2%)，與熱分析曲線在300℃前的失重相符。經(jīng)過450℃熱處置后，試樣中的亞基(1400~1500cm-1)的振動(dòng)峰則有較大程度的降低，固然在前面的實(shí)驗(yàn)中曾經(jīng)證明了亞基斷裂后會(huì)呈現(xiàn)基(其振動(dòng)吸收峰在1437cm-1左右)，但在圖中和亞基吸收峰堆疊在一同，這正是紅外光譜法的缺乏之處。在圖4c中1650cm-1處存在的羰基、1740cm-1處的羧基固然是經(jīng)反響所產(chǎn)生的，傳統(tǒng)的降解機(jī)理也正是基于這一點(diǎn)以為亞基的氧化反響是樹脂熱降解的主要進(jìn)程。但我們也可以發(fā)現(xiàn)，這2個(gè)吸收峰都是作為苯環(huán)吸收峰的肩峰方式呈現(xiàn)的，因而其峰形雖高但其含量較低，別離核磁共振分析可知，這些羰基基團(tuán)的產(chǎn)生應(yīng)如反響式(3)所示。 它們是由亞基斷裂后的產(chǎn)物進(jìn)一步氧化所產(chǎn)生的。從圖4(c)還可以看出經(jīng)450℃熱處置后的試樣除亞基吸收峰有所削弱外基本仍保管了酚醛樹脂的結(jié)構(gòu)特征，并且與核磁共振分析一樣，酚基的強(qiáng)度也沒有明顯削弱的跡象，說明自制氨酚醛樹脂具有較高的交聯(lián)程度，部分亞基的熱解斷裂并不會(huì)招致樹脂結(jié)構(gòu)的整體破壞，這與自制氨酚醛樹脂具有較好的熱穩(wěn)定性和成炭率是相吻合的。經(jīng)過600℃熱處置后的試樣大部分特征峰特別是酚基曾經(jīng)基本消逝(圖4d)，說明此溫度下酚醛樹脂中酚基的熱解過程已基本完成，樹脂開端進(jìn)入炭化脫氫階段。由此可知酚醛樹脂的熱降解過程先是亞基的部分熱解斷裂，然后才是酚基發(fā)作脫水后環(huán)化成炭的過程。 比較圖5和圖4可知：圖5a中位于3350cm-1處的基吸收峰團(tuán)結(jié)成2個(gè)較寬的峰，這標(biāo)明商業(yè)熱固性酚醛樹脂固化物中除酚基外還存在醇基或多結(jié)構(gòu)，醇基在較低的溫度(300℃之前)就能脫去，如圖5a、b中位于3350cm-1處的吸收峰變化所示。與圖4比較可知，圖5中位于1400~1500cm-1處的亞基吸收峰變化較為明顯，且隨著溫度的升高，這一區(qū)間內(nèi)的亞基峰更早地削弱成一個(gè)較寬的吸收峰，這也說明了商業(yè)樹脂的熱穩(wěn)定性不如自制氨酚醛樹脂。圖5中位于1360cm-1處醚(相鄰兩酚基發(fā)作環(huán)化脫水)的吸收峰則比圖4中的更為明顯，這也進(jìn)一步說明了酚醛樹脂的熱降解過程是先發(fā)作亞基斷裂后中止酚基的熱解。此外，只需少量位于1650cm-1羰基，幾乎沒有位于1740cm-1處的羧基都有說明了氧化反響很少發(fā)作。由于交聯(lián)密度較低，商業(yè)酚醛樹脂中的亞基過多的斷裂，就會(huì)生成較多的低分子苯及酚的同系物，故商業(yè)酚醛樹脂的成炭率遠(yuǎn)低于自制氨酚醛樹脂。因此亞基的熱解對(duì)酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性及高溫下的成炭性能起著至關(guān)重要的作用。 3·結(jié)論 1)酚醛樹脂的熱降解過程分3個(gè)階段：首先是羰基、基等端基小分子的脫去，然后是亞基的熱解斷裂，最后才是酚基發(fā)作脫水后環(huán)化成炭的過程。 2)亞基的熱解對(duì)酚醛樹脂的熱穩(wěn)定性及高溫下的成炭性能有著至關(guān)重要的作用；亞基的熱降解過程主要是斷裂成基，而不是傳統(tǒng)機(jī)理中所述的亞基氧化生成羰基的進(jìn)程。