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酚醛树脂的固化动力学研究

张超  
【摘要】: 热塑性酚醛树脂粉末作为结合剂,可以提供高黏结强度,提高机械性能和耐磨性,被广泛应用于不同硬度的砂轮的生产中。目前,该类树脂的固化工艺在工业生产中比较紊乱,一直没有一个确定、合理的固化工艺,对其的固化动力学的研究,可以对树脂的固化过程进行全面的分析,对树脂的固化行为进行描述,从而为其在砂轮制作中的固化成型工艺提供一定的理论依据。 根据非等温差示扫描量热曲线,通过化学热反应动力学方法对酚醛树脂的固化动力学进行了研究。采用模型拟合法,求解了固化反应动力学参数,结合n级模型和自催化模型进行了研究,运用分段拟合法建立了准确的固化动力学模型。研究结果表明,固化反应前中期遵循自催化反应机理,固化后期符合n级反应模型,反应受扩散控制影响不明显。模型拟合曲线与实验数据十分吻合,证实了分段拟合模型的准确性。研究还发现,Crane方程所求的反应级数不能准确描述此树脂体系的固化行为,并创新型采用线形拟合法求出反应级数。 采用非模型拟合法计算得到了固化速率及活化能与固化度的关系曲线,对此树脂体系的固化反应阶段及固化行为进行了分析。结果表明,固化反应分为凝胶化,交联和扩散三个阶段,其中扩散效应比较微弱;对Friedman, Flynn-Wall-Ozawa, Kissinger-Akahira-Sunose三种方法的计算结果进行比较发现,Friedman法有偏差,而后两种方法的结果十分接近,并能对固化行为进行准确的反映。等温固化行为的预测结果显示,非模型拟合法能很好的预测等温条件下固化度与固化时间的曲线,模型拟合法预测能力较弱。 在已建立的酚醛树脂的固化反应动力学的理论研究的基础上,通过红外光谱对树脂固化前后的结构进行了表征,可以发现,固化反应过程中酚环的对位活性点优先反应,固化后,酚醛树脂中芳环与亚甲基的连接以o-p'为主,存在少量的甲亚胺键,没有苯并噁嗪。最后,对树脂的固化工艺进行了研究,并通过热稳定性能分析、力学性能测试和磨削性能测试,分析了此酚醛树脂在金刚石砂轮中的应用能力,结果表明,此树脂耐磨性优良,磨削比高于“2123”树脂,是一种良好的树脂结合剂。


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