CN101333285A - 制备苯酚甲醛型环氧树脂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以(烷基)酚醛树脂和环氧氯丙烷为原料合成苯酚甲醛型环氧树脂的制备方法，是将基体树脂和环氧氯丙烷在催化剂和碱存在的条件进行环氧化反应，再进行精制和后处理制得，本发明采用所述的环氧化工艺，可有效地减少副反应的发生，降低异构化氯的产生，易于得到高软化点、高环氧值、低氯含量的产品，对提高产品的稳定性、耐热性和降低原料的消耗量有明显作用。

Description

制备苯酚甲醛型环氧树脂的方法

技术领域

本发明涉及以(烷基)酚醛树脂和环氧氯丙烷为原料合成苯酚甲醛型环氧树脂的制备方法，尤其是涉及其中的环氧化方法。

背景技术

(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂是通过酚和醛在酸性催化剂作用下缩合得到热塑性的线型基础树脂——(烷基)酚醛树脂，将该(烷基)酚醛型树脂与环氧氯丙烷进行环氧化反应，再经过精制、后处理得到酚醛型环氧树脂。产品分子中含有两个和两个以上的环氧基团，固化后生成交联点多且刚性紧密的体型结构。固化物的热稳定性和机械强度高，耐腐蚀性优异，电绝缘性、耐水耐溶剂性、尺寸稳定性等性能达到或超过普通的双酚A环氧树脂。因此该树脂广泛应用于制作模塑料、光固化油墨、耐温涂料、胶粘剂、层压材料、浇铸、绝缘浸渍、模具制作、以及建筑、交通等领域。

合成(烷基)酚醛型环氧树脂的工艺通常主要是包括了基础树脂(酚醛型树脂)的合成反应工艺和环氧化反应工艺两个主要部分，前者的合成已有较多的方法介绍，且各有优势特点，目前基础树脂的产品质量选用合适的方法可以达到比较接近的状态，基本能够满足后续的生产所需。但在成品化的环氧化反应工艺却有较大差别，从而导致产品质量的极大差异以及原料消耗、产品收率的不同，因此结果是反映在质量等级和成本上的不同。目前制备(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂的环氧化工艺过程有几种：1)常压条件使用催化剂醚化后用碱闭环；2)负压下用碱醚化和闭环；3)不使用环氧氯丙烷的合成路线，采用过氧化物氧化双键而环氧化。

方法1)为较早使用的合成(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂的反应方法，是在常压下将基体树脂和环氧氯丙烷溶解后，直接加入催化剂醚化2～5小时，再降温到40～80℃，在2～6小时中加入碱闭环，然后回收过量的环氧氯丙烷，最后加碱进行精制反应，再经过一系列后处理纯化得到产品。该方法工艺控制及要求比较简单，主要存在分子被氧化的可能性大，环氧氯丙烷水解及分子支链化等副反应多，易皂化氯高，外观颜色深的缺点。

方法2)是在真空负压下将基础树脂和环氧氯丙烷溶解后，直接加入液碱进行醚化和闭环反应3～5小时，然后回收过量的环氧氯丙烷，再加碱进行精制反应，最后经过一系列后处理纯化得到产品。该方法较方法1)有较大的改进，产品质量大幅度提高，主要存在基础树脂分子和环氧氯丙烷醚化反应不完全，环化效果差，残存的酚羟基较多，后处理除Cl^-困难，反映在质量指标上是：环氧值偏低，易皂化氯高，无机氯高。

方法3)该方法是将酚、醛、烯丙醇缩合成含烯丙基醚酚醛树脂后，利用过氧化物将不饱和双键氧化为环氧基团完成环氧化反应，再经过后处理纯化得最终产品。利用该方法可得到几乎不含有氯的产品，容易得到低氯含量的产品。但存在工艺不成熟，合成较高软化点的树脂比较困难，目前也还处于试验的阶段，工业化生产有一定难度。

综上所述，传统环氧化反应工艺的缺点是醚化反应不充分、水解副反应多，发生异位加成导致分子中异构化的氯较多，致使后续的精制脱氯困难，易皂化氯含量高，分子中的酚羟基残留较多被氧化成醌式结构增加树脂的色度并影响贮存稳定性，分子结构中羟基含量高，水洗乳化损失多，导致产品收率低，原料消耗高等问题。在产品质量指标上是不易得到高软化点，高环氧值，高纯度的产品。

发明内容

本发明涉及一种苯酚甲醛型环氧树脂的合成方法，特别之处在于采用所述的环氧化工艺，可有效地减少副反应的发生，降低异构化氯的产生，易于得到高软化点、高环氧值、低氯含量的产品，对提高产品的稳定性、耐热性和降低原料的消耗量有明显作用。

本发明的目的是这样实现的：

一种制备苯酚甲醛型环氧树脂的方法，是将基体树脂和环氧氯丙烷在催化剂和碱存在的条件下进行环氧化反应，再进行精制和后处理制得，所述的环氧化反应包括如下步骤：

A)将基体树脂和环氧氯丙烷按照1∶3-9的重量比例配料，在常压、惰性气体条件下溶解成均匀透明液体；

B)将上述透明液体在温度为50-95℃下，调节体系真空度在0.065-0.098MPa，使物料环氧氯丙烷处于蒸发和冷凝回流的状态下；

C)向上述反应体系中加入相当于基体树脂重量0.5-8‰的催化剂，并在上述温度、真空度和环氧氯丙烷回流状态下保持1-90分钟；

D)在上述温度、真空度和控制环氧氯丙烷的回流量为基础树脂重量的0.8～1.6倍/小时的条件下，在3-8小时内向上述有催化剂的反应体系中均匀滴加相当于基体树脂重量65-95％的、重量含量为48～51％的碱溶液进行环氧化反应，碱溶液滴加完后，继续进行环氧化反应1-5小时即可。

后续的精制和后处理工艺可采用现有的成熟技术，如负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入一定量的碱进行精制反应得到苯酚甲醛型环氧树脂粗品，再经过萃取、水洗、过滤、脱出溶剂等后处理过程得纯品。

其中，所述的基体树脂是苯酚甲醛树脂或烷基苯酚甲醛树脂，它们可以通过常规的合成反应工艺制得；

所述惰性气体为最好为重量含量99.5％以上的高纯氮气；

本发明所说催化剂是指包括较高温度下提供促进环氧氯丙烷的环氧基

和基础树脂上的酚羟基-OH进行开环反应，并易与有机体系相溶的有机盐，主要包括季胺盐如：苄基三乙基氯化铵、苄基三乙基溴化铵、四丁基氯化铵、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四甲基溴化铵中的一种或多种；或季辚盐如：苄基三苯基辚卤化物、四丁基辚乙酸盐、甲基三丁基二甲基磷酸盐、甲基三苯基辚二甲基磷酸盐、三苯基乙基辚碘化物中的一种或多种；或者两种不同的盐类按一定比例组成的混合物，加入催化剂方式是采用将催化剂配成溶液加入。

本发明所说的催化剂加入方式是在将配比量的催化剂溶解成一定浓度的溶液后通过专用加料器加入，所用溶剂可选择：水、丁醇、异丙醇、二丙二醇、二甘醇、三甘醇等有相溶性或对反应有一定作用的化合物，溶剂的使用量是季胺盐、季膦盐或两者混合物固体重量的1-10倍。

本发明的(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂的环氧化反应原理可用下述两个反应方程式表示：

式中聚合度n＝2～5，R为H或烷基。

本发明的(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂的环氧化方法的有益效果如下：

本发明设计的溶解过程在惰性气体氮气的保护下进行，可极大地避免氧气对酚羟基的氧化而转变为苯醌类后不能再进行环氧化反应，削弱基础树脂的环氧化程度从而降低产品的环氧值，另外醌类物质属有色物质，存在时会加深产品色度影响外观质量。

本发明设计的负压条件下将催化剂加入体系，经过较短的时间后在一定时间内均匀滴加液碱进行同步的开环与闭环反应方式，避免先形成大量醚化物再用碱闭环的分子间脱水造成增链形成支链化物质，阻碍正常的闭环反应，也可以避免由于该支链化而形成位阻效应影响进一步的开环醚化及环氧化，降低了产品中未醚化的酚羟基和未闭环的醇性羟基的存在量，以此避免后处理中由于羟基的亲水作用造成的大量乳化物和高温脱出溶剂时的进一步增链或部分交联，从而影响产品的溶解透明性、贮存稳定性和固化后的耐热性。

本发明设计的不单纯使用碱进行醚化和闭环的环氧化工艺，而利用催化剂来促进环氧氯丙烷的环氧基开环以加速醚化反应，缩短了整个环氧化的时间，降低了碱的同时开环和闭环作用对环氧氯丙烷的水解副反应的发生机率；在催化剂存在时的醚化作用，可在更低的反应温度下进行，有利于使酚羟基对环氧氯丙烷的环氧基的α位碳原子上进行开环加成，减少对β位的开环反应，从而避免异位加成作用，减少易皂化氯存在并提高产品的环氧值。

本发明设计通过控制好负压下液碱加入速度和环氧氯丙烷的回流量可以保证体系中的水及时移出反应体系，使体系的水含量和PH值较低，从而降低了环氧氯丙烷的水解可能性。

本发明设计的反应过程中采用将具有催化作用的化合物配成溶液后再加入反应体系的方式有利于物料混合，扩大分子间的接触，大大提高催化效率，同时催化剂用量的控制对环氧化反应有较大的影向。

采用本发明的合成工艺得到的产品与其它现有方法制备的同类产品相比，适用于合成不同软化点的产品；产品质量方面，色泽浅、易皂化氯低、环氧值高、贮存稳定性和耐热性优良；由于产品收率更高、原料水解损失少原料消耗得以降低。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不只限于此，比如，对于催化剂的组合变化，精制和后续处理步骤的变化等，只要符合本发明之精神，仍属保护范围之内。

实施例1：

将软化点为105℃的线型苯酚甲醛树脂1000g与6000g纯度为99.5％(重量)的环氧氯丙烷投入反应容器，使系统物料处于纯度(重量)为99.5％的氮气保护下，控温在80～82℃溶解50分钟，形成均匀透明液体，然后控制反应体系在真空度0.082～0.083MPa，温度75±2℃，环氧氯丙烷回流量1100～1200g/h的状态下，一次性全部加入重量浓度50％的苄基三乙基氯化铵水溶液10g，保持15分钟后，再向体系内滴加重量浓度48％的NaOH水溶液820g，滴加过程调节控制回流量在1100～1200g/h左右进行分水环化反应，4小时均匀滴加氢氧化钠溶液完毕，同样条件维持醚化反应2小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，加入碱精制脱氯后经过萃取、水洗、过滤、脱出溶剂等后处理过程得纯品产品树脂。

过程中溶解效果好、后处理容易，水洗乳化物较少、分层容易。

产品指标为：外观，浅黄色透明，易皂化氯330PPm，无机氯2PPm，环氧当量208g/eq，软化点82℃；得产品1320g。

实施例2：

将软化点为95℃的基体树脂线型苯酚甲醛树脂1000g与5000g纯度为99.5％(重量)的环氧氯丙烷投入反应容器，使系统物料处于纯度(重量)为99.5％的氮气保护下，控温在78～80℃溶解40分钟，形成均匀透明液体，然后控制反应体系在真空度0.082～0.083MPa，温度75±2℃，环氧氯丙烷回流量1100～1200g/h的状态下，一次性全部加入重量浓度50％的四丁基氯化铵和四甲基氯化铵混合物水溶液8g，保持12分钟后，再向体系内滴加重量浓度50％的KOH水溶液800g，滴加过程保持真空度在0.078～0.080MPa、反应温度在72～73℃，控制回流量在1100～1200g/h左右进行分水环化反应，4小时滴加氢氧化钾溶液完毕，同样条件维持反应2小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入一定量的碱精制处理，最后通过系列后处理得到成品树脂。

过程中溶剂萃取效果好树脂溶液清亮透明，水洗乳化物微量静止分层快，后处理容易进行。

产品指标为：外观，浅黄色透明，易皂化氯268PPm，无机氯1PPm，环氧当量196g/eq，软化点73℃；得产品1340g。

实施例3：

将软化点为100℃的邻甲基苯酚甲醛树脂1000g与6000g纯度99.5％的环氧氯丙烷投入反应容器中，使系统物料处于纯度(重量)为99.5％的氮气保护下，控温在80～82℃溶解60分钟，形成均匀透明液体，然后控制反应体系在真空度在0.078～0.082MPa，温度75±2℃，环氧氯丙烷回流量1200～1300g/h的状态下，一次性全部加入重量浓度50％的苄基三乙基溴化铵和三苯基乙基辚碘化物混合物的二丙二醇溶液10g，保持20分钟后，再向体系内滴加重量浓度49％的NaOH水溶液850g，滴加过程保持真空度在0.078～0.082MPa、反应温度在75±2℃，调节控制回流量在1200～1300g/h左右进行分水环化反应，3小时滴加液碱完毕，同样条件维持反应2小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入一定量的碱精制处理，最后通过系列后处理得到成品树脂。

过程中溶剂溶解萃取效果好后处理容易，水洗乳化物微少分层容易。

产品指标为：外观，浅黄色透明，易皂化氯380PPm，无机氯1PPm，环氧当量203g/eq，软化点76℃；得产品1330g。

实施例4：

将软化点为105℃的邻甲基苯酚甲醛树脂1000g与5500g纯度99.5％的环氧氯丙烷投入反应容器中，使系统物料处于纯度(重量)为99.5％的氮气保护下，控温在82～84℃溶解70分钟，形成均匀透明液体，然后控制反应体系在真空度在0.072～0.074MPa，温度75±2℃，环氧氯丙烷回流量1300～1400g/h的状态下，一次性全部加入重量浓度20％的苄基三苯基辚卤化物的异丙醇溶液40g，保持20分钟后，再向体系内滴加重量浓度49％的NaOH水溶液900g，滴加过程保持真空度在0.072～0.074MPa、反应温度在75±2℃，调节控制回流量在1300～1400g/h左右进行分水环化反应，3小时滴加液碱完毕，同样条件维持反应2小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入一定量的碱精制处理，最后通过系列后处理得到成品树脂。

过程中溶剂溶解萃取效果好后处理容易，水洗乳化物微少分层容易。

产品指标为：外观，浅黄色透明，易皂化氯395PPm，无机氯2PPm，环氧当量205g/eq，软化点76℃；得产品1325g。

本发明的实施例中的得到的(烷基)苯酚甲醛型环氧树脂环氧当量采用盐酸丙酮法测试，软化点采用环球法测试，易皂化氯、无机氯采用强碱高温水解法及电位滴定测试。

现举两例，不用所描述的发明方法，采用通常的环化反应工艺和相同的后续工艺条件与上述发明内容的实施例作比较以进一步说明该环化工艺的效果。

试验例1

将软化点为103℃的基础树脂(邻甲基苯酚甲醛树脂)1000g与6000g纯度99.5％的环氧氯丙烷投入反应容器，常压升温到75±2℃溶解40分钟，然后滴加48％的NaOH水溶液，滴加过程保持真空度在0.080～0.082MPa、反应温度在72℃，回流量在500～600g/h左右进行分水环化反应，4.5小时滴加液碱完毕，同样条件维持醚化反应4小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入工艺量的稀释溶剂和碱精制处理，最后通过系列后处理得到成品树脂。

过程中溶剂萃取分层较慢，溶液不透明，水洗时乳化物较多，物料损失多。

产品指标为：外观，黄色透明，有机氯850PPm，无机氯120PPm，环氧当量220g/eq，软化点74℃；得产品1220g。

试验例2

将软化点为105℃的基础树脂(线型苯酚甲醛树脂)1000g与6000g纯度99.5％的环氧氯丙烷投入反应容器，常压升温到75±2℃溶解40分钟，然后滴加48％的NaOH水溶液，滴加过程保持真空度在0.080～0.082MPa、反应温度在72℃，回流量在600～700g/h左右进行分水醚化及环化反应，4.5小时滴加液碱完毕，同样条件维持醚化反应4小时，然后负压回收过量的环氧氯丙烷，再加入工艺量的稀释溶剂和碱精制处理，最后通过系列后处理得到成品树脂。

生产过程中溶剂萃取分层较慢，溶液不透明，水洗时乳化物较多，物料损失多。

产品指标为：外观，棕黄色透明，有机氯810PPm，无机氯86PPm，环氧当量215g/eq，软化点70℃；得产品1235g。

通过比较可以看出，采用发明的环氧化反应工艺，对合成反应并最终得到高品质高收率的酚醛型环氧树脂有明显作用。

Claims (9)

1、一种制备苯酚甲醛型环氧树脂的方法，是将基体树脂和环氧氯丙烷在催化剂和碱存在的条件进行环氧化反应，再进行精制和后处理制得，其特征在于所述的环氧化反应包括如下步骤：

A)将基体树脂和环氧氯丙烷按照1∶3-9的重量比例配料，在常压、惰性气体条件下溶解成均匀透明液体；

B)将上述透明液体在温度为50-95℃下，调节体系真空度在0.065-0.098MPa，使物料环氧氯丙烷处于蒸发和冷凝回流的状态下；

C)向上述反应体系中加入相当于基体树脂重量0.5-8‰的催化剂，并在上述温度、真空度和环氧氯丙烷回流状态下保持1-90分钟；

D)在上述温度、真空度和控制环氧氯丙烷回流量在要求的条件下，在3-8小时内向上述存在催化剂的反应体系中均匀滴加相当于基体树脂重量65-95％的、重量含量为48～51％的碱溶液进行环氧化反应，碱溶液滴加完后，继续维持进行环氧化反应1-5小时即可。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的基体树脂是苯酚甲醛树脂或烷基苯酚甲醛树脂。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述惰性气体为重量含量99.5％以上的高纯氮气。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于D)步骤中的环氧氯丙烷回流量控制在基础树脂重量的0.8～1.6倍/小时。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的催化剂是季胺盐和/或季膦盐溶液。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述的季胺盐和/或季膦盐溶液的溶剂选自水、丁醇、异丙醇、二丙二醇、二甘醇、三甘醇等，溶剂的使用量是季胺盐和/或季膦盐固体重量的1-10倍。

7、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述的季胺盐选自苄基三乙基氯化铵、苄基三乙基溴化铵、四丁基氯化铵、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四甲基溴化铵中的一种或多种。

8、根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于所述的季膦盐选自苄基三苯基辚卤化物、四丁基辚乙酸盐、甲基三丁基二甲基磷酸盐、甲基三苯基辚二甲基磷酸盐、三苯基乙基辚碘化物等中的一种或多种。

9、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的碱溶液是氢氧化钠或氢氧化钾的水溶液。