酚醛树脂,原为无色或黄褐色透明物,市场销售往往加
着色剂而呈红、黄、黑、绿、棕、蓝等颜色,呈颗粒或粉末状。耐弱酸和弱碱,遇强酸发生分解,遇强碱发生腐蚀。不溶于水,溶于
丙酮、酒精等
有机溶剂中。由苯酚醛或其衍生物缩聚而得。
研究简史
酚醛树脂的生产和使用会给环境带来一定程度的污染,影响整个生态环境,然而注意或加强治理污染,包括废水处理和废旧酚醛树脂产品及其
复合材料的循环利用,可使酚醛树脂健康而快速发展。
最新发展
有关酚醛树脂的开发和研究工作,主要围绕着增强、阻燃、低烟以及成型适用性方面开展,向功能化、精细化发展,各国科学家部以高附加值的酚醛树脂材料为研究开发对象。
环保新树脂
新酚醛树脂为
高分子化合物,是由苯酚和芳烷基醚通过缩合反应而产生的。新酚醛树脂具有良好力学性能、耐热性能,广泛应用于金刚石制品、砂轮片制造等行业.新酚醛树脂粘结力强,
化学稳定性好,耐热性高,硬化时收缩小,制品尺寸稳定。粘结强度比酚醛树脂提高20%以上,耐热性提高100℃以上。新酚醛树脂制品可在250℃下长期使用,制品耐湿耐碱。
新酚醛树脂可作为金刚石砂轮的结合剂,使用方法为: 新酚醛树脂与酚醛树脂按1 :3混合使用,不仅提高了酚醛树脂的强度,还提高了耐热性和磨削比。如单独使用新酚醛树脂,砂轮的寿命是酚醛树脂8倍,在生产工艺上比酚醛树脂制品强度高出约30%,磨削效果也有提高。
理化性质
固体酚醛树脂为黄色、透明、无定形块状物质,因含有游离酚而呈微红色,实体的比重平均1.7左右,
易溶于醇,不溶于水,对水、弱酸、弱碱
溶液稳定。由苯酚和
甲醛在催化剂条件下缩聚、经
中和、水洗而制成的树脂。因选用催化剂的不同,可分为热固性和热塑性两类。酚醛树脂具有良好的耐酸性能、力学性能、耐热性能,广泛应用于防腐蚀工程、
胶粘剂、阻燃材料、砂轮片制造等行业。
液体酚醛树脂为黄色、深棕色液体,如:碱性酚醛树脂主要做铸造黏结剂。
制备方法
合成原理
缩合反应不断进行的结果是缩聚形成一定分子量的酚醛树脂,由于缩聚反应具有逐步的特点,中间产物相当稳定因而能够分离而加以研究。
多年来研究分析通常认为,影响酚醛树脂的合成、结构及特性的主要因素为如下四点:
(1)原料的化学结构;
(2)酚与醛的摩尔比;
(3)反应介质的酸、碱性;
(4)生产操作方法。
怎样认识加聚反应和缩聚反应
加聚反应和缩聚反应是合成有机高分子的两种基本反应。这两种反应虽然都由单体(小分子)产生高聚物(大分子)的反应,但它们还是有着本质的区别。
加聚反应是加成聚合反应的简称,是指以不饱和烃或含不饱和键的物质为单体,通过不饱和键的加成,聚合成高聚物的反应。例如,乙烯加聚成
聚乙烯,是在适当的温度、压强和催化剂存在的条件下,乙烯分子中的双键会断裂其中的一个键,发生加成反应,使乙烯分子里的碳原子结合成为很长的键。
反应的产物是聚乙烯,它是一种相对分子质量很大的化合物,其分子组成可以表示为(C2H4)n。
加聚反应根据参加反应的单体种类,又分为均聚反应和共聚反应。仅由一种单体发生的加聚反应叫做均聚反应,合成聚乙烯的反应就是均聚反应。由两种以上单体共同参加的聚合反应叫共聚反应。例如,合成
丁苯橡胶的反应即为共聚反应。
加聚反应的特点是:
(1)单体必须是含有双键等不饱和键的化合物。例如,氯乙烯、丙烯腈等含不饱和键的物质,在一定条件下,都可以发生加聚反应。
(2)加聚反应发生在不饱和键上。
(3)发生加聚反应的过程中,没有副产物产生,得高聚物的化学组成跟单体的化学组成相同。
(4)加聚反应生成的高聚物相对分子质量为单体相对分子质量的整数倍。
缩聚反应是缩合聚合反应的简称,是指单体之间相互作用生成高分子,同时还生成小分子(如水、氨、卤化氢等)的聚合反应。例如合成酚醛树脂的反应就是缩聚反应。合成酚醛树脂通常是以苯酚和甲醛为原料,在催化剂作用下,经缩聚反应而得到。
缩聚反应根据参加反应的单体种数又分为共缩聚和均缩聚,由不同种单体参加的缩聚反应称为共缩聚。如酚醛树脂的合成反应就是共缩聚,它是由苯酚和甲醛两种物质为单体的。由同种单体进行的缩聚反应称为均缩聚。如氨基酸聚合成多肽的缩聚反应就属均缩聚。
缩聚反应的特点是:
(1)单体不一定含有不饱和键,但必须含有两个或两个以上的反应基团(如—OH、—COOH、—NH2、—X等)。
(2)缩聚反应的结果,不仅生成高聚物,而且还有副产物(小分子)生成。
(3)所得高分子化合物的化学组成跟单体的化学组成不同。
由上可见,加聚反应和缩聚反应的单体结构、反应机理、产物的化学组成都是截然不同的。
实验制取
生产技术
1905~1909年L.H.
贝克兰对酚醛树脂及其成型工艺进行了系统的研究,1910年在
柏林吕格斯工厂建立通用酚醛树脂公司,实现了
工业生产。1911年J.W.艾尔斯沃思提出用
六亚甲基四胺固化热塑性酚醛树脂,并制得了性能良好的
塑料制品,获得了广泛的应用。1969年,由
美国金刚砂公司开发了以苯酚-甲醛树脂为原料制得的
纤维,随后由
日本基诺尔公司投入生产。现美国、
苏联和中国也有生产。酚醛树脂的生产至今不衰,1984年世界总产量约1946kt,居热固性树脂的首位。中国自20世纪40年代开始生产,1984年产量为77.6kt。 生产方法常用的原料为苯酚、
间苯二酚、间甲酚、
二甲酚、对叔丁基或对苯基酚和甲醛、
糠醛等。生产过程包括缩聚和脱水两步。按配方将原料投入反应器并混合均匀,加入催化剂,搅拌,加热至55~65℃,反应放热使物料自动升温至沸腾。此后,继续加热保持微沸腾(96~98℃)至终点,经减压脱水后即可出料。开发成功连续缩聚生产酚醛树脂新工艺。影响树脂合成和性能的主要因素为酚与醛的
化学结构、摩尔比和反应介质的pH。酚与醛的摩尔比大于或等于1时,初始
产物为一羟甲基酚,,缩聚时生成线型树脂;小于1时,生成多羟甲基酚衍生物,形成的缩聚树脂可交联固化。反应介质的pH小于7时,生成的羟甲基酚很不稳定,易缩聚成线型树脂;pH大于7时,缩聚缓慢,有利于多羟甲基酚衍生物的生成。生产热塑性酚醛树脂常用盐酸、磷酸、草酸作催化剂(见
酸碱催化剂)使介质pH为0.5~1.5。为避免剧烈沸腾,催化剂可分次加入。沸腾反应时间一般为3~6h。脱水可在常压或减压下进行,最终脱水温度为140~160℃,树脂
分子量为500~900。生产热固性酚醛树脂可用氢氧化钠、氢氧化钡、氨水和氧化锌作催化剂,沸腾反应时间1~3h,脱水温度一般不超过90℃,树脂分子量为500~1000。强碱催化剂有利于增大树脂的羟甲基含量和与水的相溶性。氨催化剂能直接参加树脂化反应,相同配方制得的树脂分子量较高,水溶性差。氧化锌催化剂能制得贮存稳定性好的高邻位结构酚醛树脂。
应用领域
酚醛树脂主要用于制造各种塑料、涂料、胶粘剂及
合成纤维等。
压塑粉
生产
模压制品的压塑粉是酚醛树脂的主要用途之一。采用辊压法、螺旋挤出法和乳液法使树脂浸渍填料并与其他助剂混合均匀,再经粉碎过筛即可制得压塑粉。常用木粉作填料,为制造某些高电绝缘性和耐热性制件,也用云母粉、石棉粉、石英粉等无机填料。压塑粉可用模压、
传递模塑和注射成型法制成各种塑料制品。热塑性酚醛树脂压塑粉主要用于制造
开关、插座、插头等
电气零件,日用品及其他工业制品。热固性酚醛树脂压塑粉主要用于制造高电绝缘制件。增强
酚醛塑料以酚醛树脂(主要是热固性酚醛树脂)溶液或乳液浸渍各种纤维及其织物,经干燥、压制成型的各种
增强塑料是重要的工业材料。它不仅机械强度高、综合性能好,而且可进行机械加工。以玻璃纤维、
石英纤维及其织物增强的酚醛塑料主要用于制造各种制动器摩擦片和
化工防腐蚀塑料;
高硅氧玻璃纤维和碳纤维增强的酚醛塑料是
航天工业的重要耐
烧蚀材料。
酚醛涂料 以
松香改性的酚醛树脂、丁醇醚化的酚醛树脂以及对叔丁基酚醛树脂、对苯基酚醛树脂均与桐油、亚麻子油有良好的混溶性,是涂料工业的重要原料。前两者用于配制低、中级
油漆,后两者用于配制高级油漆。
酚醛胶
热固性酚醛树脂也是胶粘剂的重要原料。单一的酚醛树脂胶性脆,主要用于胶合板和精铸砂型的粘结。以其他高聚物改性的酚醛树脂为基料的胶粘剂,在结构胶中占有重要地位。其中酚醛-丁腈、酚醛-缩醛、酚醛-环氧、酚醛-环氧-缩醛、酚醛-尼龙等胶粘剂具有耐热性好、粘结强度高的特点。酚醛-丁腈和酚醛-缩醛胶粘剂还具有抗张、抗冲击、耐湿热老化等优异性能,是
结构胶粘剂的优良品种。
酚醛纤维
主要以热塑性线型酚醛树脂为原料,经熔融纺丝后浸于
聚甲醛及盐酸的水溶液中作固化处理,得到甲醛交联的体型结构纤维。为提高
纤维强度和模量,可与 5%~10%
聚酰胺熔混后纺丝。这类纤维为金黄或黄棕色纤维,强度为11.5~15.9cN/dtex,抗燃性能突出,极限氧指数为34,瞬间接触近7500℃的氧-乙炔火焰,不熔融也不延燃,具有自熄性,还能耐浓盐酸和氢氟酸,但耐硫酸、硝酸和强碱的性能较差。主要用作防护服及耐燃织物或室内装饰品,也可用作绝缘、隔热与绝热、过滤材料等,还可加工成低强度、低模量碳纤维、活性炭纤维和
离子交换纤维等。
防腐蚀材料
热固性酚醛树脂在防腐蚀领域中常用的几种形式:酚醛树脂涂料;酚醛树脂
玻璃钢、酚醛-
环氧树脂复合玻璃钢;酚醛树脂
胶泥、砂浆;酚醛树脂浸渍、压型石墨制品。热固性酚醛树脂的固化形式分为常温固化和热固化两种。常温固化可使用无毒常温
固化剂NL,也可使用苯磺酰氯或石油磺酸,但后两种材料的毒性、刺激性较大。建议使用低毒高效的NL固化剂。填料可选择石墨粉、瓷粉、石英粉、硫酸钡粉,不宜采用
辉绿岩粉。
隔热保温材料
主要是酚醛树脂的
发泡材料,酚醛泡沫产品特点是保温、隔热、防火、质轻,作为绝热、节能、防火的新材料可广泛应用于
中央空调系统、轻质保温彩钢板、房屋隔热降能保温、
化工管道的保温材料(尤其是深低温的保温)、车船等场所的保温领域。酚醛泡沫因其导热系数低,保温性能好,被誉为保温之王。酚醛泡沫不仅导热系数低、保温性能好,还具有难燃、热稳定性好、质轻、低烟、低毒、耐热、力学强度高、隔音、抗
化学腐蚀能力强、耐侯型好等多项优点,酚醛泡沫塑料原料来源丰富,价格低廉,而且生产加工简单,产品用途广泛。
酚醛树脂应用举例:
储存运输
储存于阴凉、通风的库房。库温不宜超过37℃。远离火种、热源。保持容器密封。应与氧化剂分开存放,切忌混储。配备相应品种和数量的消防器材。
危险性类别
(1)闪点<23℃和初沸点≤35℃:易燃液体,类别 1
(2)闪点<23℃和初沸点>35℃:易燃液体,类别 2
(3)23℃≤闪点≤60℃:易燃液体,类别 3
健康危害和环境危害需根据组分进行判断。