线型酚醛树脂的制备

线形酚醛树脂的制备

一、实验目的：

了解反应物的配比和反应条件对酚醛树脂结构的影响，合成线形酚醛树脂；

进一步掌握不同预聚体的交联方法。

二、实验原理：

酚醛树脂是由苯酚和甲醛聚合得到，强碱催化的聚合产物为甲阶酚醛树脂，甲醛与苯酚摩尔比为 1.2~3.0：1。甲醛用36~50%的水溶液，催化剂为1~5%的NaOH或Ca(OH)2，在80~95℃加热反应3h。就得到预聚物。为了防止反应过头和凝胶化，要真空快速脱水。预聚物为固体或液体，分子为一般500~5000，呈微酸性，其水溶性与分子量和组成有关。交联反应常在180℃下进行，并且交联和预聚物合成的化学反应相同的。

线形酚醛树脂是甲醛和苯酚以0.75~0.85：1的摩尔比聚合得到，常以草酸或硫酸作催化剂，加热回流2~4h，聚合反应就可以完成。催化剂的用量为每100份苯酚加1-2份草酸或不足1份的硫酸。由于加入甲醛的量少，只能生成低分子量线形聚合物。反应混合物在高温脱水、冷却后粉碎，混入5%-15%的六亚甲基四胺，加热即迅速交联。

酚醛树脂塑料是第一个商品化人工合成聚合物，具有高强度和尺寸稳定性好、抗冲击、抗蠕变、抗溶剂和耐湿气性能良好等优点。大多数酚醛树脂都需要加填料增强，通用级酚醛树脂常用粘土、矿物质粉和短纤维来增强，工程级酚醛则要用玻璃纤维、石墨及聚四氟乙烯来增强使用温度可达150~170℃.。酚醛聚合物可作为粘合剂，应用于胶合板、纤维板和砂轮，还可作为涂料，例如酚醛清漆。含有酚醛树脂的合材料可以用于航空飞行器，它还可以做成开关、插座机壳等。

本实验在草酸存在下进行苯酚和甲醛聚合，甲醛量相对不足，得到线形酚醛树脂。线形酚醛树脂可作为合成环氧树脂原料。与环氧氯内烷反应获得酚醛多树脂，也可作为环氧树脂的交联剂。

三、化学试剂和仪器：

试剂：苯酚、甲醛水溶液、草酸、六亚甲基四胺；

仪器：三颈瓶、球形冷凝管、机械搅拌器、恒温水浴锅、减压蒸馏装置

四、实验步骤

1、线形酚醛树脂的制备

向装有机械搅拌器、回流冷凝管的温度计的三口瓶中加入18.5g苯酚（0.207mol），13.8g 37%甲醛水溶液（0.169mol），2.5ml蒸馏水（如果使用的甲醛溶液浓度偏低，可按比例减少水的加入量）和0.3g 水合草酸，水浴加热并开动搅拌，反应混合物回流1.5h。加入90ml蒸馏水，搅拌均匀后，冷却至室温，分离出水层。

实验装置改为减压整流装置，剩余部分逐步升温至150℃，同时减压至真空度为66.7kPa-133.3kPa。保持1h左右，除去残留的水分，此时样品一

经冷却即成固体。在产物保持可流动状态下，将其从烧瓶中倾出，得到无色脆性固体。

2、线形酚醛树脂的固化

取10g酚醛树脂，加入六亚甲基四胺0.5g，在研钵中混合均匀。将粉末放入小烧杯中，小心加入使其熔融，观察混合物的流动性变化。

实验装置简图

五、实验注意事项：

1、在加热过程中要缓慢进行加热，因苯酚要充分溶解，升温过快时，可能会出现凝胶；

2、实验中，苯酚在40℃下为固体，且在空气中易被氧化，在实验过程中，先将苯酚融化后再加入到三颈瓶中，因此在加入苯酚时应快速；

3、因苯酚具有腐蚀性，在实验时注意不要碰到皮肤上。

六、实验步骤、现象及其解释

七、实验产品：得到的产品为白色粘性物质，部分实验组为米黄色粘性物质。有两组中未得到白色或米黄色物质，而一直为透明液。

八、讨论与分析：

实验过程中，部分实验组得到的线形酚醛树脂为米黄色，因为在使用的苯酚因放置时间较久，其中大部分苯酚已被氧化。1.5h后得到透明液实验组，产生上述可能原因：

①实验时，添加的催化剂的量较少，反应速率较慢；

②甲醛的挥发性很好，在实验时以甲醛的水溶液添加，此时添加的甲醛并不符合标签标准，甲醛的量在实验时不足，即溶液中水的含量相对较大，从而在酚醛反应时得到的羟甲基酚的量较少，进一步缩合生成产物的速率降低，反应时间加长，水溶液含量较大时，使氢离子的浓度降低，使缩聚反应速率降低；苯酚易被氧化，在加入的苯酚中，大量苯酚被氧化，使苯酚的邻、对位上的氢质子不活泼，在与羟甲基反应时，缩聚产物形成的量较少，溶液中以中间产物的量较多；

③操作步骤上的错误，直接在水浴温度为90℃左右时，添加药品，而使甲醛与苯酚没有融合完全就已反生酚醛反应而产生一些低聚物，产生的低聚物直接溶解在未反应的单体中，温度较高时，催化剂的活性也受到影响。在较高温度下催化剂活性降低甚至失活，从而使反应速率降低，反应时间加长。上面三个方面都可导致实验时反应液一直保持在溶液状态而物浊物生成。

分析:酚醛树脂的制备影响因素：

1、苯酚与甲醛的摩尔比苯酚与甲醛的摩尔比影响到酚醛反应历程和得到产物的分子结构。在酸性催化作用下，实验反应时甲醛的羰基先质子化，而后在苯酚的邻、对位进行亲电芳核取代，形成邻、对位羟甲基酚。进一步缩合成亚甲基桥，邻-邻、对-对或邻-对等连接。若甲醛的摩尔比苯酚的摩尔小时，不能形成足够的羟甲基，使缩合反应进行到一定程度便停止，苯酚与甲醛的摩尔比也影响到反应速率和固化时间，当两者的摩尔比越大时，反应速率越快，固化时间缩短从而使体系粘度下降，而使产品的稳定性变差，因而在实验时，采用甲醛的摩尔数稍微低于苯酚，且两者的摩尔数不应较高；

2、催化剂的影响催化剂的种类、性质、所用的量均会影响到酚醛反应速率，固化速率和产物的性质。实验时，采用水合草酸作为催化剂，酸性较弱氢离子浓度相对较低，因此在反应时，反应速率不会很快，固化速度相对较低，随着氢离子浓度增加时亚甲基化速率加快，固化速率相应的也会加快；

3、反应温度和反应时间反应温度和反应时间对酚醛树脂的制备同样有很大的影响。当苯酚与甲醛混合时，反应随即开始，开始反应时，水浴锅温度较低，温度在缓慢升高，在较低温度下，苯酚溶解度很低，反应速率很慢，因而此时可以使两者更好的混合，且催化剂也可以很好的溶解在溶液中，较高温度时，反应速率加快，实验中采用的为缓慢升温，因为该反应为放热反应，苯酚与甲醛反应时放出的热量可以使反应体系温度升高，若升温过快，而使反应剧烈，使缩聚不完全，甲醛也会挥发出去，使溶液中苯酚的含量相对较高，这样酚醛树脂的质量会下降。

九、思考题：

1、环氧树脂能否作为线形酚醛树脂的交联剂，为什么？

解：环氧树脂不可以作为线形酚醛树脂的交联剂，因为在实验时，采用的甲醛的量不足，酚醛反应进行到溶液中由甲醛产生的羟甲基反应完全时，反应停止，加入的环氧树脂，在分解时，不能够提供交联所需的亚甲基，因其上的环氧基团比较活泼，其与酚醛树脂反应而形成不溶、不熔的具有三向网状结构的高聚物。而作为交联剂是在线型的分子之间产生化学键，使线型分子相互连在一起，形成网状结构，因此环氧树脂不能为线形酚醛树脂的交联剂。

2、线形酚醛树脂和甲阶酚醛树脂在结构上有什么差异？

解：线形酚醛树脂是在以酸为催化剂，苯酚稍过量的条件下缩聚反应，得到的产物属于结构预聚物，单凭加热是不能固化，需要添加交联剂才能固化，形成的线形酚醛树脂为苯酚芳环的邻位和对位之间的随机连接；甲阶酚醛树脂是以碱为催化剂，甲醛稍过量的条件下缩聚反应，形成酚醇无规预聚物，继续加热可以直接交联固化形成网状的酚醛树脂。

3、反应结束后，加入90ml蒸馏水的目的是什么？

解：反应结束后，加入90ml的蒸馏水，一方面加入的蒸馏水过多，稀释反应液中氢离子的浓度，从而使催化反应结束，停止酚醛反应；另一方面，在实验中采用的是苯酚稍微过量，停止反应后，此时反应液中苯酚和甲醛的含量都极低，在室温时苯酚微溶于水中，而90ml蒸馏水可以基本溶解完未反应的苯酚和甲醛，起到清洗预聚物中未反应物质的作用。