
1872年德國化學家拜爾首先合成了
酚醛樹脂,1907年比利時裔美國人貝克蘭提出
酚醛樹脂加熱固化法,使
酚醛樹脂實現工業化生產,1910年德國柏林建成世界第一家合成
酚醛樹脂的工廠,開創了人類合成高分子化合物的紀元。由于采用酚、醛的種類、催化劑類別、酚與醛的摩爾比的不同可生產出多種多樣的
酚醛樹脂,它包括:線型
酚醛樹脂、熱固性
酚醛樹脂和油溶性
酚醛樹脂、水溶性
酚醛樹脂。主要用于生產壓塑粉、層壓塑料;制造清漆或絕緣、耐腐蝕涂料;制造日用品、裝飾品;制造隔音、隔熱材料、人造板、鑄造、耐火材料等。
外觀
phenolic resin,簡稱PF.
酚醛樹脂,固體
酚醛樹脂為黃色、透明、無定形塊狀物質,因含有游離酚而呈微紅色,比重1.25~1.30,易溶于醇,不溶于水,對水、弱酸、弱堿溶液穩定。由苯酚和甲醛在催化劑條件下縮聚、經中和、水洗而制成的樹脂。因選用催化劑的不同,可分為熱固性和熱塑性兩類。
酚醛樹脂具有良好的耐酸性能、力學性能、耐熱性能,廣泛應用于防腐蝕工程、膠粘劑、阻燃材料、砂輪片制造等行業。
液體
酚醛樹脂為黃色、深棕色液體,如:堿性
酚醛樹脂主要做鑄造黏結劑。
酚醛樹脂的發展歷史
1872年,德國化學家拜耳(A. Baeyer)首先發現酚和醛在酸的存在下可以縮合得到無定形棕紅色的不可處理的樹枝狀產物,但未開展研究;
1902年,布盧默(L. Blumer)用酒石酸135份作催化劑,得到了第一個商業化
酚醛樹脂,命名為Laccain,但沒有形成工業化規模;
1905~1907年,
酚醛樹脂創始人美國科學家巴克蘭(Baekeland)對
酚醛樹脂進行了系統而廣泛的研究,于1909年提出了關于
酚醛樹脂“加壓、加熱”固化的專利,實現了
酚醛樹脂的實用化,有人提議將此年定為
酚醛樹脂元年(或合成高分子元年)。
1907年,巴克蘭申請了關于
酚醛樹脂“加壓、加熱”’固化的專利。并于1910年10月10日成立Bakelite公司,分布在許多國家[1939年附屬于聯碳(UC)公司],他們先后申請了400多個專利,預見到目前除
酚醛樹脂作燒蝕材料以外的主要應用,解決了
酚醛樹脂應用的關鍵問題。巴克蘭還成功地獲得了施加高壓使酚醛預聚物固化的技術,他明確指出,
酚醛樹脂是否具有熱塑性取決于苯酚與甲醛的用量比和所用催化劑類型,在堿性催化劑存在下即使苯酚過量一些,生成物也是熱固性樹脂,受熱后能夠轉變為不溶不熔樹脂。
1911年,艾爾斯沃思(Aylesworth)發現用六次甲基四胺可以使
酚醛樹脂固化,轉變為不溶不熔狀態,使其具有較高電絕緣性等應用特性。
酚醛樹脂因此開始用于電絕緣制品。
1912~1913年,俄國科學家彼得洛夫、塔拉索夫等研究了在石油磺酸和芳香族磺酸存在下的酚與醛的反應,并發明了將其注塑成型制取
酚醛樹脂注塑制品的方法。
1913年,德國科學家阿爾貝特發明了松香改性
酚醛樹脂,這種樹脂適合制作油漆涂料,這一發明為
酚醛樹脂在涂料領域的應用鋪展了成功之路。
1914年,日本引進巴克蘭技術在東京開始生產
酚醛樹脂,開創了亞洲先河。
1923年,美國投產苯酚糠醛模塑粉。
1930年,酚醛泡沫塑料在美國投產。
1937年,開發了增塑的醚化的
酚醛樹脂并用于油漆涂料。
1945年,高鄰位
酚醛樹脂及其快速成型模壓粉在美國工業化生產。
1946年,美國投產丁腈橡膠改性
酚醛樹脂及其模塑粉。
1949年,苯胺改性酚醛模塑粉商品面市。
酚醛樹脂的合成原理
固體
酚醛樹脂為無色或黃褐色透明物,市場銷售往往加著色劑而呈紅、黃、黑、綠、棕、藍等顏色,有顆粒、粉末狀。耐弱酸和弱堿,遇強酸發生分解,遇強堿發生腐蝕。不溶于水,溶于丙酮、酒精等有機溶劑中。苯酚與甲醛縮聚而得。它包括:線型
酚醛樹脂、熱固性
酚醛樹脂和油溶性
酚醛樹脂。主要用于生產壓塑粉、層壓塑料;制造清漆或絕緣、耐腐蝕涂料;制造日用品、裝飾品;制造隔音、隔熱材料等。 常見的低壓電器插座、家具塑料把手等等
酚醛樹脂是早工業化的合成樹脂。
酚醛樹脂的重要性能
高溫性能
酚醛樹脂重要的特征就是耐高溫性,即使在非常高的溫度下,也能保持其結構的整體性和尺寸的穩定性。正因為這個原因,
酚醛樹脂才被應用于一些高溫領域,例如耐火材料,摩擦材料,粘結劑和鑄造行業。
粘結強度
酚醛樹脂一個重要的應用就是作為粘結劑。
酚醛樹脂是一種多功能,與各種各樣的有機和無機填料都能相容的物質。設計正確的
酚醛樹脂,潤濕速度特別快。并且在交聯后可以為磨具、耐火材料,摩擦材料以及電木粉提供所需要的機械強度,耐熱性能和電性能。
水溶性
酚醛樹脂或醇溶性
酚醛樹脂被用來浸漬紙、棉布、玻璃、石棉和其它類似的物質為它們提供機械強度,電性能等。典型的例子包括電絕緣和機械層壓制造,離合器片和汽車濾清器用濾紙。
高殘碳率
在溫度大約為1000℃ 的惰性氣體條件下,
酚醛樹脂會產生很高的殘碳,這有利于維持
酚醛樹脂的結構穩定性。
酚醛樹脂的這種特性,也是它能用于耐火材料領域的一個重要原因。
低煙低毒
與其他樹脂系統相比,
酚醛樹脂系統具有低煙低毒的優勢。在燃燒的情況下,用科學配方生產出的
酚醛樹脂系統,將會緩慢分解產生氫氣、碳氫化合物、水蒸氣和碳氧化物。分解過程中所產生的煙相對少,毒性也相對低。這些特點使
酚醛樹脂適用于公共運輸和安全要求非常嚴格的領域,如礦山,防護欄和建筑業等。
抗化學性
交聯后的
酚醛樹脂可以抵制任何化學物質的分解。例如汽油,石油,醇,乙二醇和各種碳氫化合物。
熱處理
熱處理會提高固化樹脂的玻璃化溫度,可以進一步改善樹脂的各項性能。玻璃化溫度與結晶固體如聚丙烯的熔化狀態相似。
酚醛樹脂初的玻璃化溫度與在初固化階段所用的固化溫度有關。熱處理過程可以提高交聯樹脂的流動性促使反應進一步發生,同時也可以除去殘留的揮發酚,降低收縮、增強尺寸穩定性、硬度和高溫強度。同時,樹脂也趨向于收縮和變脆。樹脂后處理升溫曲線將取決于樹脂初的固化條件和樹脂系統。
酚醛樹脂的生產技術
1905~1909年L.H.貝克蘭對
酚醛樹脂及其成型工藝進行了系統的研究,1910年在柏林呂格斯工廠建立通用
酚醛樹脂公司,實現了工業生產。1911年J.W.艾爾斯沃思提出用六亞甲基四胺固化熱塑性
酚醛樹脂,并制得了性能良好的塑料制品,獲得了廣泛的應用。1969年,由美國金剛砂公司開發了以苯酚-甲醛樹脂為原料制得的纖維,隨后由日本基諾爾公司投入生產。現在美國、蘇聯和中國也有生產。
酚醛樹脂的生產至今不衰,1984年世界總產量約1946kt,居熱固性樹脂的首位。中國自40年代開始生產,1984年產量為77.6kt。 生產方法 常用的原料為苯酚、間苯二酚、間甲酚、二甲酚、對叔丁基或對苯基酚和甲醛、糠醛等。生產過程包括縮聚和脫水兩步。按配方將原料投入反應器并混合均勻,加入催化劑,攪拌,加熱至55~65℃,反應放熱使物料自動升溫至沸騰。此后,繼續加熱保持微沸騰(96~98℃)至終點,經減壓脫水后即可出料。近年來,開發成功連續縮聚生產
酚醛樹脂新工藝。影響樹脂合成和性能的主要因素為酚與醛的化學結構、摩爾比和反應介質的pH。酚與醛的摩爾比大于或等于1時,初始產物為一羥甲基酚,縮聚時生成線型樹脂;小于1時,生成多羥甲基酚衍生物,形成的縮聚樹脂可交聯固化。反應介質的pH小于7時,生成的羥甲基酚很不穩定,易縮聚成線型樹脂;大于7時,縮聚緩慢,有利于多羥甲基酚衍生物的生成。生產熱塑性
酚醛樹脂常用鹽酸、磷酸、草酸作催化劑(見酸堿催化劑)使介質pH為0.5~1.5。為避免劇烈沸騰,催化劑可分次加入。沸騰反應時間一般為3~6h。脫水可在常壓或減壓下進行,終脫水溫度為140~160℃。樹脂分子量為500~900。生產熱固性
酚醛樹脂可用氫氧化鈉、氫氧化鋇、氨水和氧化鋅作催化劑,沸騰反應時間1~3h,脫水溫度一般不超過90℃,樹脂分子量為500~1000。強堿催化劑有利于增大樹脂的羥甲基含量和與水的相溶性。氨催化劑能直接參加樹脂化反應,相同配方制得的樹脂分子量較高,水溶性差。氧化鋅催化劑能制得貯存穩定性好的高鄰位結構
酚醛樹脂。