Thermal Stability and Cure Behavior of Waterborne Phenol-Formaldehyde Resin

수용성 페놀-포름알데히드 수지의 열안정성 및 경화거동

In this work, the effect of cure temperature and time on the thermal stability and the exothermic cure reaction peak of a waterborne resol-type phenol-formaldehyde resin, which may be used for preparing phenolic sheet molding compounds (SMC), has been investigated using a thermogravimetric analyzer and a differential scanning calorimeter. The weight loss of waterborne phenol-formaldehyde resin was mainly occurred at three temperature stages: near $200^{\circ}C,\;400^{\circ}C$, and $500^{\circ}C$. The carbon yield at $750^{\circ}C$ for the cured resin was about 62%~65%. Their thermal stability increased with increasing cure temperature and time. Upon cure, the exothermic reaction was taken placed in the range of $120^{\circ}C{\sim}190^{\circ}C$ and the maximum peak was found in between $165^{\circ}C$ and $170^{\circ}C$. The shape and the maximum of the exothermic curves depended on the given cure temperature and time. To remove $H_2O$ and volatile components, the uncured resin needed a heat-treatment at $100^{\circ}C$ for 60 min at least prior to cure or molding. Curing at $130^{\circ}C$ for 120 min made the exothermic peak of waterborne phenol-formaldehyde resin completely disappeared. And, post-curing at $180^{\circ}C$ for 60 min further improved the thermal stability of the cured resin.

본 연구에서는 페놀수지 SMC 제조에 사용되는 수용성 레졸형 페놀-포름알데히드 수지의 열안정성과 경화 발열반응 피크의 변화에 미치는 경화온도 및 경화시간의 영향을 열중량분석기와 시차주사열량계를 사용하여 조사하였다. 수용성 페놀-포름알데히드 수지의 중량감소는 주로 $200^{\circ}C,\;400^{\circ}C$ 그리고 $500^{\circ}C$ 부근에서 세 단계로 발생하였다. 경화된 수지의 $750^{\circ}C$에서 탄화수율은 약 62%~65%이었다. 수용성 페놀수지의 열안정성은 경화온도와 경화시간이 증가할수록 증가하였다. 경화시 발열반응은 약 $120^{\circ}C{\sim}190^{\circ}C$ 사이에서 진행되며, 발열피크의 최대점은 약 $165^{\circ}C{\sim}170^{\circ}C$ 사이에서 관찰되었다. 발열반응 곡선의 형태와 발열피크의 최대점은 주어진 경화온도와 경화시간에 의존하였다. 경화되지 않은 수지에 포함되어 있는 $H_2O$ 및 휘발성분을 제거하기 위하여 경화 또는 성형 전에 적어도 $100^{\circ}C$ 이상에서 약 60분 이상의 열처리가 요구되었다. $130^{\circ}C$에서 120분 동안의 경화는 수용성 페놀-포름알데히드 수지의 발열피크를 사라지게 하며, $180^{\circ}C$에서 60분 동안이 후경화는 수지의 열안정성을 더욱 향상시켜 주었다.