CN113980269A - 三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了三聚氰胺‑二胺或多胺‑尿素三元共缩聚热固性树脂及其制备方法和应用,三元共缩聚热固性树脂由三聚氰胺、二胺或多胺、尿素在酸性催化剂催化下合成,其中二胺或多胺为至少含有两个伯氨基的脂肪胺类化合物。原料配比按物料摩尔比计算,三聚氰胺:二胺或多胺:尿素的摩尔比为1:2‑8:2‑8。三元共缩聚热固型树脂合成中无需使用溶剂,并且使用的催化剂无需分离,产物无需纯化可直接使用或者配置成20%‑90%水溶液使用,具有合成简单、无甲醛释放、绿色环保、稳定性好、性能优异等优点,可用于粘接木材、金属、玻璃、塑料,还可用作胶黏剂的改性剂和木材、纸张、塑料等材料的阻燃剂。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域,具体涉及一种三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元 共缩聚热固型树脂及其制备方法和应用。
背景技术
1834年,李比希第一次从加热硫氰酸钾和氯化铵的混合物中得到三聚氰胺, 从此开启三聚氰胺的工业化生产之路。截止2019年底,三聚氰胺的全球总产能 达达到267.6万吨,广泛应用在塑料、胶黏剂、涂料、阻燃剂等。三聚氰胺最主 要的用途是生产三聚氰胺甲醛(MF)树脂,用于人造板生产。该树脂生产的人 造板同脲醛树脂(UF)和酚醛树脂(PF)一样都存在严重的甲醛释放问题。甲 醛在2004年已被世界卫生组织国际癌症研究中心(IARC)确定为I类致癌和致 畸物,人造板的甲醛释放问题严重影响了的人居环境健康。因此,寻找新的无醛 树脂以替代传统甲醛系树脂是人造板产业可持续发展的关键。
另外,由于人造板由天然木材和胶黏剂复合而成,而天然木材属于易燃物, 同样对我们的生命财产造成潜在威胁。在人造板制造过程中,胶黏剂树脂固化后 附着于木材表面,在起到粘接作用的同时也一定程度上隔绝了氧气,减缓了燃烧 过程。因此,同时具有优异胶合性能和优良阻燃性能的无醛胶黏剂无疑可以使人 造板产品的安全性显著提升。因此,为了解决甲醛释放问题和开发新型的阻燃材 料,世界各国学者都在积极研发绿色、高性能、多功能的高分子树脂材料。
专利CN 101679630A公开了一种多支链三聚氰胺的制备方法,并将其作为 环氧树脂固化剂。该方法优选每摩尔三聚氰胺与2-3mo1的一种或多种二元胺或 多元胺在酸性催化剂存在下反应,其中酸性催化剂包括所有强和中等强度的质子 酸,当在100℃下测量的粘度达到500-100000mPas时,通过温度降低停止反应 得到多支链三聚氰胺。
专利CN 1918212A公开了一种制备高官能度高度支化聚脲的方法,该方法 使一种或多种脲与一种或多种具有至少两个伯和/或仲氨基的胺类反应,其中至 少一种胺具有至少三个伯和/或仲氨基。为了促进胺与脲之间的反应,还可以在 反应中加入催化剂或催化剂混合物,例如碱金属或碱土金属的氮氧化物、碱金属 或碱土金属的碳酸盐。
专利CN 112812712 A公开了一种阻燃胶黏剂及其应用,通过对水性高分子 -异氰酸酯剂中的主剂聚乙烯醇进行磷酸酯化改性,同时利用磷硅阻燃剂作为水 性高分子一异氰酸酯胶黏剂的填料,从而制得阻燃胶黏剂。然后通过常规工艺制 得阻燃胶合板。
本发明的一种三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂在合成原 料、合成方法或应用方法和领域上与上述专利不同。
目前,缺乏一种稳定无毒且具有阻燃性能的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元 共缩聚热固型树脂及其制备方法和应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种合成工艺简单、能粘接多种材料、粘接性能优异、 稳定无毒且具有阻燃性能的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂 及其制备方法和应用。
为了解决现有技术的问题,本发明提供了如下技术方案:本发明的一种三聚 氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿 素三元共缩聚热固型树脂由三聚氰胺、二胺或多胺和脲组成,所述的三聚氰胺、 二胺或多胺和尿素的摩尔比为1:2-8:2-8。
进一步地,所述的三元共缩聚热固型树脂在90-115℃为白色或淡黄色液体或 固体,在室温下为白色或淡黄色固体,所述的三元共缩聚热固型树脂可制成质量 分数为20%-90%的水溶液;所述的二胺或多胺指至少含有两个伯氨基的脂肪胺 类化合物,一般是线性或支化的二胺或多胺。
进一步地,所述的二胺或多胺为1,6-己二胺、三乙烯四胺。
更进一步地,所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂分子 内部链段的结构如式(I)所示:
采用不同二胺或多胺合成的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素共缩聚热固型树脂 在内部链段结构有所差异,但共同点在于聚合物端基中含有伯氨基、一取代脲基、 一取代三聚氰胺基、二取代三聚氰胺基中的两种或四种。
所述的聚合物端基的结构如式(II)所示:
本发明所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂的制备方 法,包括如下步骤:
(1)准确称取所述的三聚氰胺、二胺或多胺和催化剂,将三聚氰胺、二胺 或多胺和催化剂以一定比例在室温下混合,使三聚氰胺与二胺或多胺摩尔比为 1:2-8,催化剂用量为三聚氰胺质量的0.5-10%;将混合物在油浴中升温到 140-220℃,保温反应时间为12-36小时,反应过程三聚氰胺固体会逐渐消失, 转变为无色或淡黄液体,并有氨气放出,可用氨气吸收装置吸收反应产生的氨气;
(2)将步骤(1)降温到100-140℃,加入尿素,使三聚氰胺、二胺或多胺 和尿素的摩尔比1:2-8:2-8,然后在此温度下保温时间为1-5小时,反应过程中用 氨气吸收装置吸收溢出氨气;
(3)将步骤(2)得到的无色或淡黄色液体或固体,自然冷却后得到白色或 淡黄色固体,制得三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂。
进一步地,在步骤(1)中,所述的三聚氰胺与二胺或多胺摩尔比为1:2-6; 催化剂用量为三聚氰胺质量的4-6%,油浴温度为180-200℃,保温反应时间为 14-18小时;在步骤(2)中,所述的三聚氰胺、二胺或多胺和尿素的摩尔比 1:3-6:3-6,油浴温度为110-120℃,保温反应时间为2-4小时。
进一步地,在步骤(3)中,取制得的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩 聚树脂液体或固体,按照质量份数为20%-90%的比例在室温下或110-120℃条件 下配制树脂的水溶液,可用作胶黏剂、阻燃剂或改性剂;制得的树脂或树脂水溶 液在110-220℃条件下持续加热可得到不溶不融的固体。
本发明所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂在制备木 材、金属、塑料、玻璃、陶瓷胶黏剂上的应用。
本发明所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂在制备胶 黏剂改性剂及阻燃剂中的应用。
有益效果:本发明合成工艺简单、无甲醛释放、绿色环保、能粘接多种材料、 粘接性能优异、稳定无毒且具有阻燃性能。本发明的三元共缩聚热固型树脂合成 中无需使用溶剂,并且使用的催化剂无需分离,产物无需纯化可直接使用或者配 置成20%-90%水溶液使用,可用于粘接木材、金属、玻璃、塑料,还可用作胶 黏剂的改性剂和木材、纸张、塑料等材料的阻燃剂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全 部的实施例。
实施例1
本发明的一种三聚氰胺-二胺/多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,所述的三聚 氰胺-二胺/多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂由三聚氰胺、二胺或多胺和脲组成, 所述的三聚氰胺、1,6-己二胺和尿素的摩尔比为1:4:3。
所述的三元共缩聚热固型树脂在115℃为白色或淡黄色液体或固体,在室温 下为白色或淡黄色固体,所述的三元共缩聚热固型树脂可制成质量分数为50% 的水溶液;所述的二胺或多胺指至少含有两个伯氨基的脂肪胺类化合物,一般是 线性或支化的二胺或多胺。
所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂分子内部链段的 结构如式(I)所示:
采用不同二胺或多胺合成的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素共缩聚热固型树脂在式(I)中的 -NH—NH-链段有所差异,如二胺为己二胺时,此链段为 -HN-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-NH-,如二胺为三乙烯四胺时,此链段为 -HN-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH-CH2-CH2-NH-,但共同点在于聚合物端基中含有伯氨基、一 取代脲基、一取代三聚氰胺基、二取代三聚氰胺基中的两种或四种。
所述的聚合物端基的结构如式(II)所示:
以三聚氰胺、1,6-己二胺和尿素为原料合成,其中:
(1)计量的将三聚氰胺(M)和1,6-己二胺(H)在室温下混合物,M:H摩 尔比为1:4,催化剂为NH4Cl其用量为M质量的6%。然后将反应物在油浴中升 温至195℃,保温反应18小时,反应过程三聚氰胺固体会逐渐消失,转变为无 色或淡黄液体,并有氨气放出,可用氨气吸收装置吸收反应产生的氨气;
(2)降温到115℃加入尿素,使三聚氰胺M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比 为1:4:3,然后再此温度下保温2小时,反应过程中用氨气吸收装置吸收溢出氨 气,得到有流动性的无色或淡黄色液体;
(3)按照质量分数为50%的比例在115℃下配制三元共缩聚热固型树脂的 水溶液,冷却到室温后变白色或淡黄色凝胶,加热又重新变为液体。
实施例2
本发明的一种三聚氰胺-二胺/多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,所述的三聚 氰胺-二胺/多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂由三聚氰胺、二胺或多胺和脲组成, 所述的三聚氰胺、三乙烯四胺和尿素的摩尔比为1:2:4。催化剂为NH4Cl其用量 为M质量的0.5%。
所述的三元共缩聚热固型树脂在115℃为白色或淡黄色液体或固体,在室温 下为白色或淡黄色固体,所述的三元共缩聚热固型树脂可制成质量分数为 20%-90%的水溶液;所述的二胺或多胺指至少含有两个伯氨基的脂肪胺类化合 物,一般是线性或支化的二胺或多胺。
所述的二胺或多胺为三乙烯四胺。
以三聚氰胺、三乙烯四胺和尿素为原料合成,其中:
在步骤(1)中,计量的将三聚氰胺(M)和三乙烯四胺(T)在室温下混合 物,三聚氰胺M:三乙烯四胺T摩尔比为1:2,催化剂为NH4Cl其用量为M质 量的6%。然后将反应物在油浴中升温至195℃,保温反应18小时,反应过程三 聚氰胺固体会逐渐消失,转变为无色或淡黄液体,并有氨气放出,可用氨气吸收 装置吸收反应产生的氨气;
在步骤(2)中,降温到115℃加入尿素,使三聚氰胺M:三乙烯四胺T:尿 素U的摩尔比为1:2:4,然后再此温度下保温4小时,反应过程中用氨气吸收装 置吸收溢出氨气,得到有无色或淡黄色透明固体;
在步骤(3)中,按照质量分数为50%的比例在室温下配置三元共缩聚热固 型树脂的水溶液。
实施例3
实施例3与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的反应时间 为14小时。催化剂为NH4Cl其用量为M质量的10%。
实施例4
实施例4与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的反应时间 为12小时。
实施例5
实施例5与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的反应时间 为21小时。
实施例6
实施例6与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的反应温度 为140℃。
实施例7
实施例7与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的反应温度 为220℃。
实施例8
实施例8与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的反应温度 为140℃,反应时间为1小时。
实施例9
实施例9与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的反应温度 为120℃。
实施例10
实施例10与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的反应温度 为100℃,反应时间为5小时。
实施例11
实施例11与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的催化剂 NH4Cl用量为M质量的3%,反应时间为24小时。
实施例12
实施例12与实施例1相比,其区别在于:在步骤(1)中,所述的催化剂 NH4Cl用量为M质量的1%,反应时间为30小时。
实施例13
实施例13与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:4:4。
实施例14
实施例14与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:4:2。
实施例15
实施例15与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:5:5。
实施例16
实施例16与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:5:4。
实施例17
实施例17与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:5:3。
实施例18
实施例18与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:5:2。
实施例19
实施例19与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:6:5。
实施例20
实施例20与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:6:4。
实施例21
实施例21与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:6:3。
实施例22
实施例22与实施例1相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:6:2
实施例23
实施例23与实施例2相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:三乙烯四胺T:尿素U的摩尔比为1:2:2。
实施例24
实施例24与实施例2相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:8:8。
实施例25
实施例25与实施例2相比,其区别在于:在步骤(2)中,所述的三聚氰胺 M:1,6-己二胺H:尿素U的摩尔比为1:4:6。
实施例26
在阻燃材料上的应用,
将木材在实施例1的水溶液中浸泡2分钟,取出后在180℃下,保温1小时, 或100℃条件下保温2小时,得到阻燃木材。
实施例27
在脲醛树脂改性剂上的应用,
将实施例15的水溶液添加到脲醛树脂胶黏剂(F/U=1.2)中,添加量为1%。 即得到改性脲醛树脂胶黏剂。设置热压时间为5分钟,热压温度为140℃,用上 述改性脲醛树脂胶黏剂制备三层胶合板试件,并测试试件浸泡在63±1℃的热水 中1小时的湿状剪切强度,结果为,未改性和改性脲醛树脂胶黏剂的试件平均剪 切强度分别为0.72和1.17Mpa。
实施例28
在无醛木材胶黏剂上的应用Ⅰ
分别将实施例1、实施例16、实施例19所制备的水溶液(不添加任何添加 剂),用厚度为2mm的杨木单板压制三层胶合板,按照国标GB/T 17657-2013 《人造板及饰面人造板理化性能试验方法》进行板材物理力学性能进行测试,主 要按照I类板要求测试板材耐沸水性能。具体结果如下:
设置热压时间为5分钟,热压温度为220℃,用上述三种胶黏剂制备三层胶 合板试件,并测试试件在“沸水-干燥-沸水”循环浸泡后的湿状剪切强度,结果为: 三聚氰胺M:1,6-己二胺H:尿素U摩尔比为1:4:3,1:5:4和1:6:5的胶黏剂对应的 试件平均湿状剪切强度分别为2.33,2.03和1.38Mpa。所有测试结果均达到国标 GB/T 9846-2015《普通胶合板》对I类胶合板的耐水性要求(≥0.7Mpa)。
实施例29
在无醛木材胶黏剂上的应用Ⅱ
将实施例2所制备的水溶液(不添加任何增稠剂),用厚度为2mm的杨木 单板压制三层胶合板,按照国标GB/T 17657-2013《人造板及饰面人造板理化性 能试验方法》进行板材物理力学性能进行测试,主要按照I类板要求测试板材耐 沸水性能。具体结果如下:
设置热压时间为5分钟,热压温度为220℃,用上述三种胶黏剂制备三层胶 合板试件,并测试试件在“沸水-干燥-沸水”循环浸泡后的湿状剪切强度,结果为:M:T:U摩尔比为1:2:4的胶黏剂对应的试件平均剪切强度为1.38Mpa。测试结果 达到国标GB/T 9846-2015《普通胶合板》对I类胶合板的耐水性要求(≥0.7Mpa)。
实施例30
在粘接金属上的应用
将实施例1不含有水的树脂取0.04g均匀的涂抹SUS304钢板,控制施胶面 积为25mm×25mm,将施胶面叠合并用夹子固定后放入电热鼓风干燥箱中,使温 度在180℃维持1小时,取出。另一种方法是在施胶后将叠合的钢板在0.1Mpa 压力、200℃条件下热压2分钟,取出。在室温下测试试件平均剪切强度,结果 为14.32MPa。
实施例31
在粘接塑料上的应用
取厚度为5mm的聚四氟乙烯薄板,施胶前先用滑动弧放电低温等离子体对 胶合面持续处理60秒,使胶合面对胶黏剂具有浸润性,将实施例1的胶黏剂0.04g 均匀涂抹到处理好的聚四氟乙烯薄板,控制施胶面积为25mm×25mm,将施胶面 叠合并用夹子固定后放入电热鼓风干燥箱中,使温度在180℃维持1小时,取出。 在室温下测试试件平均剪切强度,结果为1.42MPa。
实施例32
将实施例1的水溶液0.04g均匀的涂抹到玻璃板上,玻璃板厚度为10mm, 控制施胶面积为25×25mm,用夹子固定后放入电热鼓风干燥箱中,使温度在 180℃维持1小时。在室温下测试,试件平均剪切强度,结果为9.53MPa。
综上所述的,本发明提供的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树 脂合成中无需使用溶剂,并且使用的催化剂无需分离,产物无需纯化可直接使用, 具有合成简单、无甲醛释放、绿色环保、稳定性好、性能优异等优点,可用于粘 接木材、金属、玻璃、塑料,液可用作胶黏剂改性剂,还可用于阻燃材料。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例,但如前所述的,应当理解 本申请并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用 于各种其他组合、修改,并能够在本申请构想范围内,通过上述教导或相关领域 的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神 和范围,则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,其特征在于:所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂由三聚氰胺、二胺或多胺和脲组成,所述的三聚氰胺、二胺或多胺和尿素的摩尔比为1:2-8:2-8。
2.如权利要求1所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,其特征在于:所述的三元共缩聚热固型树脂在90-115℃为白色或淡黄色液体或固体,在室温下为白色或淡黄色固体,所述的三元共缩聚热固型树脂可制成质量分数为20%-90%的水溶液。
3.如权利要求2所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,其特征在于:所述的二胺或多胺指至少含有两个伯氨基的脂肪胺类化合物,一般是线性或支化的二胺或多胺。
4.如权利要求3所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂,其特征在于:所述的二胺或多胺为1,6-己二胺、三乙烯四胺。
6.权利要求1-5任一项所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂的制备方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)准确称取权利要求1所述的三聚氰胺、二胺或多胺和催化剂,将三聚氰胺、二胺或多胺和催化剂以一定比例在室温下混合,使三聚氰胺与二胺或多胺摩尔比为1:2-8,催化剂用量为三聚氰胺质量的0.5-10%;将混合物在油浴中升温到140-220℃,保温反应时间为12-36小时,反应过程三聚氰胺固体会逐渐消失,转变为无色或淡黄液体,并有氨气放出,可用氨气吸收装置吸收反应产生的氨气;
(2)将步骤(1)降温到100-140℃,加入尿素,使三聚氰胺、二胺或多胺和尿素的摩尔比1:2-8:2-8,然后在此温度下保温时间为1-5小时,反应过程中用氨气吸收装置吸收溢出氨气;
(3)将步骤(2)得到的无色或淡黄色液体或固体,自然冷却后得到白色或淡黄色固体,制得三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂。
7.如权利要求6所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂的制备方法,其特征在于:在步骤(1)中,所述的三聚氰胺与二胺或多胺摩尔比为1:2-6;催化剂用量为三聚氰胺质量的4-6%,油浴温度为180-200℃,保温反应时间为14-18小时;在步骤(2)中,所述的三聚氰胺、二胺或多胺和尿素的摩尔比1:3-6:3-6,油浴温度为110-120℃,保温反应时间为2-4小时。
8.如权利要求7所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂的制备方法,其特征在于:在步骤(3)中,取制得的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚树脂液体或固体,按照质量份数为20%-90%的比例在室温下或110-120℃条件下配制树脂的水溶液,可用作胶黏剂、阻燃剂或改性剂;制得的树脂或树脂水溶液在110-220℃条件下持续加热可得到不溶不融的固体。
9.权利要求7所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂在制备木材、金属、塑料、玻璃、陶瓷胶黏剂上的应用。
10.权利要求7所述的三聚氰胺-二胺或多胺-尿素三元共缩聚热固型树脂在制备胶黏剂改性剂及阻燃剂中的应用。
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