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酚醛樹脂是熱固性樹脂，固化后的樹脂結(jié)構(gòu)具有三維網(wǎng)絡(luò)高度交聯(lián)的特點，結(jié)構(gòu)主體是大比例的苯環(huán)，元素中以碳元素為主，原子間鍵能高，分子鏈間內(nèi)聚力大，所以酚醛樹脂有著在熱解后具有高殘?zhí)悸屎统商拷Y(jié)構(gòu)強度高的特點。因而酚醛樹脂是熱解制炭材料的較理想的先驅(qū)體(炭先驅(qū)體)物質(zhì)。
欲獲得高殘?zhí)悸�，酚醛樹脂必須在隋性氣氛中進行高溫炭化。氧的存在，使得許多碳原子被氧化，致使殘?zhí)悸蚀蟠蠼档�。氧的存在對殘�(zhí)冀Y(jié)構(gòu)的密度、比表面積和集合狀態(tài)也產(chǎn)生許多影響。有研究指出，對充分交聯(lián)的Resole和Novolak進行熱解炭化，若在惰性氣氛中，兩者的熱解炭的比表面積均<1m2/g，而若在含1.5% O2的氣氛中，則前者熱解炭的比表面積<10m2/g，后者熱解炭的比表面積<6m2/g�？梢娫谟醒鯕夥盏沫h(huán)境中，熱解炭結(jié)構(gòu)的比表面積遠大于隋性氣氛中的熱解炭，密度比較低[1]。
作為耐燒蝕材料是酚醛熱解炭材的最主要應(yīng)用領(lǐng)域。耐燒蝕材料主要用于航空航天工業(yè)，這些典型的高熱環(huán)境需要采用相應(yīng)的防護措施，以保證飛行器的正常飛行。
對于上述的苛刻環(huán)境，目前采用的熱防護方法有吸熱法，輻射型防熱法和燒蝕法[2]。而燒蝕法具有明顯的優(yōu)越性，其吸熱效果遠高于其他方法。
燒蝕材料目前廣泛使用的是以聚合物為基體的復(fù)合材料，這是因為，除上述的吸熱效果外，聚合物基材料還具有如下特點：聚合物相比無機物，耐熱沖擊性優(yōu)良，力學(xué)強度高，相對密度低，隔熱性好。相應(yīng)的聚合物基燒蝕材料，密度也低，導(dǎo)熱系數(shù)小，比熱高，而且能控制聚合物分解產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物，在所用聚合物中以酚醛樹脂為主。后者之碳/碳復(fù)合材料、炭泡沫都是卓越的耐燒蝕材料。燒蝕性能的評價可用燒蝕速率A•R和燒蝕性能指數(shù)API表征。酚醛樹脂的A•R值為0.11mm/s，其API值為0.56mm/s2，均好于環(huán)氧樹脂、有機硅樹脂等[3]。
酚醛樹脂炭化制成的炭材料除用于耐燒蝕材料領(lǐng)域外，還可以在許多功能性領(lǐng)域中應(yīng)用，如高吸附、高分離性材料，高導(dǎo)電材料，高導(dǎo)熱材料，高耐腐材料等領(lǐng)域。具體制品主要有碳/碳復(fù)合材料，活性炭纖維，炭泡沫，炭(質(zhì))氣體分離膜，炭電極，玻璃炭，木陶瓷等。以下將分別對這些新的應(yīng)用加以綜合介紹。
1碳/碳復(fù)合材料
碳/碳復(fù)合材料是高性能復(fù)合材料中的突出代表，它以碳纖維作為增強材料，以碳素為基體構(gòu)成。碳/碳復(fù)合材料的主要特性為：低密度、高比強度、高比模量、耐高溫、抗熱震性優(yōu)良。這類高性能復(fù)合材料主要用于航空、航天及軍事領(lǐng)域。以酚醛樹脂熱解碳為基體的碳/碳復(fù)合材料因其性能卓越而成為最重要的類型之一。
碳，碳復(fù)合材料的碳基體除應(yīng)具有高殘?zhí)悸屎腿菀捉䴘n炭纖維外，還應(yīng)滿足以下要求[4]：
1)基體的炭化收縮不應(yīng)該破壞纖維骨架。
2)樹脂熱解過程中所形成的氣孔須是開孔，以便實現(xiàn)以后的致密化(反復(fù)浸漬和炭化)，使密度提高，力學(xué)性能上升。
3)樹脂基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度不應(yīng)低于分解炭化溫度太多，否則將使材料在有彈力狀態(tài)下炭化，熱解氣將使氣孔爆炸。
酚醛樹脂基體符合上述要求，現(xiàn)已成為最重要的基體炭的先驅(qū)體。其與某些樹脂前驅(qū)體炭化率的比較見表1。雖然酚醛樹脂的炭化率并非最高，但因其所制炭基體的經(jīng)濟及技術(shù)綜合指標突出，故而成為最重要的基體炭的先驅(qū)體之一。
表1 各種樹脂前驅(qū)體的炭化率
常用的酚醛樹脂品種有B階段的鋇酚醛、氨酚醛、鉬酚醛以及硼酚醛等。還有一種芳烷基酚醛(新酚樹脂)，它是以苯酚和對苯二甲醇(PXG)在催化劑作用下反應(yīng)制得，由于PXG活性較高，因此合成條件溫和，此種樹脂有良好的工藝性和高達70%的殘?zhí)柯省?/SPAN>
2石墨/酚醛炭復(fù)合材料
石墨具有良好的導(dǎo)熱性、潤滑性和耐腐蝕性，在無氧環(huán)境下也有卓越的熱穩(wěn)定性，所以與具有高殘?zhí)柯实姆尤渲M合的復(fù)合塑料再經(jīng)高溫炭化制成的碳/碳復(fù)合材料有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，尤其適宜電刷等導(dǎo)電制品，軸承等滑動密封制品，化工熱交換器，燃氣脫硫器以及核反應(yīng)器部件，火箭部件等的制造。
石墨/酚醛炭復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，根據(jù)所用酚醛樹脂的類型而分為3種工藝，分別稱為液體浸漬法，粉體混合法和熔體噴附法。成型是在制品的模具中完成，方式有模壓、擠壓或等靜壓，溫度則選定室溫或60～80℃的中溫。成型后緩慢梯步升溫至180～200℃進行熱處理交聯(lián)固化。特殊情況也可選定高溫熱壓成型并連續(xù)于160～180℃下交聯(lián)固化。
浸漬法是最主要的工藝路線。典型的浸漬用酚醛樹脂液的技術(shù)要求列于表2中。
表2 浸漬用酚醛樹脂液的技術(shù)指標
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