Получение фенолформальдегидной смолы уравнение реакции

Фенолформальдегидные смолы [-C₆H₃(OH)-CH₂-]_n – продукты поликонденсации фенола C₆H₅OH с формальдегидом CH₂=O.
Взаимодействие фенола с формальдегидом идет по схеме:

Роль реакционноспособных функциональных групп в этих соединениях играют:

• в феноле – три С-Н-связи в орто— и пара-положениях (легче идет замещение в двух орто-положениях);
• в формальдегиде – двойная связь С=О, способная к присоединению по атомам С и О.

Это определяет возможность образования цепных макромолекул по схеме поликонденсации:

Реакция проводится в присутствии кислых (соляная, серная, щавелевая и другие кислоты) или щелочных катализаторов (аммиак, гидроксид натрия, гидроксид бария).

Механизм конденсации фенола с формальдегидом в условиях кислотного катализа

При избытке фенола и кислом катализаторе образуется линейный полимер –новолак, цепь которого содержит приблизительно 10 фенольных остатков, соединенных между собой метиленовыми (-СН₂-) мостиками.

Новолаки – термопластичные полимеры, которые сами по себе не способны переходить в неплавкое и нерастворимое состояние. Но они могут превращаться в трехмерный полимер при нагревании их с дополнительной порцией формальдегида в щелочной среде. При использовании щелочных катализаторов и избытка альдегида в начальной стадии поликонденсации получаются линейные цепи резола:

При дополнительном нагревании эти цепи «сшиваются» между собой за счет групп -CH₂OH, находящихся в пара-положении фенольного кольца, с образованием трехмерного полимера – резита:

Таким образом, резолы являются термореактивными полимерами. Фенолоформальдегидные полимеры применяются в виде прессовочных композиций с различными наполнителями, а также в производстве лаков и клея.

Учебный фильм «Фенолоформальдегидные пластмассы»

Учебный фильм «Термоактивные пластмассы»

Свойства, применение и структурная формула фенолформальдегидной смолы

Смолы могут быть получены из натуральных элементов либо промышленным методом, последние называются синтетическими. Они отличаются более приемлемой стоимостью и дают надежный результат при применении. Фенолформальдегидная смола является востребованным типом материала, который используется при строительстве и других работах. Подробно об особенностях формальдегидной смолы будет рассказано далее.

Свойства смолы

Смола с основой из фенола и формальдегида относится к синтетическому типу. Химическое уравнение элемента — C6H3(OH)-CH2-]n. Первым разработал вещество А. Байер, поняв, что реакция фенола и формальдегида при нагревании производит образование воды и полимера. Тот эксперимент дал хрупкий элемент, после его улучшили, сейчас в состав добавляются разные вещества для получения лучших свойств.

Фенол смолы химические свойства заключаются в следующем:

• Структурная характеристика – жидкие либо твердые;
• Образуется в кислой либо щелочной среде;
• Обладает высокой степенью электроизоляции;
• Устойчивость к механическим нагрузкам;
• Стойкость к ржавчине;
• Растворяется в щелочах, углеводороде, кетон, разбавитель хлористого типа.

Резольные смолы

Данный тип смол выделяется тем, что при нагреве и долгом сроке хранения получают неплавкое свойство, также не растворяются. Чтобы при производстве получить смолы под названием резольные они проходят следующие этапы:

• Резолы проходят этапы расплавления либо растворяются в спиртовом, ацетонном или водно-щелочном растворе. Способ дает смесь низко молекулярных слияний элементов реакции;
• Резитолы, получаются из веществ, которые называют резолами. Когда те долго хранятся либо подвергаются влиянию высоких температур. Не растворяются в спиртовом или ацетоном растворе, лишь немного набухают, однако при нагреве размягчаются;
• Резиты, на этой стадии отсутствует набухание в растворителях, размягчение тоже не происходит.

Применение материала

Фенолформальдегидная смола применяется в разных сферах деятельности, с помощью нее в промышленности изготавливают разные классы пластмассы. Использование в быту популярно, разный пластик получают при разном типе воздействия. Пластмасса часто используется в медицине.

Фенолформальдегид применяется при производстве лаковой продукции, клеевых растворов, герметиков.

Так она применяется для производства следующих изделий:

• Тормозные колодки в поездах, элементы автомобиля и т.п.;
• Абразивные приспособления;
• Детали электрических приборов;
• Корпусные части смартфонов;
• В радио-промышленной сфере;
• Для изготовления оружия и другой военной техники;
• Для изготовления посуды, которую не подвергают нагреву;
• Для бижутерии, сувенирной продукции;
• Другое.

Не используется смола для изделий, которые будут напрямую контактировать с пищей.

Механизм образования фенолоформальдегидных смол

Механизм получения смолы предполагает соединение к 1-му молю фенола от 1-3-х молей формальдегида в 2-х ортоположениях и пароположении. Когда второго элемента больше, то вырабатывается резольный тип вещества. Если фенола больше, то образуется новолачный тип.

Первая стадия реакции характеризуется получением в итоге резольной смолы типа А. Присутствие в данном процессе метилольных групп, способствует созданию реакционного взаимодействия поликонденсации, когда мономеры переходят в полимеры. Нагревательный процесс вырабатывает резит.

Фенолспиртовые вещества, когда фенола много образует метилолдиоксидифенилметан. После поликонденсации переходит в новолачный тип смолы.

Производство фенолформальдегидной смолы

Можно получить материал с использованием метана и метанола, тогда преобразуется формальдегид, который соединяют с фенолом. Технологический процесс выполняются следующим образом:

• Используется 40-процентный раствор формальдегида в объеме 3 мл;
• Смешивается раствор с 2-граммами кристаллического фенола;
• Добавляется 3 капли соляной кислоты;
• После закипания раствора он станет прозрачным;
• Если реакция должна проходить медленнее, то тару остужают;
• Чтобы проверить результат, можно в стадии резола использовать спирт, где он легко растворяется;
• Если раствор простоит долгое время, то способность растворяться исчезнет, вещество перейдет в резитол;
• В конце раствор нагревается и становится твердым, цвет переходит в красный.

Горение продукта не происходит, он подвергается обугливанию. Огонь приобретет желтый оттенок, и появится неприятный запах фенола.

Технологический процесс получения фенолоформальдегидной резольной смолы

Сырьевыми компонентами при создании резольных смол могут выбираться фенол, крезол, ксиленол, крезольно-фенольные фракции. Формальдегид используется в концентрации 36-40-процентов.

Могут производиться разные типы материала. Есть жидкие и твёрдые виды, последние применяются при изготовлении лаковой продукции. Бывают другие типы смол с использованием вместо фенола карбамида, карбамидные смолы тоже пользуются популярностью.

Экологические аспекты

Для экологии использование ядовитых компонентов при производстве смолы становится опасностью. Проблемой считается вредность токсичных элементов, а именно процесс их утилизации. Так СанПиН следит за использование элементов, и количеством которые применяются.

Вред материала

Положительные стороны применения смолы сопровождаются вредом, которые вещества могут принести физическому здоровью человека. Фенол и формалин относятся к ядовитым элементам. Им характерны следующие вредные свойства:

• Влияют негативно на нервную систему организма;
• Способствуют появлению сыпи и дерматитов;
• Могут вызвать аллергическую реакцию и бронхиальную астму.

Регулируется не только количество используемых веществ при производстве, но также безопасность работы. Из-за этого фенолформальдегидная смола вреднее эпоксидной.

Процесс изготовления

В прибор добавляется фенол, аммиак и формалин, производится нагревательный процесс, температурный режим ставится на 80-градусов. Когда нужная температура достигнута, то подача пара останавливается. В котле же температура увеличивается и дальше до 100-радусов, способствуя продолжению реакции. Проверяется результат по степени помутнения вещества, когда результат достигает 75-80 градусов, процесс завершается.

Может производиться дальнейшая сушка смолы, если необходимо получить твердый вариант. Если нужен жидкий тип, то процесс завершается после получения конденсата и проверки результата. После отделяется вода от полученной смолы. Резол переливается в емкость.

Крезолоформальдегидные смолы

Данный тип смол получают с использованием пара-, орто- и метакрезола. Берется крезол с формалином в равных пропорциях. Если больше формалины, то вырабатывается резольные смолы, если крезола, то новолачные. Технологический процесс производства одинаков с изготовлением фенолформальдегидных смол.

Жидкие бесспиртовые бакелитовые смолы

При промышленном производстве электроизоляционной техники часто используется данный тип смол. Выбираются типы ОФ и ОК. Связано это с возможностью не использовать дорогой этиловый спирт (этанол).

Смолу получают с помощью конденсации фенола с формальдегидом, также необходим аммиачный вид катализатора. Устройства для изготовления используются те же, что и для работы с сухими смолами. Применяется температурный режим более низкий, до 85-градусов. Не проводится этап просушки, просто удаляется вода от смолы.

Малорастворимые фенолоформальдегидные смолы

Когда применяется реакция конденсации фенола и формальдегида, то получаются не растворяющиеся в масле смолы. Смена фенола на его производные способствует получению маслорастворимых смол. Смешения элементов с маслами дает возможность получить качественные лаки.

Также можно получить масляные эмаль-лаки, которые применяются для эмалирования проводов. Распространено создание разных реакций для получения смол, используемых в электроизоляционных работах.

Этерифицированные смолы

Этерификация способствует соединению смолы с растительными маслами и иными типами смол. Процесс производится с помощью бутилового спирта. Так при определённых условиях можно, например, получить бутоксикрезолоформальдегидную смолу РБ.

Смола производится растворного типа в бутаноле, выделится нижеописанными свойствами:

• Бесцветная жидкость с желто-красным оттенком по виду;
• Уровень вязкости ВЗ4 при 2-градусном воздействие составляет 100-300с.

Данный тип материала используется в 60%-растворе для изготовления электроизоляционных лаковых продуктов (Фл-98, ПЭ-933).

Фенолформальдегидная смола позволяет повысить качество разнообразной продукции, с помощью нее производят различные материалы. Она отличается рядом положительных свойств. Но является опасным веществом, поэтому при производстве должны соблюдаться правила СанПиНа. Ее изобретение важным звеном для получения разнообразных материалов.

Видео: Получение фенолформальдегидной смолы

Фенолоформальдегидные смолы

В зависимости от природы и соотношения компонентов, а также от применяемого катализатора фенолоформальдегидные смолы делят на два вида:

1. термореактивные или резольные;
2. термопластичные или новолачные смолы.

Резольные смолы

При нагревании или длительном хранении эти смолы переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, а новолачные смолы термопластичны и могут сохранять плавкость и растворимость при длительном хранении, а также при нагреве до 200 °С. Резольные смолы при переходе из плавкого растворимого состояния в неплавкое и нерастворимое проходят три стадии, характеризующие их состояние:

1. Резолы — смолы в стадии А. Плавятся при нагревании и растворяются в спирте, ацетоне и в водных растворах щелочей. Представляют собой смесь низкомолекулярных соединений продуктов реакции.
2. Резитолы — смолы в стадии В. Образуются при нагревании или длительном хранении резолов, представляют собой смесь резольной смолы и высокомолекулярных неплавких и нерастворимых соединений. Они нерастворимы в спирте и ацетоне, а только набухают в них, не плавятся, но размягчаются при нагревании.
3. Резиты — смолы в стадии С. Содержат в основном трехмерные высокомолекулярные соединения. Не плавятся и не размягчаются при нагревании и нерастворимы и не набухают ни в каких растворителях. Резольные смолы в стадии С обладают высокими физико-электрическими свойствами.

Механизм образования фенолоформальдегидных смол

Функциональность фенола составляет 1–3, т. е. на 1 моль фенола может присоединяться от 1 до 3 молей формальдегида в двух ортоположениях и в параположении (рис. 1).

Рис. 1.

При эквимолекулярных количествах реагентов или при избытке формальдегида в присутствии щелочного катализатора образуются смолы резольного типа, при избытке фенола в кислой среде — новолачные. При синтезе резольных смол обычно берут на 6 молей фенола 7 молей формальдегида, и реакция идет по схеме, приведенной на рис. 2.

Рис. 2.

На первой стадии процесса одновременно получаются оксибензиловый спирт, ди- и триметилольные производные фенола (рис. 3), которые реагируют между собой с образованием макромолекулы резольной смолы. В щелочной среде в результате взаимодействия фенолоспиртов за счет метилольных групп в пароположении образуется резольная смола в стадии А (рис. 4).

Рис. 3.

Рис. 4.

Наличие в этих макромолекулах метилольных групп позволяет им вступать в дальнейшие реакции поликонденсации между собой. Под влиянием дальнейшего нагрева происходит процесс отверждения смолы с выделением воды и образованием молекул трехмерной структуры резита (рис. 5).

Рис. 5.

Процесс отверждения, то есть превращения в резит, может происходить в условиях нормальной температуры, но длительное время (от 6 мес. до 1 года). При повышении температуры скорость сильно возрастает.

Новолачные смолы образуются при избытке фенола в кислой среде. Обычно берут 7 молей фенола и 6 молей формальдегида, в качестве катализатора применяют соляную кислоту. В этом случае реакция идет по схеме, указанной на рис. 6.

Рис. 6.

Фенолоспирты при избытке фенола реагируют с фенолом и образуют метилолдиоксидифенилметан (рис. 7), который при дальнейшей поликонденсации дает новолачные смолы, имеющие строение, показанное на рис. 8.

Рис. 7.

Рис. 8.

В новолачную смолу входит смесь соединений линейного строения с молекулярной массой 200–1300. В отличие от резола молекулы новолачной смолы не содержат метилольных групп и поэтому не способны вступать в реакцию поликонденсации между собой и не образуют пространственных структур. Новолачные смолы могут быть переведены в неплавкое и нерастворимое состояние путем обработки их формальдегидом, параформом или чаще всего гексаметилентетрамином при повышенной температуре.

Технологический процесс получения фенолоформальдегидной резольной смолы

В производстве резольных смол в качестве сырья применяют фенол, крезол, ксиленол, а также фенольно-крезольные фракции, содержащие их смесь. Применяется и смесь ФДК (фенол, дикрезол, ксиленол). Формальдегид применяют в виде 36–40-процентного раствора (формалин).

Резольные фенолоформальдегидные смолы изготавливают различных марок, в виде жидких (ОФ, ОК) или твердых смол (ИФ, ИК) для получения спиртовых лаков. Приведем процесс получения резольной (бакелитовой) смолы.

Состав:
Фенол 100% — 6 молей
Формалин 40% — 7 молей
Аммиак 25% — 5% (по массе фенола)

Процесс изготовления

В реактор загружают фенол (в виде водного раствора), формалин и аммиак. Смесь в котле нагревают до 80 °С, подавая в рубашку котла водяной пар. При достижении 80 °С начинается экзотермическая реакция, и подачу пара прекращают. Вследствие экзотермичности процесса температура в котле поднимается до 100 °С, и реакция продолжается. В это время холодильник работает по обратной схеме для возможности возврата паров формалина в котел. Процесс варки смолы контролируют по температуре, при которой происходит помутнение охлаждаемой в стаканчике пробы смолы.

Процесс изготовления смолы заканчивают, когда температура помутнения пробы смолы (разделение на два слоя) достигнет 75–80 °С.

Для процесса сушки смолы холодильник переключают на прямую схему и соединяют со сборником конденсата и вакуум-насосом. Массу в реакторе нагревают до70–80 °С и при этой температуре и вакууме 600–700 мм рт. ст. сушат до момента, когда скорость полимеризации будет в пределах 90–120 с при нормальных условиях (температура 18 °C и давление 760 мм рт. ст.). Готовую смолу выгружают через нижний сливной штуцер либо (при получении лака) разбавляют спиртом.

Для получения жидких резольных смол сушку смолы под вакуумом не производят, а процесс изготовления смолы заканчивают после процесса конденсации и определения готовности смолы. После этого смолу перекачивают с помощью сжатого воздуха в отстойник, где происходит отделение надсмольной воды от смолы. После отделения водного слоя жидкий резол (нижний слой) сливают в тару.

Рис. 9. Схема производства фенолоформальдегидных смол и лаков
1 — котел для варки бакелитовых смол;
2 — феноловыплавитель;
3 — конденсатор;
4 — монжус для фенола;
5 — монжус для формалина;
6 — резервуар с обогревом;
7 — резервуар для формалина;
8 — резервуар для аммиака;
9 — монжус для аммиака,
10 — бак для спиртовых лаков;
11 — бак_отстойник;
12 — весовой мерник для фенола;
13 — весовой мерник для формалина;
14 — мерник для аммиака;
15 — мерник для растворителя;
16 — конденсатор;
17 — пеноловушка;
18 — вакуум_насос;
19 — шестеренчатый насос;
20 — вакуум_ловушка

Крезолоформальдегидные смолы

Технический трикрезол, применяемый для производства смол, представляет собой смесь трех изомеров крезола: орто-, мета- и паракрезола (рис. 10).

Рис. 10.

При взаимодействии с формальдегидом орто- и паракрезол реагируют только в двух точках, а метакрезол в трех точках, поэтому могут образоваться смолы с различными свойствами. Так, орто- и паракрезолы образуют термопластичные смолы, метакрезол может образовывать термореактивные. Поэтому количество метакрезола в трикрезоле должно быть не менее 40%. Трикрезол с таким содержанием метакрезола реагирует с формальдегидом так же, как и фенол.

При изготовлении крезолоформальдегидных смол крезол и формалин берут примерно в равных количествах. При избытке формалина получаются резольные смолы, а при избытке крезола — новолачные. Процессы изготовления этих смол аналогичны процессам изготовления фенолоформальдегидных смол.

Свойства крезольных смол несколько отличаются от фенольных. У крезольных смол время полимеризации, влагостойкость и электрические свойства выше.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики фенольных и крезольных смол, в таблице 2 — свойства смолы в стадии С.

Таблица 1. Свойства фенолоформальдегидных (бакелитовых) смол

Смола

Температура размягчения, °С

Период полимеризации при 160 °С, с

Содержание

свободного фенола, %

Влажность, %

Фенолоформальдегидная спирторастворимая марки ИФ