CN102775569A - 一种木质素改性酚醛树脂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种改性酚醛树脂及其制备方法和用途，包括以下步骤：（a）将木质素和磺化剂混合均匀，在碱性条件下，升温到80-95℃，反应1-3h，然后降温到50-60℃，加入甲醛，反应1-3h，得到含有磺化木质素的第一混合物；（b）将苯酚与甲醛混合均匀反应，控制温度62-85℃，在碱性条件下得到含有酚醛树脂的第二混合物；（c）将步骤（a）中得到的第一混合物与步骤（b）中得到的第二混合物混合均匀，在碱性环境中，控制反应温度60-100℃反应，至游离酚低于1%，冷却至室温即得。制备的酚醛树脂粘度低，强度高，水溶性优良，被广泛应用在岩棉、矿渣面等需要喷涂树脂的产品中。

Description

一种木质素改性酚醛树脂的制备方法

技术领域

本发明涉及酚醛树脂技术领域，具体涉及一种可用于喷涂之用的低粘度改性酚醛树脂及其制备方法。

背景技术

木质素是唯一一种能从再生资源中获得的天然芳香族有机原料，具有无毒廉价易被生物分解的特性受到各国日益重视。木质素改性的各类酚醛树脂因为其优良的强度性能在保温板中也得到了广泛的应用。

现有的木质素改性技术制得的树脂粘度都在100Mpa.s以上。中国专利CN101348698A公开了了一种碱性木质素酚醛复合胶的制备方法，通过该方法制得的酚醛树脂胶黏剂粘度在300-800Mpa.s。中国专利CN102199266A公开一种碱木质素改性酚醛发泡树脂的制备方法，通过该方法制得的酚醛树脂粘度为8400-9000Mpa.s。此种高粘度的木质素改性酚醛树脂主要应用于界面粘结剂领域，但因其水溶性较差，无法把粘度调低，因此很难在岩棉、矿渣面等需要喷涂树脂的产品中得到应用，使得木质素改性酚醛树脂的应用范围受到限制。另一方面，现有技术中通过苯酚磺化制备的酚醛树脂，用于喷涂时存在脆性大、强度低的缺点，原因之一是在较高温度磺化的同时也加入甲醛，由于温度太高，聚合能大，羟甲基化不完全的情况下就会进行下一步缩合，容易导致反应不完全而被终止；原因之二是因为酚类和醛类的反应速率比磺化反应速率要快，在相同温度下加入磺化剂和甲醛，会导致磺化反应不完全，进而影响酚醛树脂的性能。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是现有技术中木质素改性酚醛树脂水溶性差，无法把粘度调低，很难在岩棉、矿渣面等需要喷涂树脂的产品中得到应用。

本发明所要解决的第二个技术问题是现有技术中通过苯酚磺化制备的酚醛树脂，用于喷涂时存在脆性大、强度低的缺点。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种制备木质素改性酚醛树脂的方法，包括以下步骤：

（a）制备磺化木质素：将木质素和磺化剂混合均匀，在碱性条件下，升温到80-95℃，反应1-3h，然后降温到50-60℃，加入甲醛，反应1-3h，得到含有磺化木质素的第一混合物；

（b）制备酚醛树脂：将苯酚与甲醛混合均匀反应，控制温度62-85℃，在碱性条件下得到含有酚醛树脂的第二混合物；

（c）制备木质素改性酚醛树脂：将步骤（a）中得到的第一混合物与步骤（b）中得到的第二混合物混合均匀，在碱性环境中，控制反应温度60-100℃反应，至游离酚低于1%，冷却至室温即得。

所述磺化剂为硫酸、氯磺酸、硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠中的一种或几种的混合物。

所述步骤（a）中木质素，甲醛和磺化剂的质量比为5-8.2：7-9.8：1-2.2。

所述步骤（b）中苯酚与甲醛的质量比为10-12：8-10。

所述步骤（c）中第一混合物和第二混合物以1:2-5的质量比混合。

所述步骤（b）或（c）中，还可加入催化剂，包括氢氧化钠，氧化钙，氢氧化钡中的一种或几种的混合物。

所述步骤（c）中，所述碱性催化剂占所述第二混合物质量份数的0.8%-2.3%。

所述步骤（c）中，所述第一混合物和所述第二混合物的质量比为1:5。

一种上述方法制备的改性酚醛树脂在喷涂中的应用，将改性酚醛树脂加水调节粘度至4-100Mpa.s，优选7-50Mpa.s，并调节pH值为7.4-9.9。

与现有技术相比，本发明所述的技术方案具有如下优点：

1、本发明选用磺化剂将木质素磺化，从而大大提高了木质素在树脂胶中的分散性，克服了在酚醛树脂黏度较小时易沉淀的问题，同时也提高了酚醛树脂的强度，使得其与现有的酚醛树脂混合后粘度小于100Mpa.s，可用于喷涂之用，使得磺化木质素应用在粘度较小的喷涂型酚醛树脂中具有非常明显的优势。

2、本发明所述改性酚醛树脂的制备方法，步骤（a）中在80-95℃之间磺化木质素，后降温在50-60℃下加入甲醛得到磺化木质素，然后在步骤（c）中升温到70-90℃缩聚得到最终的木质素改性酚醛树脂。原因之一是如果在80-95℃之间同时也加入甲醛，由于温度太高，聚合能大，羟甲基化不完全的情况下就会进行下一步缩合，容易导致反应不完全而被终止；原因之二是因为木质素和醛类的反应速率比磺化反应速率要快，因此我们先进行磺化反应，磺化充分后在进行酚醛树脂的合成，这样得到的酚醛树脂水溶性好，柔韧性好，同时又具有较高的强度，改善了目前喷涂用树脂脆性大、强度低的缺点。

3、本发明所述的木质素改性酚醛树脂中，碱木质素的加入量可以达到30-45%（占苯酚）而且不会影响树脂的使用和施工，同时，由于磺化使得木质素其分子上含有甲氧基，羟基，酚羟基和醇羟基，不饱和双键，磺酸盐和醚键等官能团，为部分替代苯酚制备酚醛树脂胶提供了基础。

4、由于木质素广泛存在于木本植物、草本植物、维管植物中，是自然界中在数量上仅次于纤维素的第二大天然高分子材料，属于可再生资源，大大降低了生产成本。

5、将本发明制备的酚醛树脂应用到岩棉板中发现，该酚醛树脂与基板间有很好的密实性，提高了岩棉板的强度，同时，将本发明制得的改性酚醛树脂应用到岩棉板具有很好水溶性和耐水性能。

具体实施方式

实施例1

称取固含量为8%，pH为9的溶剂型木质素5g，浓度50%的浓硫酸和硫代硫酸钠共1g，混合均匀，用氢氧化钠调节pH至7.2，升温到80℃，反应3小时，然后降温到50℃，加入浓度37%的甲醛溶液7g，反应3小时，得到含有磺化木质素的第一混合物；

称取10g苯酚，37%甲醛溶液8g，混合，用氢氧化钠调节pH至7.2，控制温度在62℃，反应2h，得到含有酚醛树脂的第二混合物；

将第一混合物与第二混合物以1:2的质量比混合，用氢氧化钠调节pH至7.2，温度控制在60℃，反应2h，冷却至室温即得到改性酚醛树脂。

实施例2

称取固含量为25%，pH为12的溶剂型木质素8.2g，亚硫酸氢钠2.2g，混合均匀，用氢氧化钙调节pH至13，升温到95℃，反应1小时，然后降温到60℃，加入浓度37%的甲醛溶液9.8g，反应1小时，得到含有磺化木质素的第一混合物；

称取12g苯酚，37%甲醛溶液10g，混合，用氢氧化钙调节pH至13，控制温度在85℃，反应7h，得到含有酚醛树脂的第二混合物；

将第一混合物与第二混合物以1:2的质量比混合，用氢氧化钙调节pH至13，温度控制在100℃，反应2h，冷却至室温即得到改性酚醛树脂。

实施例3

称取固含量为20%，pH为10的碱性木质素6.6g，氯磺酸1.6g，混合均匀，用氢氧化钠调节pH至10.1，升温到90℃，反应2小时，然后降温到55℃，加入浓度37%的甲醛溶液8.4g，反应2小时，得到含有磺化木质素的第一混合物；

称取11g苯酚，37%甲醛溶液9g，混合，用氢氧化钠调节pH至10.1，控制温度在74℃，反应4h，得到含有酚醛树脂的第二混合物；

将第一混合物与第二混合物以1:2的质量比混合，用氢氧化钠调节pH至10.1，温度控制在80℃，反应3h，测测酚含量在0.7%，冷却至室温即得到改性酚醛树脂。

实施例4

称取固含量为56%，pH为10的碱性木质素7g，硫酸氢钠1.2g，混合均匀，用氢氧化钠调节pH至9，升温到85℃，反应2小时，然后降温到55℃，加入浓度37%的甲醛溶液8g，反应2小时，得到含有磺化木质素的第一混合物；

称取11g苯酚，37%甲醛溶液8g，混合，用氢氧化钠调节pH至9，控制温度在80℃，反应4h，得到含有酚醛树脂的第二混合物；

将第一混合物与第二混合物以1:2的质量比混合，用氢氧化钠调节pH至9，温度控制在90℃，反应3h，测测酚含量在0.8%，冷却至室温即得到改性酚醛树脂。

对比例1

称取11g苯酚与氧化钙0.7g混合升温80℃，反应3h，然后加37%甲醛溶液8g，继续升温并控制在80℃，反应至含量为11%，得一混合物；

在混合物中混入固含20%木质素7g，加入氢氧化钠1.5g反应，温度控制在90℃，反应3h；

将上述反应产物降至室温，调整PH值到8.5-8.9，得到改性酚醛树脂。

对比例2

称取固含量为56%，pH为10的碱性木质素7g，浓度37%的甲醛溶液8g，混合均匀，用氢氧化钠调节pH至9，升温到85℃，反应3小时，得到含有磺化木质素的第一混合物；

称取11g苯酚，37%甲醛溶液8g，混合，用氢氧化钠调节pH至9，控制温度在80℃，反应4h，得到含有酚醛树脂的第二混合物；

将第一混合物与第二混合物以1:2的质量比混合，用氢氧化钠调节pH至9，温度控制在90℃，反应3h，测测酚含量在0.8%，冷却至室温即得到改性酚醛树脂。

性能对比实验1

对上述实施例1-4和对比例制备的酚醛树脂的性能进行测定，按照GB/T 1843-2008选用NDJ-79型旋转粘度计测粘度，用去离子水进行水溶性测定（即测定使树脂浑浊所用去离子水与树脂质量的比值），结果如下表：

表1

从上述性能对比实验可以看出，利用本发明制备方法制得的改性酚醛树脂，与现有技术制备的酚醛树脂相比，水溶性提高，可以加水调节到较低粘度，用于喷涂。

性能对比实验2

对上述实施例1-8和对比例2制备的酚醛树脂的性能进行测定，按照GB/T 1843-2008选用NDJ-79型旋转粘度计测粘度，用去离子水进行水溶性测定（即测定使树脂浑浊所用去离子水与树脂质量的比值），用标准号GB/T1449-2005的方法测定弯曲强度，用标准号GB/T1451-2005的方法测定冲击强度，结果如表2：

表2

从上述性能对比实验可以看出，利用本发明制备方法制得的改性酚醛树脂，与现有技术用木质素制备的酚醛树脂相比，水溶性、粘度相当，但柔韧性更好，强度更高，更适合用于喷涂。

虽然本发明已经通过上述具体实施例对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员应该明白，在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (10)

1.一种制备木质素改性酚醛树脂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（a）制备磺化木质素：将木质素和磺化剂混合均匀，在碱性条件下，升温到80-95℃，反应1-3h，然后降温到50-60℃，加入甲醛，反应1-3h，得到含有磺化木质素的第一混合物；

（b）制备酚醛树脂：将苯酚与甲醛混合均匀反应，控制温度62-85℃，在碱性条件下得到含有酚醛树脂的第二混合物；

（c）制备木质素改性酚醛树脂：将步骤（a）中得到的第一混合物与步骤（b）中得到的第二混合物混合均匀，在碱性环境中，控制反应温度60-100℃反应，至游离酚低于1%，冷却至室温即得。

2.根据权利要求1所述的制备木质素改性酚醛树脂的方法，其特征在于：所述磺化剂为硫酸、氯磺酸、硫代硫酸钠、亚硫酸氢钠中的一种或几种的混合物。

3.根据权利要求1或2所述的改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（a）中木质素，甲醛和磺化剂的质量比为5-8.2：7-9.8：1-2.2。

4.根据权利要求3所述的改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（b）中苯酚与甲醛的质量比为10-12：8-10。

5.根据权利要求4所述的改性酚醛树脂的制备方法，其特征在于：所述步骤（c）中第一混合物和第二混合物以1:2-5的质量比混合。

6.根据权利要求1-5任一所述的制备木质素改性酚醛树脂的方法，其特征在于：所述步骤（b）或（c）中，还可加入催化剂，包括氢氧化钠，氧化钙，氢氧化钡中的一种或几种的混合物。

7.根据权利要求6所述的制备木质素改性酚醛树脂的方法，其特征在于：所述步骤（c）中，所述碱性催化剂占所述第二混合物质量份数的0.8%-2.3%。

8.根据权利要求7所述的制备木质素改性酚醛树脂的方法，其特征在于：所述步骤（c）中，所述第一混合物和所述第二混合物的质量比为1:5。

9.一种权利要求1至8任一方法制备的改性酚醛树脂在喷涂中的应用，其特征在于：将改性酚醛树脂加水调节粘度至4-100Mpa.s、并调节pH值为7.4-9.9。

10.根据权利要求9所述改性酚醛树脂在喷涂中的应用，其特征在于：将改性酚醛树脂加水调节粘度至7-50Mpa.s。