CN112029058A - 提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法,包括以下步骤:将碱木质素与不饱和烃基酚和苯酚在碱催化剂的作用下,于110‑130℃下反应,反应完全后得到酚化改性碱木质素;向酚化改性碱木质素中加入甲醛,在碱催化剂的作用下进行初步反应,待反应液的温度升温至100‑130℃,向反应液中再次加入甲醛并在100‑130℃下进行二步反应,反应完全后得到不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂。本发明采用不饱和烃基酚改性碱木质素,提高了碱木质素酚醛树脂的韧性,可防止制品开裂,且降低了树脂中游离甲醛的含量。
Description
技术领域
本发明涉及酚醛树脂制备技术领域,尤其涉及一种提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法。
背景技术
工业碱木质素杂质含量多,木质素含量大多不超过50%,其余主要是水分,灰分,糖,水不溶物等。以往研究中多进行纯化后再进行改性研究,如有机溶剂萃取。
经提纯后的碱木质素可以制备木质素改性酚醛树脂,近年来众多学者们尝试使用各种工业木质素代替苯酚制备酚醛树脂,其中碱木质素酚醛树脂制备方法已经较成熟,其制备出来的酚醛树脂较传统酚醛树脂粘性有很大提升。
碱木素酚醛树脂的制备通常有三种方法:甲基化、脱甲基化、碱性条件下酚化。甲基化改性是在木质素芳环和芳环侧链上羟甲基化,在木质素芳环上引入羟甲基,增加反应活性。但是这种方法只是增加了反应活性,却不能增加木质素活性位点数目,所以提升效果并不大。脱甲基化改性是将木质素芳环活性位置上的甲氧基转化为酚羟基的反应。安鑫南等人使用脱甲基化法制出了性能良好的木材胶粘剂。虽然成品性能优良,但其制备过程复杂,成本高(安鑫南.亚铵法制浆造纸废水治理技术[J].湖南造纸,1998,3:34-38.)。碱性条件下酚化是碱木质素在碱性高温条件下与苯酚进行酚化反应,能大大提高碱木质素反应活性。Sudan以碱木质素提取黑液与苯酚进行酚化反应,以木质素代替部分苯酚进行合成,最终制得了性能良好的改性酚醛树脂(Sudan V.Process for preparing a black liquorphenol formaldehyde thermoset resin[P]US:6632912,2003-10-16)。
然而和传统酚醛树脂一样,碱木质素酚醛树脂韧性差,制品易开裂。一些公开的采用酚改性木质素的技术,其原理是采用甲醛发生曼尼西反应,甲醛用量较多,最后得到的树脂产物的游离甲醛含量较高。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明的目的是提供一种提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法,本发明直接采用不饱和烃基酚在碱性条件下改性木质素,能够减少甲醛用量,使最后树脂产物的游离甲醛含量有所降低,同时提高了碱木质素酚醛树脂的韧性,可防止制品开裂。
本发明的第一个目的是提供一种提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法,包括以下步骤:
(1)将碱木质素与不饱和烃基酚和苯酚在碱催化剂的作用下,于110-130℃下反应,反应完全后得到酚化改性碱木质素;其中,碱木质素、不饱和烃基酚和苯酚的摩尔比为1:0.5-1.5:0-1(优选为0.5-1.5:0.5-1);
(2)向所述酚化改性碱木质素中加入甲醛水溶液,在碱催化剂的作用下,在初始温度为20-30℃的条件下进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率5-10℃/min上升,待反应液的温度升温至100-130℃,向反应液中加入再次加入甲醛水溶液并在100-130℃下进行二步反应,反应完全后得到不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂;其中,初步反应中所加入的甲醛占初步反应和二步反应中所加入的甲醛总量的60-90%;所述酚化改性碱木质素与初步反应和二步反应所加入的甲醛总量的摩尔比为1:1-2。
进一步地,在步骤(1)中,不饱和烃基酚为C4-C18不饱和烃基酚。采用以上特定碳链长度的不饱和烃基酚,实验发现4个碳原子的长度对最后的酚醛树脂的韧性就有增强作用,越长的链长其韧性越好。
进一步地,在步骤(1)中,不饱和烃基酚为漆酚、腰果壳油和3-(1-丁烯基)苯酚中的一种或几种。采用不饱和烃基酚作为改性剂,在酚化碱木质素过程中以不饱和烃基酚代替部分或全部苯酚进行反应,可以提高最终制备的改性碱木质素酚醛树脂的韧性,防止制品开裂。此外,本发明采用不饱和烃基酚在碱性条件下改性木质素,能够减少甲醛用量,使最后树脂产物中的游离甲醛含量有所降低。
进一步地,在步骤(1)中,碱木质素的木质素含量为25-50%。
进一步地,在步骤(1)和步骤(2)中,碱催化剂分别独立地选自氢氧化钠和/或氢氧化钾。
进一步地,在步骤(1)中,碱催化剂的质量占碱木质素和苯酚质量之和的4%-6%。
在步骤(1)中,碱木质素活化时用碱做催化剂时,能降低木质素分子链长度,使得活化后的分子中刚性基团相对减少,同时改性后由于不饱和烃基酚接枝到木质素上后,使活化后的分子中柔性链进一步增加,使后面合成改性酚醛树脂的韧性增加。
进一步地,在步骤(2)中,碱催化剂的质量占酚改性木质素和甲醛质量之和的4%-6%。([碱催化剂质量/(酚改性木质素+甲醛质量)]×100%)。
进一步地,在步骤(2)中,反应时间为100-180min。
在步骤(2)中,分步加入甲醛与酚化改性碱木质素反应的原因在于,可使反应更平稳更充分,更容易控制。
本发明的第二个目的是提供一种采用上述方法所制备的不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂。
本发明的第三个目的是公开本发明所制备的不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂作为胶黏剂的应用。
进一步地,不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂作为胶黏剂时,其粘度为660-800mPa·s,pH值为10-12,固含量为41-46%,游离苯酚含量为1.1-1.4%,游离甲醛为0.1-0.18%,拉伸强度为32-40MPa,弯曲强度为60-70MPa。
借由上述方案,本发明至少具有以下优点:
本发明采用不饱和烃基酚改性碱木质素,提高了碱木质素酚醛树脂的韧性,可防止制品开裂,同时降低了碱木质素酚醛树脂的游离甲醛含量。
本发明的不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂作为胶黏剂时,其粘性和韧性较高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合详细说明如后。
具体实施方式
下面结合实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如无特殊说明,以下实施例中,甲醛以水溶液的形式加入反应体系中。改性碱木质素酚醛树脂的性能参照GB/T 14732—2017,GB/T 33333-2016进行测试。
实施例一
第一步:酚化改性碱木质素。称取一定量碱木质素(木质素含量为29%)加入反应装置,以一定摩尔比分别将漆酚、苯酚加入反应装置(碱木质素:漆酚:苯酚=1:0.5:1),加入碱木质素和苯酚总质量5%的NaOH作为反应催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器。当温度升高至设定温度120℃后恒温反应120min,冷却至室温,得到酚化改性碱木质素。
第二步:合成改性酚醛树脂。按照酚化改性碱木质素与甲醛的摩尔比为1:1.5,计算第二步反应所需甲醛总量。将经计算后的甲醛总量的80%加入反应装置,同时加入总质量([碱催化剂质量/(酚改性木质素+甲醛质量)]×100%)5%的碱性催化剂NaOH,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器,初始温度为25℃,进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率10℃/min上升。当升温至反应温度120℃后加入第二批甲醛溶液,进行二步反应,二步反应为在120℃下恒温反应120min,得到漆酚改性碱木质素酚醛树脂。反应结束后取出产物置于密闭容器中,留待检测性能。
以上得到的漆酚改性碱木质素酚醛树脂的粘度为780.0mPa·s,pH值为11.4,固含量为41.3%,游离苯酚含量为1.1%,游离甲醛为0.14%,将漆酚改性碱木质素酚醛树脂成膜后干燥,测试膜的拉伸性能,其拉伸强度为35.4MPa,弯曲强度为67.1MPa。
实施例二
第一步:酚化改性碱木质素。称取一定量碱木质素(木质素含量在31%)加入反应装置,以一定摩尔比分别将腰果壳油、苯酚(碱木质素:腰果壳油:苯酚=1:1:0.5)加入反应装置,加入碱木质素和苯酚总质量4%的NaOH作为反应催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器。当温度升高至设定温度130℃后恒温反应90min,冷却至室温。
第二步:合成改性酚醛树脂。按照酚化改性碱木质素与甲醛的摩尔比为1:1.2,计算第二步反应所需甲醛总量。将经计算后的甲醛总量的80%加入反应装置,同时加入总质量4%的碱性催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器,初始温度为25℃,进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率10℃/min上升。当升温至反应温度100℃后加入第二批甲醛溶液,进行二步反应,二步反应为在100℃下恒温反应180min,得到腰果壳油改性碱木质素酚醛树脂。反应结束后取出产物置于密闭容器中,留待检测性能。
以上得到的腰果壳油改性碱木质素酚醛树脂的粘度为720.0mPa·s,pH值为10.5,固含量为45.5%,游离苯酚含量为1.3%,游离甲醛为0.10%,将腰果壳油改性碱木质素酚醛树脂成膜后干燥,测试膜的拉伸性能,其拉伸强度为38.6MPa,弯曲强度为70.5MPa。
实施例三
第一步:酚化改性碱木质素。称取一定量碱木质素(木质素含量在29%)加入反应装置,以一定摩尔比分别加入3-(1-丁烯基)苯酚、苯酚(碱木质素:3-(1-丁烯基)苯酚:苯酚=1:1:1),加入碱木质素和苯酚总质量6%的NaOH作为反应催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器。当温度升高至设定温度120℃后恒温反应150min,冷却至室温。
第二步:合成改性酚醛树脂。按照酚化改性碱木质素与甲醛的摩尔比为1:1.8,计算第二步反应所需甲醛总量。将经计算后的甲醛总量的80%加入反应装置,同时加入总质量5%的碱性催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器,初始温度为25℃,进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率10℃/min上升。当升温至反应温度130℃后加入第二批甲醛溶液,进行二步反应,二步反应为在130℃下恒温反应100min,得到3-(1-丁烯基)苯酚。反应结束后取出产物置于密闭容器中,留待检测性能。
以上得到的3-(1-丁烯基)苯酚改性碱木质素酚醛树脂的粘度为665.0mPa·s,pH值为11,固含量为42.0%,游离苯酚含量为1.4%,游离甲醛为0.18%,将3-(1-丁烯基)苯酚改性碱木质素酚醛树脂成膜后干燥,测试膜的拉伸性能,其拉伸强度为32.7MPa,弯曲强度为60.5MPa。
实施例四
第一步:酚化改性碱木质素。称取一定量碱木质素(木质素含量为29%)加入反应装置,以一定摩尔比分别将乙烯基苯酚、苯酚加入反应装置(碱木质素:乙烯基苯酚:苯酚=1:0.5:1),加入碱木质素和苯酚总质量5%的NaOH作为反应催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器。当温度升高至设定温度120℃后恒温反应120min,冷却至室温,得到酚化改性碱木质素。
第二步:合成改性酚醛树脂。按照酚化改性碱木质素与甲醛的摩尔比为1:1.5,计算第二步反应所需甲醛总量。将经计算后的甲醛总量的80%加入反应装置,同时加入总质量5%的碱性催化剂NaOH,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器,初始温度为25℃,进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率10℃/min上升。当升温至反应温度120℃后加入第二批甲醛溶液,进行二步反应,二步反应为在120℃下恒温反应120min,得到乙烯基苯酚改性碱木质素酚醛树脂。反应结束后取出产物置于密闭容器中,留待检测性能。
以上得到的乙烯基苯酚改性碱木质素酚醛树脂的粘度为360.0mPa·s,pH值为10.0,固含量为44.4%,游离苯酚含量为1.0%,游离甲醛为0.18%,将漆酚改性碱木质素酚醛树脂成膜后干燥,测试膜的拉伸性能,其拉伸强度为20.8MPa,弯曲强度为31.2MPa。
实施例五
第一步:酚化改性碱木质素。称取一定量碱木质素(木质素含量为29%)加入反应装置,以一定摩尔比分别将漆酚、苯酚加入反应装置(碱木质素:漆酚:苯酚=1:0.5:1),加入碱木质素和苯酚总质量5%的NaOH作为反应催化剂,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器。当温度升高至设定温度120℃后恒温反应120min,冷却至室温,得到酚化改性碱木质素。
第二步:合成改性酚醛树脂。按照酚化改性碱木质素与甲醛的摩尔比为1:1.5,计算第二步反应所需甲醛总量。向反应器中加入碱木质素和甲醛,同时加入总质量5%的碱性催化剂NaOH,开启冷凝装置同时升温并开启搅拌器,初始温度为25℃,反应液的温度以升温速率10℃/min上升。当升温至反应温度120℃后,恒温反应120min,得到漆酚改性碱木质素酚醛树脂。反应结束后取出产物置于密闭容器中,留待检测性能。
以上得到的漆酚改性碱木质素酚醛树脂的粘度为704.5mPa·s,pH值为11.8,固含量为38.5%,游离苯酚含量为1.9%,游离甲醛为0.76%,将漆酚改性碱木质素酚醛树脂成膜后干燥,测试膜的拉伸性能,其拉伸强度为30.4MPa,弯曲强度为56.1MPa。
以上仅是本发明的优选实施方式,并不用于限制本发明,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变型,这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种提高碱木质素酚醛树脂韧性的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将碱木质素与不饱和烃基酚和苯酚在碱催化剂的作用下,于110-130℃下反应,反应完全后得到酚化改性碱木质素;其中,所述碱木质素、不饱和烃基酚和苯酚的摩尔比为1:0.5-1.5:0-1;
(2)向所述酚化改性碱木质素中加入甲醛水溶液,在碱催化剂的作用下,在初始温度为20-30℃的条件下进行初步反应,初步反应过程中,反应液的温度以升温速率5-10℃/min上升,待反应液的温度升温至100-130℃,向反应液中再次加入甲醛水溶液并在100-130℃下进行二步反应,反应完全后得到不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂;其中,初步反应中所加入的甲醛占初步反应和二步反应中所加入的甲醛总量的60-90%;所述酚化改性碱木质素与初步反应和二步反应所加入的甲醛总量的摩尔比为1:1-2。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述不饱和烃基酚为C4-C18不饱和烃基酚。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述不饱和烃基酚为漆酚、腰果壳油和3-(1-丁烯基)苯酚中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述碱木质素的木质素含量为25-50%。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(1)和步骤(2)中,所述碱催化剂分别独立地选自氢氧化钠和/或氢氧化钾。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述碱催化剂的质量占碱木质素和苯酚质量之和的4%-6%。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(2)中,所述碱催化剂的质量占酚化改性碱木质素和甲醛质量之和的4%-6%。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在步骤(2)中,反应时间为100-180min。
9.一种权利要求1-8中任一项所述的方法所制备的不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂。
10.权利要求9所述的不饱和烃基酚改性碱木质素酚醛树脂作为胶黏剂的应用。
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Legal Events
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---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201204 |