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酚醛树脂应用六炭化
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//www.lgmi.com 发表日期：2013-9-3 13:30:31
兰格钢铁 |
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酚醛树脂是热固性树脂，固化后的树脂结构有着三向网络高度交联的特点，结构主体是大比例的苯环，元素中以碳元素为主，原子间键能高，分子链间内聚力大，所以酚醛树脂有着优良的耐热性，并有着在热解后具有高残碳率和成炭结构强度高的特点。因而酚醛树脂是热解制炭材料的较理想的先驱体(炭先驱体)的物质。
酚醛树脂炭化制成的炭材料可以在许多功能性领域中应用，如耐热、耐烧蚀材料，高吸附、高分离性材料，高导电材料，高导热材料，高耐腐材料等领域。具体制品主要有碳/碳复合材料、活性碳纤维、碳泡沫、碳(质)气体分离膜、碳电极、玻璃碳、木陶瓷等。
欲获得高残碳率，酚醛树脂必须在惰性气氛中进行高温炭化。氧的存在，使得许多碳原子被氧化，致使残碳率大大降低，图10-1为不同相对分子质量酚醛树脂分别在惰性气体及含氧气体中炭化时的残碳率对比。
氧的存在对残碳结构的密度、比表面积和集合状态也产生许多影响。有研究指出，对充分交联的Resole和Novolak进行热解炭化，若在惰性气氛中，两者的热解炭的比表面积均<1m2/g，而若在含1.5%O2的气氛中，则前者热解炭的比表面积<10m2/g，后者热解炭的比表面积<6m2/g。可见在有氧气氛的环境中，热解炭结构的比表面积远大于惰性气氛中的热解炭，密度比较低。
作为耐烧蚀材料，无疑是酚醛热解碳材的最主要应用领域。耐烧蚀材料是航空航天领域不可缺少的材料，当航天飞行器(导弹、火箭、飞船等)以超高音速冲出大气和返回地面时，在气动加热下，其表面温度可达1000～5000℃；固体火箭发动机工作时，燃烧室压强可达200个大气压(近20MPa)，产生近4000℃的高温，燃气在喷喉处的流速达1马赫数。这些典型的高热环境需要采用相应的防护措施，以保证飞行器的正常飞行。
对于上述的苛刻环境，采用的热防护方法有以下三种：(1)吸热法，该法采用比热容大、导热性好的金属，如铜、铍及其合金，但这类材料过去用在导弹弹头上，因高温下易熔融变形，性能不好，现已淘汰；(2)辐射型防热法，该法是以高辐射和低吸收为特征，在高热流的情况下，应用受到限制；(3)烧蚀法，该法足以损耗材料自身来吸收大量的热量，从而防止热传导到材料的内部结构中去，这是目前应用最广泛的防热方法。
烧蚀法具有明显的优越性，其吸热效果远高于其他方法。在烧蚀法中，纤维增强塑料的吸热效果最显著。烧蚀材利目前广泛使用的是以聚合物为基体的复合材料，这是因为，除上述的吸热效果外，聚合物基材料还具有如下特点：聚合物相比于无机物，耐热冲击性优良，机械强度高，相对密度低，隔热性好。相应的聚合物基烧蚀材料，密度也低，热导率小，比热容高，而且能控制聚合物分解产生的气体产物，在所用聚合物中以酚醛树脂为主。
后述之碳/碳复合材料、碳泡沫都是卓越的耐烧蚀材料。烧蚀性能的评价可用烧蚀速率A•R和烧蚀性能指数API表征。酚醛树脂的A•R值为0.11mm/s，其API值为0.56mm/s2，均好于环氧树脂、有机硅树脂等。 |
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