实验四脲醛树脂的合成与应用

实验四脲醛树脂的合成与应用脲醛树脂是由尿素与甲醛经加成聚合反应制得的热固性树脂。产物的结果比较复杂，直接受尿素与甲醛的摩尔比、反应体系的PH值、反应温度、时间等条件的影响。例如：当在酸性条件下反应时，产物是不溶于水和有机溶剂的聚次甲基脲：在碱性条件下发生反应时，则生成水溶性的一羟甲基脲或二羟甲基脲等等。脲醛树脂具有毒性小、固化后透明性高、胶缝无颜色、原料充足、价格低廉等优点，主要作为粘合剂用于建筑、塑料、涂料、纺织等行业。一、实验目的了解脲醛树脂性质、用途，掌握其合成方法。二、实验原理脲醛树脂合成机理比较复杂，一般认为分以下两步进行：1)反应物为初期中间体尿素和甲醛在中性或微碱性介质中生成较稳定的一羟甲基脲、二羟甲基脲等：2)缩聚反应(树脂化)羟甲基脲中含有活泼的羟甲基，可进一步缩合生成聚合物．由于碱性条件下缩聚反应很慢，所以调节在微酸介质中，羟甲基脲和未反应的尿素、羟甲基与羟甲基之间进行亚甲基化反应，典型的反应有还有甲醛和亚氨基之间的缩合，可生成低交联度的线型脲醛树脂，加热或加入固化剂能加速反应的进行，羟甲基和氨基能进一步缩合，交联成体型网状结构。三、实验步骤：1)碱性加成阶段在装有回流冷凝器、温度计、搅拌磁子的250mL三颈烧瓶中，注入15mL质量分数为37％甲醛水溶液，开启搅拌器加热搅拌至30~C保温。加入尿素5g，，按2：1质量比，分二次投料，慢慢加入第一批尿素溶液，等全部溶解后，缓慢升温到70℃，反应l5min．保温结束后，加入第二批尿素溶液，缓慢升温到90℃，保温反应30min，则加成反应结束．呈现粘稠乳白色悬浮液。2)把白色悬浮液倒入纸杯中，加入5g填料，充分搅拌均匀。3)加入2mL磷酸，搅拌均匀后，静置10min，得到均匀的固体。实验现象：碱性加成阶段，随着温度的升高，尿素不断溶解，反应液逐渐由无色透明转为乳白色液体，最后得到粘稠的乳白色悬浮液;分别加入填料、磷酸充分搅匀，静置后的均匀的固体。思考题：1、为什么在脲醛树脂合成过程中第一步反应的PH值不能超过8？答：如果PH值超过8，则这时甲醛分子间能发生坎尼查罗(Cannizzaro)反应，即一分子甲醛被还原成甲醇，另一分子甲醛被氧化成甲酸。2、制备脲醛树脂时，尿素与甲醛的用量配比怎样才算合适？尿素为什么要分两次加入反应体系中？答：尿素与甲醛的用量以1：1.6-2.0(摩尔比)为宜。尿素可以一次加入，但分两次加效果更佳。因为这样就可以使甲醛有更多的机会和尿素反应，可以大大减少树脂中游离的甲醛。尿素加入时，由于溶解吸热，可使反应温度降低5-100C，为了使反应液维持一定的温度，需要慢慢地加入尿素。3、如何判断脲醛树脂合成反应的终点？答：判断脲醛树脂反应的终点，可采用下列三种方法之一：(1)(1)用玻璃棒沾取树脂，让其自然流下，最后两滴迟迟不掉，液滴滴下时，丝状物缩回棒上；(2)(2)用吸管吸取少量树脂，滴入盛有清水的小烧杯中，树脂逐渐扩散为云雾状，并徐徐降至底部不生成沉淀，水也不浑；(3)(3)取少量树脂滴在拇指或食指上，两指不断张合，在一分钟内觉得有一定粘度。3、当脲醛树脂的合成至终点时，为什么要用NaOH溶液调至反应混合液的PH为7？答：因为脲醛树脂的合成至终点时，溶液的酸度较大。而在酸性条件下，脲醛树脂会进一步缩聚，最终形成网状体型结构的固化物，即冻胶，而降低其粘合能力。4、使用脲醛树脂胶接时，为什么要加固化剂？常用的固化剂有哪些？加入固化剂的量为什么要适当？答：使用脲醛树脂胶接时，加入固化剂可吸收树脂中少量的水，使已经涂树脂的两部分材料牢固地与树脂粘在一起。常用的固化剂有：氯化铵、硝酸铵、硫酸铵等。其中以氯化铵和硫酸铵效果为好。加入的固化剂要适量，在室温下，一般树脂与固化剂的重量比为100：0.5-1.2为宜。用量过多，胶质较脆；过少，则固化时间太长。5、树脂的固化速度与哪些因素有关？答：固化速度取决固化剂的性质、用量和固化温度。6、在脲醛树脂的合成过程中，缩合阶段有时会发生粘度骤增，以致出现冻胶现象，这是何故？如何补救？如何预防？答：出现冻胶的原因：(1)(1)酸度太大(PH小于4)；(2)(2)升温过快，或温度过高(高于1000C)。补救办法：(1)(1)降低反应体系的温度；(2)(2)加入适量甲醛溶液稀释树脂，从内部降温；(3)(3)加入适量的NaOH溶液，调至PH=7。酌情确定是出料还是继续反应。预防办法：(1)(1)经常检查溶液的PH值和反应液的温度；(2)(2)经常检查反应是否邻近终点。7、为什么脲醛树脂具有粘结木、竹的能力？答：由于脲醛树脂中保留部分羟甲基，与木、竹纤维中的羟基具有较强的亲合力(比如形式氢键)。因此，脲醛树脂具有粘结木、竹能力。