CN101367908B - 一种氢化双酚a环氧树脂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氢化双酚A环氧树脂的新型制备方法。它采用氢化双酚A和表卤代醇作为原料,路易斯酸作为开环催化剂进行醚化反应,生成卤醇醚,然后加入碱性物质进行闭环反应,经过萃取、中和、水洗、过滤、溶剂脱除等后处理工艺得到。本发明的氢化双酚A环氧树脂的新型制备方法具有工艺简单,生产周期短,操作方便,生产效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及环氧树脂领域,特别是涉及一种氢化双酚A环氧树脂的新型制备方法。
背景技术
通用型环氧树脂系指双酚A型环氧树脂,具有优异的物理机械强度、耐化学药品性、低收缩率等特性,广泛应用于高新电子信息、核能源开发、风力发电、航空航天、汽车、高速列车、压力容器、先进模具、交通运输、水利、建筑、军工、远距离输变电,远距离输送天然气,石油钻探产业等国民经济的所有行业和新兴领域,正朝着“系列化,精细化,无色化、专用化,高纯化,绿色环保化、性价比最大化”等方向发展。
双酚A型环氧树脂分子链段结构中含有不饱和的苯环,富含双键,在大气或紫外线恶劣环境下容易断裂,加速制品老化,因此存在耐候性差的缺点,制约了室外的应用领域。国内失败的工程案例并不鲜见。
氢化双酚A的合成方法为双酚A在骨架镍作催化剂的情况下高温高压下进行加氢反应得到。氢化双酚A环氧树脂除具有通用型环氧树脂的性能外,由于苯环转变成为饱和六元环,不含双键,克服了不饱和双键的断裂缺陷。树脂固化物具有良好的耐候性,耐电晕,耐漏电痕迹性,介电强度高,广泛用于户外电力、电工行业。目前国内由于原料氢化双酚A受到制约,产品成本价格偏高,氢化双酚A环氧树脂处于初期开发及推广应用阶段。
公开资料显示,日本对于氢化双酚A环氧树脂已经产业化,国内江苏佳发公司具有中试生产规模,采用的合成路线沿袭通用双酚A型环氧树脂的合成方法。
发明内容
由于氢化双酚A的物理性质根本区别于双酚A,本发明的目的是提供一种新型的,易于工业化生产的,生产控制方便的氢化双酚A环氧树脂及其制备方法。
本发明的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,采用氢化双酚A和表卤代醇作为原料,路易斯酸作为开环催化剂,在30~120℃下进行醚化反应,生成氯醇醚,然后加入碱性物质,在40~100℃下进行闭环反应,经过萃取、中和、水洗、过滤、溶剂脱除等后处理工序得到氢化双酚A环氧树脂,其中,所述的氢化双酚A和表卤代醇及碱性物质以及催化剂的摩尔比为1:1.0~3.0:1.0~2.0:0.001~0.005;优选的摩尔比为1:1.0~1.5:1.0~1.5:0.001~0.003。
本发明的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,包括如下步骤:
(1)常压下,控制体系温度为50~80℃,将氢化双酚A溶解于助溶剂中,加入路易斯酸作为催化剂,滴加表卤代醇,进行开环醚化反应,生成卤醇醚,开环醚化反应温度为30~120℃,时间为2~10h;
(2)向(1)的产物中滴加浓度为15~100%的碱性物质进行闭环环氧化反应,闭环反应温度为40~100℃,时间为2~8h;
(3)将(2)的产物加入主溶剂溶解,经过后处理得到氢化双酚A环氧树脂。
其中步骤(1)所述的表卤代醇选自1-氯-2、3-环氧丙烷、1-甲基-1-氯-2、3-环氧丙烷、1-溴-2、3-环氧丙烷、1-甲基-1-溴-2、3-环氧丙烷等,优选1-氯-2、3-环氧丙烷。
步骤(1)所述的助溶剂有:芳烃如苯,甲苯,二甲苯,氯化苯等;酮类如甲基异丁基酮,甲乙酮,环己酮等;醇类如正丁醇,异丙醇等,根据来源和溶解度参数比较,合适的溶剂为甲苯,甲基异丁基酮,优选溶剂为甲苯。用量为氢化双酚A投料量的0.1~1.0倍
步骤(1)所述路易斯酸为三氟化硼乙醚或SnCl4。催化剂用量范围为氢化双酚A的摩尔比的0.001~0.005,优选用量为0.001~0.003。
步骤(1)所述的1-氯-2、3-环氧丙烷的加入方式有一次性加入和滴加两种。由于1-氯-2、3-环氧丙烷与氢化双酚A在催化剂作用下的反应为剧烈的放热反应,因此合适的方式为滴加,滴加过程中采用冷却措施移走反应放热。
步骤(1)所述的开环醚化反应必须在一定温度、一定时间内才能完成反应。合适的工艺参数为温度30~120℃,时间2~10h,优选工艺参数为温度50~80℃,时间3~5h。
步骤(1)所述的表卤代醇用量至少是氢化双酚A摩尔数的1倍以上,才能充分保证羟基反应完全。过量的表卤代醇对产物质量没有坏处,但同样无本质的改善作用,相反需要增加回收过量的表卤代醇工序。合适的投料比例为1:1.0~3.0(摩尔比),优选用量比例为1:1.0~1.5。
步骤(2)所述的碱性物质为:无机碱如NaOH、KOH等;有机碱如甲醇钠、甲醇钾、乙醇钾、乙醇钠、叔丁醇钾、叔丁醇钠、叔戊醇钾、叔戊醇钠等,乙二醇、聚乙二醇的钾、钠盐也可利用。碱浓度为15~100%。从工艺的操控性和安全性、原料的来源性等考虑,合适的原料为NaOH水溶液,浓度范围为15~50%,优选的浓度范围为30~40%。
步骤(2)所述的碱性物质的加入方式采用滴加方式。由于闭环反应为剧烈的放热反应,若碱性物质一次性加入,易发生暴聚反应,严重影响目标产物质量。因此合适的方式为滴加方式,滴加过程中采用冷却措施移走反应放热。
步骤(2)所述的闭环反应必须达到一定温度、一定时间才能保证闭环反应的完成,确保产物具有较高的环氧值和低的可水解氯含量。合适的工艺参数为温度40~100℃,时间2~8h,优选工艺参数为温度70~80℃,时间2~4h。
步骤(2)所述的适量的碱性物质用量至少是氢化双酚A摩尔数的1倍以上,才能充分保证闭环反应完全。过多的碱性物质的存在对产物质量起到劣化作用,造成分子之间的部分交联。合适的用量比例为1:1.0~2.0,优选用量比例为1:1.0~1.5。
步骤(3)所述的产物系指含有生成盐、过量碱、水、环氧树脂及其它少量副产物如老化树脂等的混合物。
步骤(3)所述的主溶剂指惰性的,溶解度参数与环氧树脂接近的有机物。适合作为溶剂的物质有:芳烃如苯、甲苯、二甲苯、氯化苯或其混合物等;酮类如甲基异丁基酮、甲乙酮、环己酮或其混合物等;醇类如正丁醇、异丙醇或其混合物等,根据来源和溶解度参数比较,合适的溶剂为甲苯,甲基异丁基酮,优选溶剂为甲苯。
步骤(3)所述的主溶剂用量为氢化双酚A投料量的3~6倍(重量比)。
步骤(3)所述的溶解,合适的工艺参数为溶解温度30~100℃,时间0.5~2h,优选工艺参数为溶解温度80~100℃,时间0.5~1.0h。
步骤(3)所述的后处理工序指环氧树脂溶液-盐水混合物的萃取、中和、水洗、过滤、蒸馏脱溶剂等步骤。
其中萃取指通过静止、分层,油水分离,分去下层盐水层,得到环氧树脂溶液。
中和指采用弱酸性物质中和残留在环氧树脂溶液中的少量碱。适合作为中和剂的物质包括弱有机酸如甲酸,乙酸,草酸,柠檬酸,苹果酸,丙烯酸等,无机物如磷酸,磷酸氢钠,磷酸二氢钠等,注意禁用强酸,否则破坏环氧基团。合适的酸为乙酸。乙酸的加入方式为配制成一定浓度的水溶液,逐渐加入,随时采用pH试纸检验直到pH≤7。其中水洗指采用蒸馏水进行喷淋水洗,目的在于除去溶液中含有的少量盐份。
过滤指采用助滤剂进行过滤,除去溶液中的固体杂质和不溶物。适用的助滤剂包括酸性白土、硅藻土、活性炭、高岭土等,优选硅藻土。过滤机械采用过滤面积为0.5m2的实验室用的水平叶片过滤机。
蒸馏脱溶剂指在加热条件下,通过蒸馏方式分离溶剂和环氧树脂。首先常压升温蒸馏,当温度超过溶剂沸点10~20℃时,开启真空系统,进行负压蒸馏,当体系内温度超过溶剂沸点40~80℃,真空度为-0.09MPa,完成蒸馏工序。采用油浴方式提供热量。真空系统由水环式真空泵或滑阀式真空泵或蒸汽喷射泵提供,实验室可采用小型的旋片式真空泵。
采用本发明的方法获得的氢化双酚A环氧树脂技术特性参数为:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体,
(2)环氧当量(eq/100g):220~250,
(3)可水解氯含量(ppm):≤400,
(4)无机氯含量(ppm):≤100,
(5)粘度(mPas,25℃):2500~6000。
具体分析测试方法参见GB/T13657-92《通用型环氧树脂标准》。
本发明氢化双酚A环氧树脂的新型制备方法的优点在于:①采用不同于通常意义上通用型环氧树脂的合成工艺,打破表卤代醇过量使用的陈旧工艺桎梏,严格按照化学计量配比。②创新采用路易斯酸作为催化剂,开环与闭环反应分开单独进行,完全摒弃过量的表卤代醇回收工艺,制备过程简单、简化,得到的产品性能与进口类似。③添加合适的助溶剂参与反应体系,有效改善传热、传质及能量传递,提高反应效率。④环氧树脂收率明显高于通常工艺,产品成本有效降低,为进一步的推广应用打下了基础。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
实施例1
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助溶剂甲苯100g,启动搅拌,水浴升温到60℃,加入1.0g催化剂三氟化硼乙醚。通过平衡漏斗滴加180g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为5h,温度为70℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的NaOH水溶液,反应时间为3h,温度为80℃。达到工艺时间后加入1200g的主溶剂甲苯,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到300g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):218
(3)可水解氯含量(ppm):248
(4)无机氯含量(ppm):20
(5)粘度(mPas,25℃):3800。
实施例2
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助溶剂二甲苯100g,启动搅拌,水浴升温到80℃,加入催化剂SnCl41.0g。通过平衡漏斗滴加250g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为4.5h,温度为90℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加180g30%的KOH水溶液,反应时间为3.5h,温度为60℃。达到工艺时间后加入1200g的主溶剂甲苯,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到310g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):214
(3)可水解氯含量(ppm):198
(4)无机氯含量(ppm):20
(5)粘度(mPas,25℃):3700
实施例3
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和甲基异丁基酮100g,启动搅拌,水浴升温到60℃,加入1.0g催化剂三氟化硼乙醚。通过平衡漏斗滴加180g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为5h,温度为100℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的NaOH水溶液,反应时间为3h,温度为50℃。达到工艺时间后加入1200g的溶剂甲基异丁基酮,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到301g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):220
(3)可水解氯含量(ppm):232
(4)无机氯含量(ppm):8
(5)粘度(mPas,25℃):4000。
实施例4
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助甲苯50g,启动搅拌,水浴升温到60℃,加入1.0g催化剂三氟化硼乙醚。通过平衡漏斗滴加180g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为5h,温度为90℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的叔丁醇钠反应时间为3h,温度为80℃。达到工艺时间后加入1200g的主溶剂甲苯,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到290g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):225
(3)可水解氯含量(ppm):298
(4)无机氯含量(ppm):6
(5)粘度(mPas,25℃):3650。
实施例5
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助甲基异丁基酮50g,启动搅拌,水浴升温到60℃,加入1.0g催化剂三氟化硼乙醚。通过平衡漏斗滴加180g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为5h,温度为90℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的NaOH水溶液,反应时间为3h,温度为40℃。达到工艺时间后加入1200g的主溶剂甲基异丁基酮,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到292g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):228
(3)可水解氯含量(ppm):243
(4)无机氯含量(ppm):20
(5)粘度(mPas,25℃):3480。
实施例6
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助溶剂甲苯50g,启动搅拌,水浴升温到70℃,加入催化剂SnCl41.0g。通过平衡漏斗滴加250g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为4.5h,温度为80℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的KOH水溶液,反应时间为3.5h,温度为80℃。达到工艺时间后加入1000g的主溶剂甲苯,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到298g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):215
(3)可水解氯含量(ppm):210
(4)无机氯含量(ppm):20
(5)粘度(mPas,25℃):3350。
实施例7
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入200g氢化双酚A和助溶剂甲基异丁基酮100g,启动搅拌,水浴升温到70℃,加入催化剂SnCl41.0g。通过平衡漏斗滴加250g1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为4.5h,温度为70℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加150g30%的NaOH水溶液,反应时间为3.5h,温度为60℃。达到工艺时间后加入600g的主溶剂甲基异丁基酮,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到301g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):213
(3)可水解氯含量(ppm):143
(4)无机氯含量(ppm):6
(5)粘度(mPas,25℃):2960。
实施例8
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入240g氢化双酚A和助溶剂甲基异丁基酮30g,启动搅拌,水浴升温到50℃,加入催化剂SnCl40.3g。通过平衡漏斗滴加106g1-甲基-1-氯-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为4.5h,温度为30℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加68g乙醇钠,反应时间为2h,温度为100℃。达到工艺时间后加入1000g的主溶剂甲基异丁基酮,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到301g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):214
(3)可水解氯含量(ppm):142
(4)无机氯含量(ppm):6
(5)粘度(mPas,25℃):2956。
实施例9
在一个装备有水浴加热装置,搅拌器,温度计,冷凝器,平衡漏斗的2000ml四口烧瓶中,加入240g氢化双酚A和助溶剂甲基异丁基酮240g,启动搅拌,水浴升温到80℃,加入催化剂SnCl41.3g。通过平衡漏斗滴加450g1-甲基-1-溴-2、3-环氧丙烷进行醚化反应,反应时间为10h,温度为120℃。滴加过程中不断观察体系温度变化情况,调整滴加速度,并采取合适的冷却措施。再通过平衡漏斗滴加192g叔丁醇钠,反应时间为8h,温度为40℃。达到工艺时间后加入720g的主溶剂异丙醇,适当升温,进行溶解,溶解温度为50℃,时间0.5h。停止搅拌,静止,分去下层水层及盐分,加入乙酸中和到pH=7。采用200g左右的蒸馏水进行喷淋水洗,放掉下层水层,重复水洗3次。采用水平叶片过滤机进行过滤,得到清晰透明的过滤液体,油浴加热条件下,蒸馏脱出溶剂甲苯,得到301g氢化双酚A环氧树脂。
产物技术指标:
(1)外观:无色至淡黄色透明粘稠液体
(2)环氧当量(eq/100g):216
(3)可水解溴含量(ppm):146
(4)无机溴含量(ppm):9
(5)粘度(mPas,25℃):2962。
Claims (5)
1.一种氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在常压下,控制体系温度为50~80℃,将氢化双酚A溶解于助溶剂中,加入路易斯酸作为催化剂,滴加表卤代醇,进行开环醚化反应,温度30~120℃,时间2~10h,生成卤醇醚;
(2)然后向(1)的产物中滴加浓度为15~100%的碱性物质进行闭环环氧化反应,闭环反应温度为40~100℃,时间为2~8h;
(3)将(2)的产物加入主溶剂进行溶解,经后处理得到氢化双酚A环氧树脂;
其中,所述的氢化双酚A、表卤代醇、碱性物质以及催化剂的摩尔比为1∶1.0~1.5∶1.0~1.5∶0.001~0.003;步骤(1)所述的助溶剂选自苯、甲苯、二甲苯、氯化苯、正丁醇、异丙醇、甲基异丁基酮、甲乙酮或环己酮,用量为氢化双酚A投料量的0.1~1.0倍;步骤(3)所述的主溶剂选自苯、甲苯、二甲苯、氯化苯、正丁醇、异丙醇、甲基异丁基酮、甲乙酮或环己酮,用量为酚投料量的3~6倍。
2.根据权利要求1所述的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,所述开环醚化反应温度为50~80℃,时间为3~5h;所述闭环反应温度为70~80℃,时间为2~4h。
3.根据权利要求1所述的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,所述路易斯酸选自三氟化硼乙醚或SnCl4中的一种或两种。
4.根据权利要求1所述的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,所述的表卤代醇选自1-氯-2、3-环氧丙烷、1-甲基-1-氯-2、3-环氧丙烷、1-溴-2、3-环氧丙烷、1-甲基-1-溴-2、3-环氧丙烷。
5、根据权利要求1所述的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,所述的碱性物质为无机碱或有机碱,所述碱性物质的浓度为30~40%。
6.根据权利要求1所述的氢化双酚A环氧树脂的制备方法,其特征在于,所述的后处理为:采用萃取、中和、水洗、过滤、蒸馏脱溶剂步骤。
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