Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №7

Фенолоформальдегидные смолы

Воробьев Александр


Фенолоформальдегидные смолы представляют собой продукты реакции конденсации фенолов или его гомологов (крезолов, ксиленолов) формальдегидом. Реакция конденсации протекает в присутствии катализаторов, которе могут быть как кислотного (НСl, H2SO4), так и щелочного типа (NH4OH, Ba(OH)2, NaOH).

Взависимости от природы и соотношения компонентов, а также от применяемого катализатора фенолоформальдегидные смолы делят на два вида: 1) термореактивные или резольные; 2) термопластичные или новолачные смолы.

Резольные смолы

При нагревании или длительном хранении эти смолы переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, а новолачные смолы термопластичны и могут сохранять плавкость и растворимость при длительном хранении, а также при нагреве до 200 °С. Резольные смолы при переходе из плавкого растворимого состояния в неплавкое и нерастворимое проходят три стадии, характеризующие их состояние:

  1. Резолы — смолы в стадии А. Плавятся при нагревании и растворяются в спирте, ацетоне и в водных растворах щелочей. Представляют собой смесь низкомолекулярных соединений продуктов реакции.
  2. Резитолы — смолы в стадии В. Образуются при нагревании или длительном хранении резолов, представляют собой смесь резольной смолы и высокомолекулярных неплавких и нерастворимых соединений. Они нерастворимы в спирте и ацетоне, а только набухают в них, не плавятся, но размягчаются при нагревании.
  3. Резиты — смолы в стадии С. Содержат в основном трехмерные высокомолекулярные соединения. Не плавятся и не размягчаются при нагревании и нерастворимы и не набухают ни в каких растворителях. Резольные смолы в стадии С обладают высокими физико-электрическими свойствами.

Механизм образования фенолоформальдегидных смол

Функциональность фенола составляет 1–3, т. е. на 1 моль фенола может присоединяться от 1 до 3 молей формальдегида в двух ортоположениях и в параположении (рис. 1).

При эквимолекулярных количествах реагентов или при избытке формальдегида в присутствии щелочного катализатора образуются смолы резольного типа, при избытке фенола в кислой среде — новолачные. При синтезе резольных смол обычно берут на 6 молей фенола 7 молей формальдегида, и реакция идет по схеме, приведенной на рис. 2.

На первой стадии процесса одновременно получаются оксибензиловый спирт, ди- и триметилольные производные фенола (рис. 3), которые реагируют между собой с образованием макромолекулы резольной смолы. В щелочной среде в результате взаимодействия фенолоспиртов за счет метилольных групп в пароположении образуется резольная смола в стадии А (рис. 4).

Наличие в этих макромолекулах метилольных групп позволяет им вступать в дальнейшие реакции поликонденсации между собой. Под влиянием дальнейшего нагрева происходит процесс отверждения смолы с выделением воды и образованием молекул трехмерной структуры резита (рис. 5).

Процесс отверждения, то есть превращения в резит, может происходить в условиях нормальной температуры, но длительное время (от 6 мес. до 1 года). При повышении температуры скорость сильно возрастает.

Новолачные смолы образуются при избытке фенола в кислой среде. Обычно берут 7 молей фенола и 6 молей формальдегида, в качестве катализатора применяют соляную кислоту. В этом случае реакция идет по схеме, указанной на рис. 6.

Фенолоспирты при избытке фенола реагируют с фенолом и образуют метилолдиоксидифенилметан (рис. 7), который при дальнейшей поликонденсации дает новолачные смолы, имеющие строение, показанное на рис. 8.

В новолачную смолу входит смесь соединений линейного строения с молекулярной массой 200–1300. В отличие от резола молекулы новолачной смолы не содержат метилольных групп и поэтому не способны вступать в реакцию поликонденсации между собой и не образуют пространственных структур. Новолачные смолы могут быть переведены в неплавкое и нерастворимое состояние путем обработки их формальдегидом, параформом или чаще всего гексаметилентетрамином при повышенной температуре.

Технологический процесс получения фенолоформальдегидной резольной смолы

В производстве резольных смол в качестве сырья применяют фенол, крезол, ксиленол, а также фенольно-крезольные фракции, содержащие их смесь. Применяется и смесь ФДК (фенол, дикрезол, ксиленол). Формальдегид применяют в виде 36–40-процентного раствора (формалин).

Резольные фенолоформальдегидные смолы изготавливают различных марок, в виде жидких (ОФ, ОК) или твердых смол (ИФ, ИК) для получения спиртовых лаков. Приведем процесс получения резольной (бакелитовой) смолы.

Состав:
Фенол 100% 6 молей
Формалин 40% 7 молей
Аммиак 25% 5% (по массе фенола)

Процесс изготовления

В реактор загружают фенол (в виде водного раствора), формалин и аммиак. Смесь в котле нагревают до 80 °С, подавая в рубашку котла водяной пар. При достижении 80 °С начинается экзотермическая реакция, и подачу пара прекращают. Вследствие экзотермичности процесса температура в котле поднимается до 100 °С, и реакция продолжается. В это время холодильник работает по обратной схеме для возможности возврата паров формалина в котел. Процесс варки смолы контролируют по температуре, при которой происходит помутнение охлаждаемой в стаканчике пробы смолы.

Процесс изготовления смолы заканчивают, когда температура помутнения пробы смолы (разделение на два слоя) достигнет 75–80 °С.

Для процесса сушки смолы холодильник переключают на прямую схему и соединяют со сборником конденсата и вакуум-насосом. Массу в реакторе нагревают до70–80 °С и при этой температуре и вакууме 600–700 мм рт. ст. сушат до момента, когда скорость полимеризации будет в пределах 90–120 с при нормальных условиях (температура 18 °C и давление 760 мм рт. ст.). Готовую смолу выгружают через нижний сливной штуцер либо (при получении лака) разбавляют спиртом.

Для получения жидких резольных смол сушку смолы под вакуумом не производят, а процесс изготовления смолы заканчивают после процесса конденсации и определения готовности смолы. После этого смолу перекачивают с помощью сжатого воздуха в отстойник, где происходит отделение надсмольной воды от смолы. После отделения водного слоя жидкий резол (нижний слой) сливают в тару.

Крезолоформальдегидные смолы

Технический трикрезол, применяемый для производства смол, представляет собой смесь трех изомеров крезола: орто-, метаи паракрезола (рис. 10).

При взаимодействии с формальдегидом орто- и паракрезол реагируют только в двух точках, а метакрезол в трех точках, поэтому могут образоваться смолы с различными свойствами. Так, орто- и паракрезолы образуют термопластичные смолы, метакрезол может образовывать термореактивные. Поэтому количество метакрезола в трикрезоле должно быть не менее 40%. Трикрезол с таким содержанием метакрезола реагирует с формальдегидом так же, как и фенол.

При изготовлении крезолоформальдегидных смол крезол и формалин берут примерно в равных количествах. При избытке формалина получаются резольные смолы, а при избытке крезола — новолачные. Процессы изготовления этих смол аналогичны процессам изготовления фенолоформальдегидных смол.

Свойства крезольных смол несколько отличаются от фенольных. У крезольных смол время полимеризации, влагостойкость и электрические свойства выше.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики фенольных и крезольных смол, в таблице 2 — свойства смолы в стадии С.

Таблица 1. Свойства фенолоформальдегидных (бакелитовых) смол
Таблица 2. Свойства фенолоформальдегидной смолы в стадии С

Растворением фенольных и крезольных смол в спирте получают бакелитовые лаки, которые находят широкое применение для пропитки и лакировки изоляционных бумаг и тканей. Пропитанные и лакированные бумаги, ткани и стеклоткани применяются в производстве слоистых пластиков: гетинакса, текстолита, стеклотекстолита, намоточных изоляционных изделий (трубок, цилиндров). Бакелитовые лаки применяются также для склейки и внешней лакировки изделий из слоистых пластиков.

Новолачные и резольные смолы в стадии А при нормальной температуре представляют собой прозрачные и хрупкие массы, которые при 60–100 °С переходят в вязкотекучее состояние. Они легко растворимы в спирте, ацетоне и других органических растворителях.

Смолы в стадии резита (С) неплавки, нерастворимы и обладают высокой теплостойкостью (до 250–280 °С). Эти смолы сохраняют высокую твердость, прочность и стекловидное состояние. При температуре выше 280 °С они начинают постепенно деструктироваться.

Твердые новолачные и резольные смолы находят широкое применение в производстве пресспорошков для пластмасс. Новолачные смолы для пресспорошков применяются с добавлением уротропина. Резольные смолы применяются для изготовления пресспорошков, к которым предъявляются высокие требования по электрическим свойствам и водостойкости. Электрические свойства фенолформальдегидных смол зависят от исходного сырья и определяются полярностью фенолов. Так как полярность фенола выше, чем крезола и ксиленола, электрические свойства и водостойкость фенольных смол ниже крезольных и тем более ксиленольных.

Жидкие бесспиртовые бакелитовые смолы

В электроизоляционной технике нашли широкое применение жидкие бесспиртовые бакелитовые смолы марок ОФ и ОК, позволяющие исключить из производства гетинакса и текстолита дорогостоящий этиловый спирт.

Жидкие бакелитовые смолы получают конденсацией фенола или его гомологов (крезола, ксиленола) с формальдегидом в присутствии аммиачного или аммиачно-бариевого катализатора. Для производства этих смол применяется то же оборудование, что и для производства сухих смол (ИФ, ИК). Процесс конденсации проводится при более низкой температуре (80–85 °С) с исключением операции сушки (вакуумирования) смолы, которая заменяется процессом отделения смолы от надсмольной воды путем отстаивания в отстойнике при 18–25 °С в течение до 30 ч.

Смола ОФ — фенолоформальдегидная с аммиачно-бариевым катализатором, применяется для пропитки тканей в производстве текстолита.

Состав:
Фенол 100% 100 массовых частей
Формалин 40% 115
Аммиак 25% 5
Гидрат окиси бария 0,5

Смола ОК-1 — крезолоформальдегидная с аммиачным катализатором, применяется для пропитки бумаги в производстве гетинакса, а также некоторых видов текстолита.

Состав:
Трикрезол 100 массовых частей
Формалин 40% 98
Аммиак 25% 5

Смола ОК-4 — крезолоформальдегидная с аммиачно-бариевым катализатором, применяется для пропитки бумаги в производстве гетинакса.

Смола КСФ — фенолоксиленольная с аммиачно-бариевым катализатором, применяется для тех же целей, что и ОК-4.

Состав:
Фенол 100% 50 массовых частей
Ксиленол 50
Формалин 40% 100
Аммиак 25% 2,5
Гидрат окиси бария 0,8

Смола ФДК, представляющая собой продукт конденсации формальдегида со смесью фенолов (ФДК) в щелочной среде.

Состав смеси (фенольных фракций)
Фенол 44–45%
Дикрезол 35–25%
Ксиленол 15–25%

Жидкая бесспиртовая смола ФДК имеет экономические преимущества, так как изготовляется на дешевом сырье, применяется для пропитки бумаги и ткани взамен смол ОФ и ОК.

Малорастворимые фенолоформальдегидные смолы

Фенолоформальдегидные смолы, получаемые при реакции конденсации фенола с формальдегидом, нерастворимы в маслах. Замена фенола на его производные (крезол) делает возможным получение маслорастворимых смол. На основе этих смол путем сплавления их со смесью тунгового и полимеризованного льняного масла с последующим растворением в ксилоле изготавливают крезоломасляный лак, который применяют для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов и лакировки деталей из слоистых пластиков и пластмасс с целью повышения их влагостойкости.

Конденсацией ксиленола с формальдегидом в присутствии канифоли и последующей эфиризацией свободных абиетиновых кислот канифоли глицерином получают искусственный копал (ксиленольный). Этот копал хорошо растворим в маслах и ароматических углеводородах. Применяется при изготовлении масляных эмальлаков для эмалирования проводов.

Наиболее широкое применение в электроизоляционной технике находят смолы на основе алкил- и арилзамещенных фенолов, называемые 100-процентными фенольными смолами. Благодаря наличию алкильных (начиная с С4Н9 — бутил) и арильных (C6H

5OH) радикалов в фенольном ядре они обладают способностью совмещаться с маслами. Для получения 100-процентных фенольных смол применяется паратретичный бутилфенол.

Эти смолы изготавливают так же, как и обычные фенолоформальдегидные. Конденсация производится в кислой и щелочной среде. Наибольшую ценность представляют собой резольные смолы, так как наличие в их молекуле свободных метилольных групп CH2OH способствует совмещению их с растительными маслами и алкидными смолами и получению лаков с высокими свойствами.

Примером может служить алкилфенолоформальдегидная смола, представляющая собой продукт конденсации паратретичного бутилфенола с формальдегидом в щелочной среде.

Этерифицированные смолы

Этерификация одноатомными спиртами метилольных групп фенолоформальдегидного конденсата сообщает этим смолам способность совмещаться с растительными маслами и другими смолами (полиэфирными, эпоксидными). Этерификация осуществляется бутиловым спиртом. Другие спирты с меньшим содержанием углеродных атомов не обеспечивают совместимости фенолоформальдегидных конденсатов с вышеуказанными смолами, а спирты с большим содержанием углеродных атомов, чем у бутанола, придают смолам большую мягкость. Бутанолизация первичного фенолоформальдегидного конденсата протекает по схеме, представленной на рис 13.

При дальнейшей конденсации образуется продукт со строением, показанным на рис. 14.

Содержание в поликонденсате бутоксильных групп характеризует степень бутанолизации. В качестве примера такой смолы может служить бутоксикрезолоформальдегидная смола РБ.

Бутоксикрезолоформальдегидная смола РБ представляет собой продукт этерификации бутанолом резольной смолы, получаемой при конденсации крезола с формальдегидом. Смола выпускается в виде раствора в бутаноле и имеет следующие характеристики: внешний вид — прозрачная однородная жидкость красновато-желтого цвета, вязкость при ВЗ-4 при 20 °С — 100–300 с.

Смола РБ в виде 60% раствора в бутаноле применяется в качестве компонента электроизоляционных лаков ФЛ-98, ПЭ-933. Отверждение пленок алкиднофенольного лака, в котором смола РБ входит как один из основных компонентов, происходит главным образом в результате взаимодействия бутоксильных групп смолы РБ и свободных карбоксильных групп алкидного лака.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке