CN108192055B - 一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，原料采用苯酚、甲醛、催化剂、碳酰胺、丁腈橡胶、有机溶剂，加热溶解苯酚并加入丁腈橡胶，再加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，反应至一定程度后进行降温并加入碳酰胺，利用真空脱水再添加部分有机溶剂，然后降温，加入部分有机溶剂，然后继续降温，最后加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。与现有技术相比，本发明大大提高了酚醛树脂的柔韧性，通过此方法合成的酚醛树脂浸渍芳纶蜂窝纸制成的蜂窝芯材强度有了很大的提升。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料领域，尤其是涉及一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺。
背景技术
芳纶蜂窝夹层结构因比强度高、比刚度高、隔热、透波及优异的介电性能，在航天航空等军事领域得到广泛的应用。蜂窝夹层结构主要由蒙皮、胶膜和蜂窝芯材组成，结构的整体性能主要由芯材的性能决定，若蜂窝的芯材强度不够，则极易发生整个夹层结构的塌陷。
蜂窝芯材制备工艺中采用的浸渍树脂种类很多，有碳酰胺树脂、沥青树脂、酚醛树脂和环氧树脂，其中酚醛树脂和环氧树脂制成的蜂窝芯材抗压强度最好。由于酚醛树脂浸渍芳纶蜂窝纸制成的制品耐热性、防火性高，发烟量低等优点，目前市场上大多数采用的是酚醛树脂浸渍芳纶蜂窝纸制备蜂窝芯材。
众所周知，热固性的酚醛树脂是由苯酚、甲醛在碱性条件下，经过加成和缩聚反应制得的一种乙阶液体酚醛树脂，该树脂分子呈网状结构排列，加热固化后表现很强的脆性。用该树脂浸渍制得的芳纶蜂窝芯材制品脆性高，抗压强度低，抗压强度普遍小于1.5Mpa。
中国专利CN106700002A公开了端羟基丁腈橡胶增韧的酚醛发泡树脂，涉及一种酚醛发泡树脂，由下述部分组成：酚类化合物、醛类化合物、改性剂、催化剂。系采用如下步骤：(1)将熔融酚类化合物、碱催化剂混合，加入水浴锅中升温至60℃，(2)再分批量加入醛类化合物，控制半小时内加完。(3)全部加完后保温半小时使醛类化合物反应完毕。(4)再加入改性剂，放在磁力搅拌器中搅拌10min，升温后恒温反应一个半小时，降温，使用PH调节剂调节PH到7-8，脱水冷却24h即可得到改性目标酚醛树脂。所得到的改性酚醛树脂具有良好的力学性能和综合性能。但是从该专利所公开的技术方案来看，合成的树脂为酚醛发泡树脂，一般粘度在2000～15000cps之间，虽然经过脱水工艺，但是树脂中还是含有一定量的水分(一般不低于6％)，属于水溶性酚醛树脂。
若用专利CN106700002A工艺脱水至树脂粘度在20～40cps之间，则树脂中含有大量的水分，芳纶蜂窝浸渍后，蜂窝难以固化，不符合芳纶蜂窝固化工艺要求；若用专利CN106700002A工艺脱水，脱水至100℃，由于采用的NaOH催化剂，极易导致脱水过程中树脂固化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大大提升柔韧性的芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及重量份含量备料：苯酚1000、甲醛1000～1400、催化剂20～40、碳酰胺20～30、丁腈橡胶10～20、有机溶剂800～1200；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58-62℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，反应至一定程度后进行降温；
(4)加入碳酰胺，继续恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加部分有机溶剂，然后降温；
(6)继续恒温反应到一定程度后加入部分有机溶剂，然后继续降温；
(7)继续恒温反应到一定程度后加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂，粘度在20～40cps，固化时间在50～55sec，固体含量在45～55％。
优选地，甲醛为37wt％的甲醛，甲醛与苯酚的摩尔比为1.2～1.6，催化剂与苯酚的质量比为3％，碳酰胺与苯酚的质量比为2～3％，丁腈橡胶与苯酚的质量比为1～2％，有机溶剂与苯酚的质量比为0.8～1.2。
优选地，步骤(3)中的加热反应温度控制在90～95℃，反应至一定程度为指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为120～130s，然后降温至60～65℃。
优选地，步骤(4)中的恒温反应的温度控制在60～65℃。
优选地，步骤(5)中加入的有机溶剂占总量的10wt％，然后降温至90～95℃。
优选地，步骤(6)中反应到一定程度是指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为80～85s，加入的有机溶剂占总量的20wt％，然后降温至85～88℃。
优选地，步骤(7)中反应到一定程度是指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为50～55s，加入的有机溶剂占总量的70wt％，然后降温至85～88℃。
采用分段式反应合成，第一步90～95℃反应为主反应阶段，完成了大部分的加成和缩聚反应；第二部脱水过程，脱水至100℃,保证溶液中的水基本脱完，最后树脂的水分含量极低，从而确保最终制得蜂窝芯材的质量；后续分段反应及有机溶剂的添加为树脂反应程度控制，如全部高温反应很容易发生固化凝胶现象，如全部低温反应则时间很长，通过高低温分段反应可以在一定时间内有效控制好反应程度，最终得到质量稳定的产品。
优选地，所述的催化剂为胺类催化剂，更加优选可以选自氨水、三乙胺或N-N二甲基乙醇胺中的一种或几种。
优选地，有机溶剂为易挥发性有机溶剂，更加优选可以采用甲醇或乙醇。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
第一、合成的丁腈橡胶改性酚醛树脂，在酚醛树脂分子链中嵌入柔性基团，提高树脂及其制品的韧性，提高制品的强度，粘度在20～40cps，粘度小，流动性好，浸润性好；固含量在45～55％，固体含量高，制成的蜂窝芯材制品强度高；树脂在150℃条件下检测的固化时间为50～55sec，固化速度适中，符合蜂窝芯材制备工艺要求；本发明最为关键的是在树脂合成过程中添加了丁腈橡胶改性，在树脂分子链中嵌入了柔性基团，大大提高了酚醛树脂的柔韧性，从而改善了普通酚醛树脂浸渍芳纶蜂窝纸制得制品的脆性，从而提高了制品的强度，可以达到1.8Mpa以上。
第二，本申请专利合成的丁腈橡胶改性酚醛树脂主要用于芳纶蜂窝纸浸渍,然后固化成型形成芳纶蜂窝,对树脂的主要要求有树脂粘度低(20～40cps)、树脂水分含量低(小于1％)、树脂韧性好(丁腈橡胶改性)。
第三、本申请专利采用胺类催化剂，催化活性小，并且采用分段脱水，分段添加有机溶剂，过程稳定性好，能够合成出所需要的改性酚醛树脂。
第四、本工艺树脂合成后期真空脱水，在-0.095MPa以上真空条件下脱水至100℃，树脂中的水基本脱完，剩余极少量的水；通过添加大量的有机溶剂稀释脱水后的树脂，从而树脂最终粘度可控制在20～40cps，形成醇溶性的树脂。
具体实施方式
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及重量份含量备料：苯酚1000、37wt％的甲醛1000～1400、催化剂20～40、碳酰胺20～30、丁腈橡胶10～20、有机溶剂800～1200，使用的催化剂为胺类催化剂，例如可以选自氨水、三乙胺或N-N二甲基乙醇胺中的一种或几种，有机溶剂为易挥发性有机溶剂，包括甲醇或乙醇；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58-62℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，反应温度控制在90～95℃，反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为120～130s，然后降温至60～65℃；
(4)加入碳酰胺，继续在60～65℃恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加部分有机溶剂，有机溶剂占总量的10wt％，然后降温至90～95℃；
(6)继续恒温反应到溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为80～85s，加入的有机溶剂占总量的20wt％，然后降温至85～88℃；
(7)继续恒温反应到溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为50～55s，加入的有机溶剂占总量的70wt％，然后降温至85～88℃，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及含量备料：苯酚1000g、37wt％的甲醛1000g、氨水催化剂20g、碳酰胺20g、丁腈橡胶10g、有机溶剂甲醇800g；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，温度控制在90℃，反应至反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为120s后进行降温至60℃；
(4)加入碳酰胺，继续在60℃下恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加总量的10wt％的有机溶剂，然后降温至90℃；
(6)继续恒温反应到指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为80s，加入总量的20wt％的有机溶剂，然后继续降温至85℃；
(7)继续恒温反应到取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为50s，加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
实施例2
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及含量备料：苯酚1000g、37wt％的甲醛1035g、催化剂三乙胺30g、碳酰胺25g、丁腈橡胶15g、有机溶剂乙醇1000g；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，温度控制在92℃，反应至反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为125s后进行降温至62℃；
(4)加入碳酰胺，继续在62℃下恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加总量的10wt％的有机溶剂，然后降温至92℃；
(6)继续恒温反应到指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为82s，加入总量的20wt％的有机溶剂，然后继续降温至86℃；
(7)继续恒温反应到取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为52s，加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
实施例3
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及含量备料：苯酚1000g、37wt％的甲醛1380g、催化剂三乙胺30g、碳酰胺25g、丁腈橡胶15g、有机溶剂乙醇1000g；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，温度控制在92℃，反应至反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为125s后进行降温至62℃；
(4)加入碳酰胺，继续在62℃下恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加总量的10wt％的有机溶剂，然后降温至92℃；
(6)继续恒温反应到指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为82s，加入总量的20wt％的有机溶剂，然后继续降温至86℃；
(7)继续恒温反应到取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为52s，加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
实施例4
一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，采用以下步骤：
(1)按照以下组分及含量备料：苯酚1000g、甲醛1400g、催化剂N-N二甲基乙醇胺40g、碳酰胺30g、丁腈橡胶20g、有机溶剂乙醇1200g；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在62℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，温度控制在95℃，反应至反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为130s后进行降温至65℃；
(4)加入碳酰胺，继续在65℃下恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加总量的10wt％的有机溶剂，然后降温至95℃；
(6)继续恒温反应到指取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为85s，加入总量的20wt％的有机溶剂，然后继续降温至88℃；
(7)继续恒温反应到取出反应溶液在150℃条件下，发生交联固化的时间为55s，加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
采用芳纶蜂窝纸(美国杜邦)，裁剪成200*200*25尺寸，分别浸渍以上实施例酚醛树脂，然后拉伸定型，放入100～100℃烘箱中固化成型。以同样的方法制作一个没有经过丁腈橡胶改性酚醛树脂浸渍成型的芳纶蜂窝样品，然后在万能拉力机上测试其压缩强度，数据如下：
| 序号 | 采用的酚醛树脂 | 芳纶蜂窝样品压缩强度 |
| 1 | 普通酚醛树脂 | 1.25MPa |
| 2 | 实施例1 | 1.70MPa |
| 3 | 实施例2 | 1.66MPa |
| 4 | 实施例3 | 1.69MPa |
| 5 | 实施例4 | 1.69MPa |
通过上述实验数据可以看出，本申请制备得到的产品具有更高的压缩强度，说明通过本发明制备得到的产品能够改善脆性，从而提高了制品的强度以及柔韧性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (11)
1.一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，该工艺采用以下步骤：
(1)按照以下组分及重量份含量备料：苯酚1000、甲醛1000～1400、催化剂20～40、碳酰胺20～30、丁腈橡胶10～20、有机溶剂800～1200；
(2)加热溶解苯酚并投入反应容器，开启搅拌，加入丁腈橡胶后在58-62℃的条件下恒温搅拌至丁腈橡胶全部溶解；
(3)加入甲醛与催化剂然后进行加热反应，取出反应溶液在150℃条件下，交联固化120～130s，然后进行降温；
(4)加入碳酰胺，继续恒温反应；
(5)利用真空脱水，脱水至100℃后，转换常压回流，立即添加部分有机溶剂，然后降温；
(6)继续恒温反应，取出反应溶液在150℃条件下，交联固化80～85s，加入部分有机溶剂，然后继续降温；
(7)继续恒温反应，取出反应溶液在150℃条件下，交联固化50～55s，加入剩余的有机溶剂，再迅速降温至常温，制备得到芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂。
2.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，所述的甲醛为37wt％的甲醛，甲醛与苯酚的摩尔比为1.2～1.6。
3.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，步骤(3)中的加热反应温度控制在90～95℃，然后降温至60～65℃。
4.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，步骤(4)中的恒温反应的温度控制在60～65℃。
5.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，步骤(5)中加入的有机溶剂占总量的10wt％，然后降温至90～95℃。
6.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，步骤(6)中加入的有机溶剂占总量的20wt％，然后降温至85～88℃。
7.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，步骤(7)中加入的有机溶剂占总量的70wt％，然后降温至85～88℃。
8.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，所述的催化剂为胺类催化剂。
9.根据权利要求1或8所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，所述的催化剂选自氨水、三乙胺或N, N- 二甲基乙醇胺中的一种或几种。
10.根据权利要求1所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，所述的有机溶剂为易挥发性有机溶剂。
11.根据权利要求10所述的一种芳纶蜂窝用丁腈橡胶改性酚醛树脂的合成工艺，其特征在于，所述的有机溶剂包括甲醇或乙醇。
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