基于多聚甲醛的酚醛树脂液合成研究.docx

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基于多聚甲醛的酚醛树脂液合成研究

2016届毕业生

毕业论文

题目:

基于多聚甲醛的酚醛树脂液的合成研究

院系名称：

材料科学与工程专业班级：

高材1202

学生姓名：

孟辕学号：

201226910613

指导教师：

彭进教师职称：

教授

2016年5月28日

摘要

目前越来越多的厂家采用多聚甲醛等代替甲醛水溶液合成酚醛树脂。

本课题就酚醛树脂的绿色化合成进行了针对性的研究，深入研究了使用多聚甲醛代替甲醛溶液合成酚醛树脂液的可能性，研究了不同配比、合成温度、合成时间等对树脂液性能的影响。

对合成出来的酚醛树脂液进行了黏度测量、固含量测定、红外分析、热重分析、以及粘接实验。

对影响酚醛树脂液黏度，固含量的因素进行了分析。

发现多聚甲醛代替普通工业甲醛水溶液，合成的酚醛树脂液固含量高，基本超过70%，在高固体甲醛含量的样品中，固含量可以稳定在80%以上。

相对于使用工业甲醛水溶液，使用多聚甲醛可合成较高黏度酚醛树脂的用时更少。

关键词：

多聚甲醛酚醛树脂液胶粘剂性能测定

Thesynthesisofliquidphenol-formaldehyderesinbaseonpoly-formaldehyde

Abstract

Sofar,therearemanymanufacturerstosyntheticphenol-formaldehydebypoly-formaldehydeinsteadofformaldehydesolution.Oursubjectistomakeadeepstudyingreenchemicalcombinationofphenol-formaldehyde.Inthissubject,westudyhowtousepoly-formaldehydetosynthesizeliquidphenol-formaldehydethroughstudyingthedifferentimpactsoftheratio、thetemperatureandthesynthetictime.Alotofexperimentsdesignedingroups,bythedifferentratio、temperatureandsynthetictime.Intheexperiments,wetestedviscositymeasurement、solidcontent、infraredanalysis,、thermogravimetricanalysisandbondingexperimentoftheliquidphenol-formaldehyde.Wefoundthatthesolidcontentviscositycanbeimprovedto70%-80%,andtheviscosityalsocanbeimprovedmuchwhenpoly-formaldehydeinsteadofformaldehydesolution.

Keywords:

Poly-formaldehyde、phenol-formaldehyde、resinadhesive、performancemeasurement

1引言1

1.1酚醛树脂1

1.1.1酚醛树脂的性能1

1.1.2酚醛树脂的应用1

1.1.3酚醛树脂合成条件与废水处理问题2

1.2目前酚醛树脂绿色化生产主要问题，及本实验采用方法2

1.2.1多聚甲醛性质3

1.2.2多聚甲醛应用3

2实验部分4

2.1实验原料4

2.2实验仪器4

2.3实验操作5

2.3.1酚醛树脂液的制备5

2.3.2多聚甲醛合成酚醛树脂反应条件对产物影响的探究5

3性能检测6

3.1黏度检测6

3.2固含量检测6

3.3红外检测6

3.4热重分析测试7

3.5粘接强度拉伸测试7

4实验结果分析8

4.1粘度及固含量分析8

4.2红外分析12

4.3热重分析13

4.4黏接分析14

结论17

致谢18

参考文献19

1引言

1.1酚醛树脂

1.1.1酚醛树脂的性能

酚醛树脂为无定形聚合物，根据合成原料与工艺的不同，可以得到不同种类的酚醛树脂，其性能差距也比较大。

总的来说酚醛树脂有如下共同的特点：

（1）强度与弹性模量都比较高长期经受高温后的强度保持率高使用温度高。

但质脆，抗冲击性能差，需要加入填充增强剂，加入有机填充物的使用温度为140℃，无机填充物的使用温度为160℃，玻璃纤维和石棉填充的最高使用温度可达190℃。

（2）酚醛树脂耐化学药品腐蚀的性能很好，可耐有机溶剂和弱酸弱碱，但对于浓硫酸、硝酸、强碱、及强氧化性的化合物的腐蚀性难以承受。

（3）酚醛树脂的电绝缘性较好，有较高的电阻，所以是一种优良的工频绝缘材料，但其介电常数比较大。

此外酚醛树脂的电性能会受到所处环境的温度及湿度的影响，特别是含水量达到5％时，酚醛树脂的电性能会迅速下滑。

（4）由于树脂结构中含有许多酚基，所以吸水性较大。

吸湿后制品会膨胀，产生内应力，出现翘曲现象。

1.1.2酚醛树脂的应用

酚醛树脂虽然是十分传统的一种热固性树脂，但由于它原料易得，合成方便，以及树脂固化后能够满足许多使用要求，因此在工业上仍然有很广泛的应用。

用酚醛树脂制得的复合材料耐热性能高，能在150℃到200℃的范围内长期使用，并且具有吸水性小，电绝缘性能好，耐腐蚀，尺寸精确和稳定等等特点。

它的耐烧蚀性能好，比环氧树脂、聚酯树脂及有机硅树脂胶都要好。

因此，酚醛树脂复合材料已广泛的在电机、电气及航天航空工业中用作绝缘以及耐烧蚀材料。

本文研究的多聚甲醛合成酚醛树脂液主要用途是用作胶黏剂，由于其耐热性能好，黏结强度高，耐老化，性能全，能满足各种不同条件适用的要求，所以在国民经济的各领域中都得到了广泛的应用。

1.1.3酚醛树脂合成条件与废水处理问题

合成水溶性酚醛树脂是在NaOH为催化剂的条件下聚合，是由甲醛与苯酚的加成反应和加成产物——多元羟甲基酚间进一步缩聚进行的,。

产物主要是取代酚缩聚的二聚体以及三聚体,如图1所示。

图1.水溶性酚醛树脂示意图

增加反应单体甲醛的量，会使苯环上的多元羟甲基化反应增加。

因此,为了得到水溶性好而且活性交联基团多的产物,采取了醛/酚摩尔比为2/1，并使用NaOH为催化剂；

在反应结束后不必加入酸进行中和,以保证产物良好的的水溶性。

在低于90℃的温度下反应时，甲醛与苯酚的加成反应速率较多元羟甲基酚缩聚反应速率要大得多。

因此,为了使羟甲基化更加充分,首先让酚和醛在较低的温度下以及强碱的催化条件下，生成单核多元取代物和一小部分的聚合度很低的酚醛树脂缩聚物预聚体。

之后再在较高温度下继续反应,使酚醛树脂预聚体之间再进一步充分缩合,得到聚合度与黏度都比较高的酚醛树脂液。

一般这样的反应结束后往往都会进行真空脱水等后续的处理，这便造成了合成酚醛树脂不可避免的废水处理问题。

这也是本次课题将要解决的问题。

1.2目前酚醛树脂绿色化生产主要问题，及本实验采用方法

目前酚醛树脂合成污染主要源头为工业生产时产生的废水排放，故在合成过程中减少反应体系中含水量，可大大减少废水处理量，并将有效减少脱水的能耗。

多聚甲醛在碱性条件下会逐渐释放出甲醛单体，参与酚醛树脂的合成反应，这样反应最终产生的废水远远小于直接使用工业甲醛水溶液合成酚醛树脂。

有利于酚醛树脂的绿色环保生产。

多聚甲醛的使用可以很好的满足这样的需求。

1.2.1多聚甲醛性质

低聚合度多聚甲醛代替普通工业甲醛水溶液，在合成农药、合成树脂、涂料及制取熏蒸消毒剂等多种多样的甲醛下游产品中，既可减少脱水的能耗，又可大大减少废水处理量，这是一项利国利民绿色环保工程。

低聚合度多聚甲醛因其较工业甲醛有效成分高，是固体颗粒，有利于化工、制药等化学合成及其他工业领域的应用，特别是在要求使用无水甲醛作原料的合成方面，用途广泛。

1.2.2多聚甲醛应用

多聚甲醛为固体状态的甲醛聚合物，呈固体颗粒状、在贮存和运输方面呢有着先天的优势。

在碱性条件下会变成甲醛单体，易于代替高浓度甲醛参与各种反应，有利于化工、制药等化学合成及其他工业领域的应用，特别是在要求使用无水甲醛作原料的合成方面，用途广泛。

主要有以下几方面

（1）农药：

合成乙草胺、丁草胺和草甘膦等；

（2）涂料：

合成高档汽车用漆；（3）树脂：

合成脲醛树脂、酚醛树脂、聚缩醛树脂、蜜胺树脂、离子交换树脂等及各种粘合剂；（4）养殖业：

薰蒸消毒剂（5）铸造：

翻砂脱膜剂、合成铸造粘合剂；（6）造纸：

合成纸张增强剂；。

（7）有机原料：

用于制备季戊四醇、三羟甲基丙烷、甘油、丙烯酸、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸、N－羟基甲基丙烯酰胺、烷基苯酚、甲基乙烯基酮等。

（8）其他：

医药及消毒。

3.用作灭菌剂、消毒剂、熏蒸剂。

用于有机合成，制药工业。

2实验部分

2.1实验原料

本实验所用到的药品如下表所示。

表1实验所用到的原料、纯度和产地

实验试剂

纯度

厂家

多聚甲醛

99.5%

阿拉丁

甲醛溶液

分析纯37.0%-40%

西陇化工股份有限公司

苯酚

99.0%

天津市风船化学试剂科技有限公司

氢氧化钠

分析纯

天津市恒兴化学试剂制造有限公司

乙二醇

分析纯

上海华彭实业有限公司

溴化钾

分析纯

天津市科有限公司密欧化学试剂

2.2实验仪器

本实验所用到的仪器如表2所示

表2.实验所用到的仪器、型号及产地

仪器

型号

产地

电热鼓风干燥箱

101型—2A

北京中兴伟业仪器有限公司

真空干燥箱

————

上海一恒科学仪器有限公司

微机差热天平

WCT—2C

北京光学仪器厂

微机控制电子万能试验机

WDW-50

济南永科实验仪器有限公司

旋转粘度计

NDJ-1

天津市津安瑞仪器仪表有限公司

精密增力电动搅拌器

JJ-1

江苏金坛市双捷实验仪器厂

红外快速干燥器

WS70-1

上海市吴淞五金厂

电热恒温水浴锅

HHS

天津市华北实验仪器有限公司

傅里叶红外光谱仪

IRPrestige-21

岛津

此外，本实验使用到的仪器还有：

250ml三口烧瓶、一次性纸杯、橡胶塞、玻璃塞、PH试纸、温度计、冷凝管、500ml烧杯、手套、胶头滴管、50ml烧杯、玻璃棒、口罩、胶管、剪刀、布基、木板、天平、研钵等。

2.3实验操作

2.3.1酚醛树脂液的制备

第一步:

多聚甲醛的解聚，在三口瓶中加入适量的多聚甲醛与甲醛溶液，在水浴锅中升温至60℃，加入氢氧化钠，调节pH至9-10，开启搅拌器，待多聚甲醛溶解。

第二步：

加入苯酚，反应1至2小时（澄清淡黄色溶液）；调节水浴至70℃，反应1至2小时（澄清橘黄色溶液），调节水浴至80℃反应1至2小时（澄清橘红色溶液）；调节水浴温度至85摄氏度反应2至3小时（澄清酒红色溶液），反应结束。

在密闭容器中保存式样，降至室温，留待检测。

其中当多聚甲醛含量达到一定程度时，第一步无法，完全溶解，可将其与第二步合并，并增加60℃时的反应时长，以确保多聚甲醛的充分解聚，使得实验结果更加可靠。

2.3.2改变多聚甲醛合成酚醛树脂反应条件对产物影响的探究

实验探究的下一步是在上一部分实验的基础上，调整多聚甲醛合成酚醛树脂液各阶段的反应条件，探究各个反应条件对多聚甲醛合成酚醛树脂液的性能有怎样的影响。

（1）改变反应中多聚甲醛含量，并对产物进行分析测试，总结不同配比对酚醛树脂液性能的影响。

（2）改变醛酚比，对产物进行分析，总结多聚甲醛在聚合过程中对酚醛树脂液性能改变起到的作用。

（3）改变各阶段反应时长，并对产物进行分析测试。

总结不同反应时间对酚醛树脂液性能的影响。

3性能检测

3.1黏度检测

酚醛树脂液的黏度与其分子结构与分子量有很大关系。

一般来说，分子量越大，分子链交联程度越高，则黏度越高。

其中固含量的大小对黏度也有很大的影响。

实验条件：

在室温下，使用旋转粘度计对酚醛树脂液的黏度进行测量，选用适合测定较低粘度的1号转子，使用烧杯量取足够的酚醛树脂（浸没整个1号转子）并转动20至50秒，以减少误差。

记录数据，整理分析。

3.2固含量检测

酚醛树脂液的固含量与产物中的大分子有关，游离的苯酚和甲醛溶液越多，则固含量越低，通过对固含量的测定，对比理论值也可以大致确定反应是否进行完全。

实验条件：

在锡箔纸准确上称取5至6克酚醛树脂，使用电热鼓风干燥箱，在120℃条件下，干燥两小时。

计算差值，整理分析。

3.3红外检测

由于酚醛树脂各种官能团均有其特征显示红外光谱吸收带，并且不同多聚甲醛配比的酚醛树脂产物可能不同，所以我们可以通过对酚醛树脂产物的红外吸收光谱来分析产物的官能团，从而进一步分析树脂产物的结构。

实验条件：

本实验采用的是溴化钾压片法。

方法：

把溴化钾晶体和酚醛树脂在红外快速干燥机中烘干。

在玛瑙研钵中先将适量的溴化钾晶体研磨成粉末，然后加入极少量被测酚醛树脂粉末，仔细研磨，并混合均匀，在液压模具中将其液压成半透明的薄片，放入傅里叶红外光谱仪中进行检测。

并对谱图进行分析。

3.4热重分析测试

聚合物的热稳定性常用热重曲线、DTG、DTA联合分析。

TG可以用于快速简便的分析聚合物中各种添加剂和杂质。

可以通过热重曲线分析出酚醛树脂的热稳定性能。

实验条件：

材料固化后研磨成粉末，无保护气（空气中），升温速率10ºC/min，最高温度升至650ºC。

3.5粘接强度拉伸测试

通过用微机控制电子万能试验机对黏结在一起布基的进行剪切力的拉开试验，通过测量拉开两个布基所用的力来判断黏结的性能，从而判断酚醛树脂液的黏结性能。

拉开两个布基所需要的力越大，则说明该酚醛树脂液的黏结性能好。

实验条件：

分别在70℃一小时、80℃一小时、100℃一小时、120℃两小时固化后的标准布基粘接条。

计算黏结面断开时，剪切力大小。

4实验结果分析

4.1粘度及固含量分析

对于使用固体甲醛进行合成酚醛树脂液，本实验采用了较低的醛/酚摩尔比，分别为1.2/1；1/1进行了合成实验。

在相同反应条件下：

第一步:

多聚甲醛的解聚，在四口瓶中加入适量的多聚甲醛与甲醛溶液，在水浴锅中升温至60℃，加入氢氧化钠，调节pH至9-10，开启搅拌器，反应一个小时使多聚甲醛溶解。

第二步：

加入苯酚，反应1小时（澄清淡黄色溶液）；调节水浴至70℃，反应1小时（澄清橘黄色溶液），调节水浴至80℃反应1小时（澄清橘红色溶液）；调节水浴温度至85摄氏度反应3小时（澄清酒红色溶液），反应结束。

粘度及固含量数据如下：

表3A系列配方

苯酚/g

多聚甲醛/g

甲醛溶液/g

醛/酚

固体甲醛比重/%

黏度/cp

固含量/%

94g

7.2g

77.8g

1.2

20%

167

78.49%

94g

10.8g

68.1g

1.2

30%

346

81.29%

94g

14.4g

58.4g

1.2

40%

410

76.25%

94g

18g

48.6g

1.2

50%

470

74.47%

94g

21.6g

38.9g

1.2

60%

570

81.96%

94g

25.2g

29.2g

1.2

70%

790

83.40%

表4.B系列配方

苯酚/g

多聚甲醛/g

甲醛溶液/g

醛/酚

固体甲醛比重/%

黏度/cp

固含量/%

94g

64.8g

20%

68.57%

94g

56.7g

30%

72.30%

94g

12g

48.6g

40%

200

71.02%

94g

15g

40.5g

50%

310

74.63%

94g

18g

32.4g

60%

420

78.49%

94g

21g

24.3g

70%

630

81.86%

由上表可以看出随着多聚甲醛用量的增加，实验合成酚醛树脂液的黏度也随之有了极大的提升。

由此可以看出多聚甲醛的使用使得生产高黏度的酚醛树脂液的时间有了极大的缩减，大大降低了生产酚醛树脂液的生产能耗。

酚醛树脂液固含量基本保持在70%以上，在固体甲醛/苯酚摩尔比大于0.65时酚醛树脂液的固含量可以保持在80%以上，可以极大减少脱水时的废水排放。

图2B1,B6色泽对比

从合成出来的酚醛树脂液的色泽来观察，就会发现高固体甲醛比重的酚醛树脂液明显色泽更为明亮。

这说明酚醛树脂中苯酚的氧化有效减少，更多的参与反应，生成了酚醛树脂。

这与酚醛树液的黏度脂随多聚甲醛比重增加而增加的现象一致。

由B1、B6可看出酚醛树脂液有近10%的提升，在相同反应时间下黏度提升十分显著。

极大减少了真空脱水量。

以上的实验说明了，在酚醛树脂聚合时使用多聚甲醛替换甲醛溶液是可行的，并成功实现了短时长、损耗低、高聚合度等多方面有点。

为了进一步了解酚醛树脂液聚合过程中，各个温度所对应反应时长对多聚甲醛合成酚醛树脂液的影响。

接下来的试验中以B5配方为例，对不同温度的反应时间进行了不同的调整，

结果如下：

表6C系列配方

60℃/h

70℃/h

80℃/h

85℃/h

黏度/cp

固含量/%

0.5h

214

78.49%

320

81.29%

246

76.25%

224

74.47%

以上数据不难看出增加80℃与85℃的反应时长，可以更有效的提高酚醛树脂的聚合度，从而提高树脂液的黏度。

而60℃与70℃反应时长对聚合影响并未能在以上的实验数据中体现出来。

但是即便如此也不可以为了反应缩短时间，减少能耗而降低60℃与70℃的反应时长。

如下图：

图3C4、C1脱水烘干后结晶（左C4\右C1）

但从树脂液脱水烘干后的结晶可以分析出:

60℃至70℃为多聚甲醛解聚过程，若解聚不完全，就会存在小分子多聚甲醛，导致酚醛树脂分子链结构不均，从而导致结晶不透明，且易碎。

保证多聚甲醛的解聚，可以使后阶段聚合更有效率，从而提升酚醛树脂液的产品质量。

以上实验结果表明，在提高多聚甲醛含量时还需要注意延长多聚甲醛的解聚反应时间是必要的，这样才能保证合成的酚醛树脂液的质量与性能。

4.2红外分析

下图为A1、B1的酚醛树脂的FT-IR谱图。

图4A1、B1酚醛树脂FT-IR图

3352cm-1处出现的吸收带是缔合羟基伸缩振动吸收峰；

1608cm-1处出现的是苯环骨架特有的C=C伸缩振吸收动峰；

1212cm-1处出现的酚上的—CO—伸缩振吸收动峰；

1016cm-1处出现的羟甲基的C—O伸缩振吸收动峰；

1147cm-1处出现的苯环和羟甲基连接的C—C伸缩振动峰；

760cm-1和787cm-1处分别出现对应于二取代苯和三取代苯的—CH—面外弯曲振动峰,但是吸收峰很弱,说明2取代苯和3取代苯的产物很少；

884cm-1处为对应于1、2、4、6四取代苯的—CH—面外弯曲振动峰，说明合成产物中苯环的1、2、4、6位已经被取代；

2920cm-1处为脂肪族—CH2—的不对称伸缩振动吸收峰。

1500～1400cm-1的吸收峰是—CH2—基团中—CH—键的变形振动特征吸收谱带。

1055cm-1处是二苄基醚的吸收峰,但是该吸收峰很不明显,说明多聚甲醛合成的酚醛树脂液产物中醚键很少,这也基本符合了酚醛树脂中苯环依靠醚键连接的情况很少出现的理论

4.3热重分析

聚合物的热稳定性常用热重曲线、DTG、DTA联合分析。

TG可以用于快速简便的分析聚合物中各种添加剂和杂质。

可以通过TG与DTA曲线分析出多聚甲醛合成的酚醛树脂的热力学性能。

下图为B6号多聚甲醛合成酚醛树脂液的分析结果。

图5B6酚醛树脂液TG曲线

根据酚醛树脂的TG与DTA曲线,酚醛树脂在30～650℃的质量损失基本可划分为3阶段。

1）30～240℃。

在这个范围内质量损失约为0.01mg/min,质量损失率为7.64%。

这一阶段酚醛树脂质量损失的主要原因可能是是树脂中固化后残存的水蒸发。

还有残存少量单体使得酚醛树脂进一步缩合。

2）240～439℃。

在此阶段,酚醛树脂的质量损失速率稍有降低后又迅速增加,并在370℃达到最大值,为0.26mg/min。

此阶段是酚醛树脂结晶化的主要温度,大量放热，质量损失率23.99%。

。

3）440～650℃在此阶段,酚醛树脂快速失重，522℃达到失重最大值0.40mg/min，此阶段失重达到36.10%。

此阶段酚醛树脂快速氧化分解，先大量放，后吸热

图6B6酚醛树脂液DTA曲线

4.4黏接分析

对酚醛树脂胶粘剂来说，黏结强度是衡量胶粘剂质量的重要检测标准，本实验对A系列（醛酚比1.2）与B系列（醛酚比1）的酚醛树脂液，分别进行了黏结固化后的黏结面断裂剪切力测试。

因为本实验为水溶性酚醛树脂胶粘剂，不适合于金属基粘接此次粘接实验，使用布基材料进行粘接实验。

布基粘接过程中分别测试了不同粘接面积900mm2、600mm2、300mm2、150mm2，结果900mm2、600mm2、300mm2的布基粘接样条，均为布基破坏，无法得到黏结面断开时的剪切应力。

在黏结测试中，影响实验结果的客观因素较多，布基表面质地均匀程度、胶粘剂涂抹厚度、固定夹对胶粘剂分布影响、都会对实验结果产生各种影响，使得实验结果有较大的差异，结果不够稳定，只能在布基黏结过程中尽量使其一致，进而减少实验误差，但实际结果并不理想同组数据间，仍有较大差别。

只能在分析结果中尽量寻找原因。

150mm2布基样条测试结果如下表：

表7A系列拉伸试验

编号

黏结面积

150mm2

黏结厚度

1mm

断裂时受力/KN

1.01

0.82

0.7

0.62

1.13

1.08

断裂时受力/KN

0.82

0.8

0.85

0.87

0.9

0.77

平均受力/KN

0.915

0.81

0.775

0.745

1.015

0.925

平均剪切强度/MPa

6.1

5.4

5.2

4.9

6.7

6.1

表8B系列拉伸试验

编号

黏结面积

150mm2

黏结厚度

1mm

断裂时受力/KN

1.18

0.67

0.95

0.90

1.10

1.16

断裂时受力/KN

0.91

0.86

1.11

0.82

1.02

1.01

平均受力/

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