Способ получения карбамидоформальдегидной смолы

 

Использование: в качестве связующих и клеев для склеивания древесины и других целей. Сущность изобретения: конденсируют карбамид и формальдегид в водной среде с переменным pН при нагревании при молярным соотношении формальдегида к карбамиду (1,6 : 1) - (2,2 : 1) смешением 35 - 55% водного раствора формалина или карбамидо-формальдегидного концентрата с содержанием формальдегида 45 - 65% и карбамида 15 - 25%, с карбамидом проводят конденсацию в течение 0,5 - 10 при температуре 20 - 80^oС и pН 6,0 - 8,5, далее снижают pH до 3,5 - 5,5, повышают температуру от 70^oС до температуры кипения и продолжают конденсацию до вязкости 15 - 1000 мПа · с, затем доводят pH до 7,0 - 9,0 и в полученный форконденсат добавляют карбамид до молярного соотношения формальдегида (1,6 : 1) - (1,2 : 1) и проводят дальнейшую конденсацию при температуре 60 - 80^oС в течение 0,5 - 2 ч с последующим снижением температуры до 0 - 35^oС. Может проводиться стадия упаривания до содержания сухих веществ 60 - 70% после приготовления реакционной смеси или после получения форконденсата или после дальнейшей конденсации форконденсата. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способам получения карбамидо-формальдегидных смол, применяемых в качестве связующих и клеев для склеивания древесины и других целей.

Цель изобретения упрощение процесса синтеза низкомольных карбамидо-формальдегидных смол, а именно двухкратное введение карбамида, причем выпадение осадка при конденсации при низком мольном соотношении формальдегида к карбамиду не происходит за счет проведения щелочной стадии при пониженной температуре.

В настоящее время ужесточились требования к эмиссии формальдегида из изделий, изготовленных на основе карбамидо-формальдегидных смол. В связи с этим широкое применение получили так называемые низкомольные смолы, т.е. с минимальным соотношением формальдегида к карбамиду.

Однако со снижением соотношения формальдегида к карбамиду ухудшаются показатели качества смол: снижается их стабильность, реакционная способность и соответственно снижаются физико-химические показатели на их основе.

Известен способ получения карбамидо-формальдегидной смолы, по которому водный 30-50%-ный формальдегид смешивают с карбамидом, при молярном соотношении формальдегид: карбамид (Ф: K) (2:1)-(3:1) при рН 6-11 и нагревают до температуры 50-80^оС, проводя так называемую "щелочную стадию", затем проводят "кислую стадию" при рН 0,5-3,5, и после достижения необходимой вязкости (степени конденсации) смесь нейтрализуют до рН 6,5-9,0, после чего вводят дополнительное количество карбамида до соотношения Ф:K (0,8:1)-(1,8: 1). Это традиционный метод получения смолы, отличающийся тем, что конечный продукт может быть низкомолярным (Ф:K до 0,8:1). Очевидно, что высокое начальное соотношение Ф:К (от 3:1 до 2:1) задается из соображений сохранения гомогенности системы, так как в этом случае получаются высоко метилолированные продукты. Но это заставляет на 2-1 стадии вводить большое количество дополнительного карбамида, особенно при изготовлении низкомольных смол, и, как следствие, проводить кислую стадию в жестких условиях (рН 0,5-3,5), чтобы после добавления 2-й порции карбамида сохранить достаточную вязкость. Однако жесткая кислая стадия повышает вероятность желатинизации реакционной смеси прямо в реакторе. Этот недостаток смягчается в известных способах с более чем двухкратным введением карбамида. Известен способ получения карбамидо-формальдегидных (КФ) продуктов, по которому в процессе изготовления молярное соотношение Ф: K меняется три раза: от 2:1 до 3,5:1 при рН 4-5,8 на первой стадии, затем от 1,5:1 до 1,9:1 при рН 5,9-6,8 на 2-й стадии и от 1,5:1 до 1,4:1 при рН 7,2-8,5 на 3-й стадии. На 3-й стадии карбамид вводится при охлаждении. Однако, как отмечено рядом исследователей, при отсутствии первоначальной щелочной стадии, т.е. когда до кислой стадии не проводится выдержка в щелочной среде, может произойти выпадение осадка уже в ходе реакции. Также отсутствует щелочная стадия в другом известном процессе, по которому карбамид добавляется непрерывно в предварительно подкисленный до рН 0,5-3,5 формалин до достижения соотношения Ф:К от 2,9:1 до 3,1:1. Затем смесь нейтрализуют и вводят дополнительное количество карбамида до Ф:К от 1,1:1 до 1,2: 1. Следует предположить, что в этом варианте изготовления смолы не требуется первоначальная щелочная стадия. На кислой стадии предлагается регулировать выделение тепла скорость введения мочевины, что технологически достаточно сложно. Наиболее близок к предлагаемому способ, взятый за прототип и включающий первоначальную щелочную стадию при соотношении Ф:К 2:1 и рН 7,0-7,4, и затем кислую стадию при рН 4,8-5,8, далее вводится карбамид до Ф:K 1,8:1-1,9: 1 и продолжается конденсация, и затем при рН 5,8-6,5 вводится карбамид до соотношения Ф:K 1:1-1,3:1 с последующим снижением температуры и нейтрализацией до рН 7,0-8,0.

Нами предлагается возврат к двухкратному изменению молярного соотношения при синтезе низкомолекулярных смол. При этом процесс существенно упрощается. Чтобы избежать выпадения осадка при первоначально низких молярных соотношениях Ф:К, предлагается модифицированная щелочная стадия. Как известно, целью этой стадии является получение высокометилолированных продуктов, которые на кислой стадии, придавая смоле стабильность, предотвращают выпадение осадка. Было установлено, что, если проводить щелочную стадию в более мягких температурных условиях, (температура от 20^о до 80^оС), то, несмотря на замедление скорости реакции, возникает возможность снизить исходное соотношение Ф:K до 1,6: 1-1,9:1 без риска потери гомогенности на последующей кислой стадии. Проведение же кислой стадии при низком соотношении Ф:К уменьшает риск желатинизации смеси в реакторе, так как для достижения той же степени конденсации возможно проведение кислой стадии при более высоком значении рН. Предположения подтверждаются работами ряда исследователей, в одной из которых исследовалась реакция конденсации формальдегида и карбамида в щелочной среде. При этом установлено, что образование продуктов со степенью конденсации большей, чем моно-, ди-, и триметилолмочевины, в существенной степени начинает протекать при температурах выше 80^оС. Минимальное образование высококонденсированных соединений приходится на рН около 8. В другой работе изучена реакция конденсации формальдегида и карбамида в щелочной среде при различных температурах. Показано, что при температуре 50^оС и рН 7,0 снижение содержания свободного формальдегида, т.е. образование метильных производных заканчивается в течение трех часов. Т.к. видимо выпадение гетерогенной фазы связано с повышенным образованием низкометилолированных конденсированных соединений, то предпочтительно проводить щелочную стадию при температурах ниже 80^оС и рН около 8.

При использовании в качестве сырья карбамидо-формальдегидного концентрата или концентрированного формалина не требуется стадии выпарки. Если же используется формалин 37-40% концентрации, то требуется выпарка. Как показывает опыт нашей работы, подтверждаемый анализом патентной информации, стадии выпарки может быть проведена перед или после любой из стадии. Так было предложено проведение выпарки после щелочной стадии, или выпарку предлагают проводить после введения 2-й порции карбамида или же после введения всего карбамида.

С учетом изложенных соображений, нами предлагаются варианты выпарки как после кислой стадии, так и после введения дополнительного количества карбамида. Так как предлагаемый способ отличается модифицированной щелочной стадией, проводимой в мягких температурных условиях, то предусмотрен вариант совмещения выпарки со щелочной стадией, в этом случае температура на этой стадии не должна превышать 80^оС.

П р и м е р 1. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 460 г 37%-ного формалина. При необходимости формалин нейтрализуют 40% раствором NaOH до рН 3,0. Добавляют 267 г 50%-ного водного раствора карбамида (Ф: K 1,7:1) и растворяют его при перемешивании. Нагревают смесь до 40^оС, при необходимости устанавливая рН полученного раствора 8,0 40%-ный раствором NaOH, выдерживают при этой температуре в течение 2 ч при перемешивании. Затем рН реакционной смеси снижают до 5,0 введением 20%-ного раствора хлорида аммония, температуру поднимают до 90^оС и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 20 мПа.с. В этот момент вводят 40% раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 8,0. После этого проводят выпарку под вакуумом при температуре от 55 до 60^оС до содержания сухих веществ 65% и вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение Ф:K 1,0:1. Температуру смеси устанавливают 60^оС продолжают перемешивание в течение 1 ч при этой температуре, затем охлаждают до температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики: Соотношение Ф:K 1,05:1 Содержание свободного формальдегида, мас. 0,05 Время желатинизации при 100^оС, с 9,5 Вязкость, мПа˙с 250 Срок хранения, сут 25 П р и м е р 2. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 486 г 37%-ного формалина. Формалин нейтрализуют 40%-ный раствором NaOH до рН 7,5. Добавляют 200 г карбамида (Ф:K 1,9:1) и растворяют его при перемешивании. Нагревают смесь до 50^оС, при необходимости устанавливая рН полученного раствора 8,0 40%-ным раствором NaOH, выдерживают при этой температуре в течение полутора часов при перемешивании. Затем рН реакционной смеси снижают до 35 введением 20%-ного раствора хлорида аммония, температуру поднимают до 70^оС и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 50 мПа.с. В этот момент вводят 40%-ный раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 7,0. После этого вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение ФК: 1,1:1. Температуру смеси устанавливают 60^оС и продолжают перемешивание в течение 1 ч при этой температуре. После этого проводят выпарку под вакуумом при температуре от 55 до 60^оС до содержания сухих веществ 65% и охлаждают до температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики: Соотношение Ф:K 1,1:1
Содержание свободного
формальдегида, мас. 0,08
Время желатинизации
при 100^оС, с 75
Вязкость, мПа˙с 300
Срок хранения, сут 30
П р и м е р 3. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 486 г 37%-ного формалина. Формалин нейтрализуют 40% раствором NaOH до рН 8,5. Добавляют 200 г карбамида (Ф:K 1,9:1) и растворяют его при перемешивании. рН полученного раствора при необходимости устанавливают 8,5 при помощи 40% -ного раствора NaOH. Затем проводят выпарку под вакуумом при температуре 55-60^оС до содержания сухих веществ 65% и далее рН реакционной смеси снижают до 5,3 введением 10%-ного раствора муравьиной кислоты, температуру поднимают до 90^оС и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 800 мПа˙с. В этот момент вводят 40%-ный раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 8,5 и вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение Ф:K 1,1:1. Далее отключают источник тепла и оставляют смесь самопроизвольно охлаждаться, продолжая перемешивание до растворения карбамида или достижения температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики:
Соотношение Ф:K 1,1:1
Содержание свободного
формальдегида, мас. 0,08
Время желатинизации
при 100^оС, с 75
Вязкость, мПа˙с 280
Срок хранения, сут 30
П р и м е р 4. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 457 г 35%-ного формалина. Формалин нейтрализуют 40% раствором NaOH до рН 7,5. Добавляют 210 г 95%-ного водного раствора карбамида (Ф:K 1,6:1) и растворяют его при перемешивании. рН полученного раствора при необходимости устанавливают 8,0 при помощи 25%-ного водного раствора NH₃. Смесь выдерживают при температуре 20^оС в течение 10 ч при перемешивании. После этого проводят выпарку под вакуумом при температуре 85-90^оС до содержания сухих веществ 65% Затем рН реакционной смеси снижают до 5,5 введением 20%-ного раствора хлорида аммония, температуру поднимают до температуры кипения и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 15 мПа˙с. В этот момент вводят 40% -ный раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 8,5 и вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение Ф:K 1,0:1. Температуру смеси устанавливают 80^оС, продолжают перемешивание в течение 0,5 ч при этой температуре, затем охлаждают до температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики:
Соотношение Ф:K 1,0:1
Содержание свободного
формальдегида, мас. 0,03
Время желатинизации
при 100^оС, с 110
Вязкость мПа.с 130
Срок хранения, сут 20
П р и м е р 5. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 440 г 50%-ного формалина. Формалин нейтрализуют 40%-ным раствором NaON до рН 7,5. Добавляют 200 г карбамида (Ф:K 2,2:1) и растворяют его при перемешивании. Нагревают смесь до 80^оС, при необходимости устанавливая рН полученного раствора 6,0 40%-ным раствором NaOH, выдерживают при этой температуре в течение 0,5 ч при перемешивании. Затем рН реакционной смеси снижают до 5,0 введением 20%-ного раствора хлорида аммония, температуру поднимают до 90^оС и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 800 мПа.с. В этот момент вводят 40%-ный раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 7,5 и затем вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение Ф:K 1,2: 1. Температуру смеси устанавливают 60^оС продолжают перемешивание в течение 2 ч при этой температуре, затем охлаждают до температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики:
Соотношение Ф:K 1,2:1
Содержание свободного
формальдегида, мас. 0,15
Время желатинизации
при 100^оС, с 50
Вязкость, мПа.с 400
П р и м е р 6. В реактор, снабженный мешалкой и обратным холодильником, загружают 200 г КФ концентрата содержащего 55% "общего" формальдегида (во всех его формах) и 21 "общего" карбамида. Добавляют 90 г карбамида (Ф:K 2,0: 1) и растворяют его при перемешивании. рН полученного раствора при необходимости устанавливают 7,5 при помощи 40%-ного раствора NaOH.Смесь выдерживают при температуре 40^оС в течение 2 ч при перемешивании. Затем рН реакционной смеси снижают до 5,2 введением 10%-ного раствора уксусной кислоты, температуру поднимают до 90^оС и проводят конденсацию в кислой среде до достижения вязкости 1000 мПа˙с. В этот момент вводят 40% раствор NaOH, доводя рН реакционной смеси до 7,5 и затем вводят карбамид при перемешивании, устанавливая соотношение Ф:K 1,15:1. Температуру смеси устанавливают 60^оС продолжают перемешивание в течение 1 при этой температуре, затем охлаждают до температуры 25^оС.

Полученная смола имеет следующие характеристики:
Соотношение Ф:K 1,15:1
Содержание свободного
формальдегида, мас. 0,10
Время желатинизации
при 100^оС, с 60
Вязкость, мПа˙с 350
Срок хранения, сут 45
Результаты исследований представлены в табл. 1, 2.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНОЙ СМОЛЫ конденсацией реакционной смеси карбамида и формальдегида в водной среде с переменным pH при нагревании, отличающийся тем, что готовят реакционную смесь с молярным соотношением формальдегида к карбамиду от 1,6 1 до 2,2 1 смешением 35 - 55%-ного водного раствора формалина или карбамидно-формальдегидного концентрата с содержанием формальдегида 45 65% и карбамида 15 25% с карбамидом, проводят конденсацию в течение 0,5 10 ч при температуре 20 - 80^oС и pH 6,0 8,5, далее снижают pH до 3,5 5,5, повышают температуру от 70^oС до температуры кипения и продолжают конденсацию до вязкости 15 - 1000 МПа · с, затем доводят pH до 7,0 9,0 и в полученный форконденсат добавляют карбамид до мольного соотношения формальдегида от 1,0 1 до 1,2 1 и проводят дальнейшую конденсацию при 60 80^oС в течение 0,5 2 ч с последующим снижением температуры до 0 35^oС.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что проводят стадию упаривания до содержания сухих веществ 60 70% после приготовления реакционной смеси, или после получения форконденсата, или после окончания процесса дальнейшей конденсации форконденсата.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2