Деревообрабатывающая промышленность, в настоящее время, является одним из наиболее эффективных и рациональных направлением ресурсосбережения и комплексного использования древесного сырья.
Рациональное использование древесины невозможно представить без применения синтетических смол и клеев, на основе которых производятся все основные виды древесных композиционных материалов.
Одним из эффективных направлений получения клеев и связующих с заданными свойствами является модификация фенолформальдегидных смол. Фенолформальдегидная смола обладает несколькими преимуществами: легкодоступные сырьевые материалы (например, фенол может быть получен из нефти), дешевизну, простой производственный процесс, отличные механические свойства, устойчивость к атмосферным воздействиям, огнестойкость.
Модифицирование фенолформальдегидных смол позволяет увеличить их пластичность, биостойкость, скорость и степень отверждения при условии образования прочного полимера пространственной структуры. Применение модифицированных клеев позволяет придать клееному материалу новый комплекс свойств.
Таким образом, разработка технологии получения модифицированных фенолформальдегидных смол является актуальным научным направлением.
Общая характеристика фенолформальдегидных смол
1.1 Фенолформальдегидные смолы
Термореактивными смолами называются полимеры, которые при нагревании необратимо изменяются в твердые жесткие и неплавные материалы. Важным примером таких полимеров являются фенолформальдегидные смолы.
Фенолформальдегидная смола была первой синтетической смолой, которая произведена промышленно, и теперь она используется более 100 лет. Фенолформальдегидная смола обладает многими превосходными свойствами, такими как термостабильность, высокий выход полукокса, высокая твердость, огнестойкость, формуемость. Поэтому фенолформальдегидная смола незаменима при производстве фанеры, древесноволокнистых плит, клеящих веществ и покрытий, литейных и формовочных смесей, композиционных материалов клеев, лаков, а также в таких сферах, как автомобилестроение, вычислительная техника, авиакосмическая промышленность.
Вода, используемая в качестве растворителя, делает эти реакции недорогими, безвредными и трудно воспламеняющимися. Такие реакции также отвечают экономическим и экологическим требованиям, поэтому они обладают значительным потенциалом для применения. Многочисленные исследования показали, что обработка древесных материалов водорастворимой, низкомолекулярной фенолформальдегидной смолой, очевидно, улучшает их устойчивости к биологическому износу и фиксации деформации сжатия. Таким образом, обработка фенолформальдегидной смолой является важным полезным улучшением древесины. [1]
1.2 Мономеры для синтеза фенолформальдегидных смол
Производные фенола, которые подходят для синтеза фенолформальдегидных смол, перечислены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Производные фенола для синтеза фенолформальдегидных смол
Перекисное окисление кумола является предпочтительным путем получения фенола, на его долю приходится более 90% мирового производства. Процесс состоит из двух стадий:
Жидкофазное окисление кумола до гидропероксида кумола
Разложение концентрированного гидропероксида кумола на фенол и ацетон.
Рисунок 1.1 – Синтез получения фенола из кумола
Основное использование фенола в качестве исходного сырья – получение фенольных смол, бисфенола А и капролактама.Он также используется в производстве многих продуктов, включая изоляционные материалы, клеи, лаки, краски, резину, чернила, красители, осветительные газы, духи, мыло и игрушки. [2]
Производные формальдегида, которые подходят для синтеза фенолформальдегидных смол, перечислены в таблице 1.2.
Таблица 1.2 – Производные формальдегида для синтеза фенольных смол
Формальдегид – это бесцветный, легко воспламеняющийся газ, который производится в виде 30-50% водных растворов. Формальдегид является основным промышленным химическим веществом и используется преимущественно при синтезе смол. Около 6% его использования связано с производством удобрений. Формальдегид находит применение в различных отраслях промышленности, включая медицинскую, косметическую, пищевую, каучуковую, металлургическую, деревообрабатывающую, нефтяную и сельскохозяйственную отрасли. [3]
1.3 Типы фенолформальдегидных смол
Фенольные смолы делятся на два типа:
Резольные смолы
Новолачные смолы
Резольные смолы представляют собой одностадийные смолы, получающиеся из фенола, молярного избытка формальдегида и щелочного катализатора. Реакцией получения резольных смол управляют для того, чтобы создать несшитую смолу, которая отверждается под воздействие тепла без дополнительных катализаторов с образованием трехмерного сшитого нерастворимого инфузионного полимера. Резольные смолы не требуют дополнительных отвердителей. Они могут быть отверждены с помощью реактивного тепла. Однако они имеют низкий срок годности.
Рисунок 1.2 – Структура резольной смолы
Фенольные резольные смолы обычно получают конденсационной полимеризацией фенола и формальдегида в присутствии щелочного катализатора при температуре от 40 до 100 ° С. Если бы использовался кислотный катализатор, происходило бы неконтролируемое скручивание во время приготовления полимера. С другой стороны, в принципе, отверждение резольного полимера может быть достигнуто путем подкисления.
Из-за низкого выхода конденсации фенола и формальдегида в нормальных условиях реакции типичная резольная смола содержит высокий процент свободных мономеров фенола и формальдегида. Эти свободные мономеры являются летучими и высокотоксичными. Снижение уровня свободных мономеров в таких смолах уменьшает их выбросы в окружающую среду во время процессов пропитки древесины
Резол относится к фенольным смолам, которые содержат высокую реакционную способность, в отличие от отвержденных смол. На этой стадии продукт полностью растворим в одном или нескольких обычных растворителях, таких как спирты и кетоны, и плавкий при температуре менее 150 ° C. [2, 4]
Новолачные смолы представляют собой двухстадийные смолы, получающиеся из формальдегида, молярного избытка фенола и кислотного катализатора. Новолачные смолы используются, например, в резиновых заготовках, которые служат для производства ремней, камер и шин.
Эти смолы могут усиливать резиновые препараты, обеспечивая твердость и высокий модуль с низкой деформацией после отверждения. Усиление объясняется образованием трехмерной сети внутри резины при отверждении. Однородное низковольтное облучение улучшает ударную вязкость термопластичных фенольных полимеров новолачного типа, армированных углеродными волокнами [5].
Рисунок 1.3 – Структура новолачной смолы
Фенолформальдегидную новолачную смолу с низкой концентрацией свободного фенола можно приготовить путем отделения остаточного фенола от расплавленной новолачной смолы и замены по меньшей мере части фенола растворителем, обладающим летучестью, равной или меньшей, чем у фенола Такие модифицированные новолачные смолы подходят для производства формованных песков с полимерным покрытием, для формования оболочек и песчаных сердечников, а также для производства пропантов с полимерным покрытием для использования в операциях по добыче нефти и газа. [6]
1.4 Механизм и катализаторы процесса
Фенольные смолы представляют собой термореактивные смолы, образующиеся в результате конденсации фенола с альдегидом, где вода образуется в качестве побочного продукта, которая играет важную роль в кинетике отверждения. На начальных стадиях отверждения вода действует как разбавитель и замедляет отверждение. При более высоких конверсиях вода действует как пластификатор и способствует повышению конечной конверсии [7].
Разнообразие доступных фенольных смол довольно велико, так как могут варьироваться соотношение фенола и альдегида, температура реакции и выбранный катализатор. [8]
Фенолформальдегидная смола резольного типа может быть получена путем взаимодействия молярного избытка формальдегида с фенолом в щелочных условиях реакции.
Реакция фенола с формальдегидом является сильно экзотермической (335 кДж на 1 кг прореагировавшего фенола). Поэтому в случае неправильной работы в промышленном масштабе может возникнуть опасная ситуация из-за высокой выделяемой теплоты. [2]
Так как скорость реакции возрастает с повышением температуры и кривой отверждения скорости в зависимости от величины, обратной абсолютной температуры показывает линейную зависимость, энергия активации может быть вычислена из уравнения Аррениуса:
k = k0 exp(– Ea / RT) (1.1)
где k – константа реакции при температуре Т (кг/мин), k0 – частотный коэффициент (кг/мин), Еа – энергия активации (кДж/моль), R – газовая постоянная (кДж×моль-1×К-1) и Т – абсолютная температура (К). [9]
Механизм взаимодействия формалина фенола в условиях основного катализа включает следующие 5 стадий:
Образование фенолят-аниона, включая образование анионов псевдокислоты с высокой нуклеофильностью:
Отрицательный заряд псевдокислоты локализуется в о- и п- положениях за счет индуктивного влияния и эффекта сопряжения, поэтому электронная плотность в о- и п-положениях повышается, облегчая электрофильную атаку по кольцу молекулы формальдегида:
Метилолфенолят-анионы стабилизируются отрывом протона от ОН- групп фенола с образованием о- и п-гидроксиметилфенолов:
Гидроксиметилфенолы в щелочной среде достаточно устойчивы, и при температурах 20...70 °С к ним могут присоединиться вторая и третья молекулы альдегида с образованием ди- и тригидроксиметилфенолов (фенолоспиртов):
При температурах выше 70 °С фенолоспирты взаимодействуют друг с другом и с фенолом с образованием олигомерных продуктов:
Формальдегид используется в количестве около 0,5–4,5 моль на моль фенола с предпочтительными диапазонами, зависящими от применения. Свободный формальдегид обычно составляет от 0,1 до 15%. Содержание свободного фенола обычно составляет от 0,1 до 20%.
Щелочные условия реакции устанавливаются путем добавления щелочного катализатора к фенолу и водному раствору формалина.
Как правило, используется количество щелочного катализатора от 0,005 до 0,01 моль на моль фенола. Гидроксид натрия является наиболее популярным катализатором. Поликонденсацию фенола и формальдегида обычно проводят при температуре в диапазоне от около 30 ° С до около 100 ° С в течение времени реакции от 1 часа до 7 часов, используя мольное отношение формальдегида к фенолу в диапазоне от 1 до 6.
Типичная фенолформальдегидная смола, используемая в качестве связующего для стекловолокна, изготавливается при мольном соотношении формальдегид / фенол, равном 6, для практически полного удаления свободного фенола из смолы. Высокое соотношение формальдегид / фенол, необходимое для достижения очень низкой концентрации свободного фенола, приводит к концентрации свободного формальдегида до 20%.
Высокий процент свободного формальдегида в смоле должен быть удален путем добавления большого количества мочевины или любых других поглотителей формальдегида [4].
Катализатор может представлять собой гидроксид-анион и катион металла. Гидроксид-анион способствует образованию фенатов за счет удаления спиртового протона.
Константы скорости коррелируют с радиусом катиона металла, как показано в таблице 1.3.
Таблица 1.3 – Кинетические характеристики катализаторов
Гидроксидные катализаторы металлов могут быть классифицированы в зависимости от валентности катиона: КОН, NaOH и LiOH; и Ba(OH)2, Ca(OH)2 и Mg(OH)2.
Тип катализатора влияет на скорость реакции фенола и формальдегида и на конечные свойства смол. Замена фенола формальдегидом в орто- положении в сравнении с п-положением возрастает в следующей последовательности гидроксидных каталитических металлов: K <Na <Li <Ba<Sr <Ca <Mg [10, 11].
Фенольные смолы широко используются в качестве связующих в стекловолоконной промышленности. Большинство смол для стекловолокна катализируются неорганическими катализаторами из-за их низкой стоимости и летучести.
Когда фенольную смолу, катализируемую неорганическим основанием, смешивают с раствором мочевины (премикс), некоторые компоненты фенольной смолы, такие как тетрадимеры, кристаллизуются, вызывая блокировку линий, прерывая нормальные операции и потерю смолы. Кристаллизованный материал трудно растворяется и препятствует равномерному нанесению смолы на стекловолокно. Тетрадимер имеет тенденцию кристаллизоваться в предварительно смешанных растворах неорганических основанных катализируемых смол и мочевины.
Необходимо соблюдать осторожность с каталитическими смолами на неорганической основе, чтобы избежать роста кристаллов тетрадимера. Например, проблемы могут быть сведены к минимуму путем регулярной очистки резервуаров и линий хранения, а также путем сокращения времени между приготовлением и использованием раствора премикса.
Фенольные смолы, катализируемые органическим катализатором, особенно полезны, где требуется высокая влагостойкость и более высокая механическая прочность. Когда фенольную смолу, катализируемая органическим катализатором, смешивают с аминосмолой, такой как мочевина-формальдегидная смола, ожидается, что такая смола будет намного более стабильным при хранении и иметь гораздо меньшей кристаллизации тетрадимера.
Было обнаружено, что третичные аминоспирты являются очень эффективными катализаторами поликонденсации фенола и формальдегида, и, тем не менее, они являются нелетучими, так что сопутствующие выбросы амина незначительны. Поскольку третичные аминоспирты являются органическими катализаторами, они производят смолы, которые не содержат золы и особенно полезны во многих отраслях промышленности.
Полученная фенолформальдегидная резольная смола с использованием органических катализаторов характеризуется высокой влагостойкостью и высокой механической прочностью.
Третичный аминоалкогольный катализатор остается в полученном продукте, и, по меньшей мере, часть катализатора становится химически связанной с полимерной матрицей в резольной смоле. Присутствие гидроксильной функциональности в молекуле аминоспирта действует как пластификатор, увеличивая эффективность смолы и обеспечивая более прочную связь смолы с материалами. Химическое связывание катализатора с полимерной матрицей дополнительно препятствует выбросу катализатора в готовый продукт [4].
Направления модификации поликонденсационных полимеров
2.1 Модифицирование лигнином
Технические лигнины (пол(фенилпропановые) звенья), полученные посредством переработки лигноцеллюлозной биомассы (древесина и однолетние растения), представляют собой привлекательный потенциальный заменителя фенола в фенолформальдегидной. Рациональное использование этого природного соединения является ключевым моментом для реализации интегральной валоризации лигноцеллюлозной биомассы. Фенольная структура лигнина делает его теоретически применимым для производства химикатов и материалов, таких как лигнин-фенолформальдегидные смолы. [15, 16]
Щелочные лигнины, полученные из початков кукурузы, тополя и соломы пшеницы, использовали для синтеза смол лигнин- фенолформальдегидных смол со степенью замещения 55% фенола. Синтезированные лигнин-фенолформальдегидные смолы показали хорошие результаты при получении высококачественной фанеры.
Фенольная смола на основе лигнина была уже успешно произведена в больших масштабах с использованием щелочного лигнина кукурузного початка и в настоящее время используется в протоколах промышленного производства фанеры и ДСП в Китае. [17, 18]
Все технические лигнины могут служить потенциальной заменой фенола для получения лигнин-фенолформальдегидных смол, но влияние структуры и примесей технических лигнинов на синтез смолы и конечные характеристики материалов, полученных из синтезированных смол, пока не до конца изучены. Однако эта информация является важной ссылкой при решении инженерных проблем, которые могут возникнуть при промышленном производстве данных смол.
Состав и свойства технических лигнинов, полученных в процессе переработки, определяются такими факторами, как вид материала, свойства растворителя и условия приготовления. В связи с этим любой технический лигнин, полученный с помощью определенного процесса, следует рассматривать как отдельный материал, даже если он имеет похожие характеристики с другими техническими лигнинами
Модифицирование борной кислотой
Модифицированные борной кислотой фенольные смолы демонстрируют отличные характеристики, такие как термическая стабильность, механическая прочность и электрические свойства [28].
Поскольку бисфенол Ф имеет метиленовую группу, он обладает большей свободой вращения в отличие от материалов на основе бисфенола А. Реакция бисфенола Ф с формальдегидом и затем с борной кислотой показана на рисунке 1.11.
При повышенных температурах борная кислота образует шестичленную кольцевую структуру, содержащую координационную связь кислорода с бором. Реакция отверждения данной смолы происходит по механизму автокаталитической кинетики. Отвержденная структура боро- фенолформальдегидной смолы, образованная с параформальдегидом, отличается от боро-фенолформальдегидной смолы, полученной с формалином. Структура данной смолы с параформальдегидом не содержит эфирных связей и карбонильных групп. Термическая стабильность этого лучше, чем смоле с формалином [29, 30, 31].
Модифицирование целлюлозным волокном
Фенолформальдегидная смола, усиленная многими материалами, улучшает механические, термические и электрические свойства. К примеру, фенолформальдегидная смола, усиленная гибридным композиционным материалом диоксидом кремния, обладает хорошей прозрачностью и демонстрирует превосходное улучшение механических и термических свойств. При этом температура увеличилась с 281 до 350 ° C при пятипроцентной потере веса, а прочность на изгиб увеличилась до 30%.
При армировании цеолита этой смолой, увеличились термостойкость и электрическая изоляция. При введении глины в эту смолу, было снижено поглощение воды и был достигнут низкий коэффициент теплового расширения. В этом случае в качестве армирующего материала использовали вторичное целлюлозное волокно, которое было получено из картона, печатной бумаги, переработанных газет и других видов отходов. Этот материал использовался во многих применениях в быту и в промышленности.
Данный армированный материал был проанализирован методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).
Для проверки механических свойств композита была использована машина для прессования ASTM D2344.
Для исследования микроструктур и поверхностей композитов использовался сканирующий электронный микроскоп (Zeiss Evo 40XVP). Композитная структура была увеличена до 100 микрометров, до степени видимого слоя углеродного волокна. Модифицирование проводилось линейным способом с фенолоформальдегидной смолой. Как правило, при использовании вторичного целлюлозного волокна достигается лучший результат, в котором композиты успешно себя показывают.
Термическую стабильность образцов изучали методом термогравиметрии (ТГА). Образцы 10 мг помещали в платиновую банку и проводили испытания в атмосфере азота со скоростью нагрева 20,0°С / мин от 50,0°С до 900,0°С. Первая стадия – испарение влаги из композита, а вторая стадия - эмиссия фенолформальдегида из всех образцов в диапазоне от 400 до 500°С.
Термальная стабильность указывает на то, что добавление переработанного целлюлозного волокна к матрице фенолформальдегидной смолы ускоряет разложение композитов и снижает температуру максимальной эмиссии. Но при более высокой температуре выше 400ºC присутствие вторичного целлюлозного волокна привело к повышению термической стабильности за счет увеличения выхода кокса.
Проверка механических свойств композита, модифицированного переработанным целлюлозным волокном, показала, что прочность на изгиб, увеличилась на 40% по сравнению с исходным материалом. Аналогично, ударная вязкость этого композита также увеличилась на 76%. Ударная вязкость для фенолформальдегида и модифицированного переработанным целлюлозным волокном фенолформальдегида составляет 0,8 и 1,4 кДж/м2 соответственно. Это замечательное усовершенствование обусловлено уникальными свойствами целлюлозного волокна в противостоянии изгибающим усилиям и сопротивлению разрушения.
Этот результат указывает на то, что вторичные целлюлозные волокна улучшают ударную вязкость композиционного материала. Точно так же тепловые свойства, обнаруженные через ТГА, свидетельствуют о снижении температуры максимальной эмиссии. Таким образом, вторичное целлюлозное волокно может быть полностью пригодным для увеличения механических и тепловых свойств фенолформальдегидных смол.
Такие композиты могут использоваться при изготовлении дверей, окон, мебели и автомобильных комплектующих. [32]
2.3 Патентный поиск
Анализ патентной литературы показывает, что синтез фенолформальдегидной смолы существует в различных технологических решениях. В каждом из патентов показано, каким образом можно усовершенствовать процесс.
В патенте 2448123 предлагается способ получения фенолформальдегидной смолы, сущность которого заключается в конденсации фенолов с формальдегидом в водной среде в присутствии щелочного катализатора при нагревании. В качестве фенолов используют смесь фенола и карданола при их мольном соотношении фенол:карданол 1:0,0032-0,5819 соответственно.
Технический результат – повышение срока хранения и повышение скорости отверждения резольной фенолформальдегидной смолы, повышение производительности и надежности процессов изготовления прочных малотоксичных ДСтП и фанеры, обладающих повышенной водостойкостью и атмосферостойкостью.
На основании полученных результатов, представленных в данном патенте, нами была рассмотрена возможность получения модифицированной фенолформальдегидной смолы резольного типа.