Способ получения карбамидоформальдегидной смолы для производства пенопласта

Изобретение относится к способам получения карбамидоформальдегидной смолы, используемых для изготовления пенопласта. Конденсацию карбамида с формальдегидом осуществляют при начальном мольном соотношении карбамида и формальдегида 1:2,0-2,2 в несколько стадий в среде с переменной кислотностью при нагревании в присутствии модифицирующей добавки - водного раствора поливинилового спирта. Для конденсации с карбамидом в качестве формальдегидсодержащего компонента используют карбамидоформальдегидный концентрат. Конденсат содержит 54-60 мас.% общего формальдегида, 20-24 мас.% общего карбамида, остальное вода. Процесс проводят в присутствии регулятора вязкости - деминирализированной воды и 1-3 мас.ч. модификатора на 100 мас.ч карбамида. Причем сначала реакционную смесь нагревают до 90±2°С при рН 7,5-8,5, выдерживают 20 минут, снижают температуру до 82-85°С и при рН 4,5-5,0 выдерживают реакционную массу в течение 20-50 минут, затем нейтрализуют до рН 7,5-8,0, вводят дополнительное количество карбамида до мольного соотношения карбамида и формальдегида 1:1,5 и выдерживают 60 минут при 65-70°С. Способ позволяет исключить образование сточных вод, повысить производительность технологического оборудования. 2 табл.

 

Изобретение относится к способам получения карбамидоформальдегидных смол, используемых для изготовления пенопласта.

В настоящее время острой остается проблема создания ресурсо- и энергосберегающих технологий, в частности применения теплоизоляционных материалов для теплоизоляции зданий, оборудования, холодильных камер и др. Одним из первых газонаполненных пластмасс, нашедших широкое применение для теплоизоляции, были пенопласты на основе карбамидоформальдегидных олигомеров (КФО). КФО являются наиболее экономичным исходным материалом для производства пеноматериалов. Наряду с положительными свойствами карбамидные пенопласты обладают рядом недостатков, таких как незначительная механическая прочность, хрупкость и усадка при отверждении и сушке. Получение карбамидоформальдегидных олигомеров (смол) по традиционной технологии сопряжено со значительными энергозатратами на проведение концентрирования реакционной массы, а также большим объемом формальдегидсодержащих надсмольных вод, и полученные на их основе пеноматериалы не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям к эмиссии формальдегида.

Известен способ получения карбамидоформальдегидной смолы для изготовления карбамидного пенопласта путем совместной конденсации карбамида с формальдегидом в присутствии глицерина, при нагревании до температуры кипения полученного раствора а среде с переменной кислотностью и конечным мольным соотношением формальдегид:карбамид - 1,7÷1,8:1 [А.Ф.Николаев. Синтетические полимеры и пластические массы на их основе. Химия, М., 1996, 78 с.391-392]. Недостатками данного способа является значительное содержанием свободного формальдегида в смоле и недостаточная механическая прочность готового пенопласта. Близким к решению поставленной задачи является способ получения карбамидоформальдегидной смолы путем конденсации карбамида с формальдегидом, водный раствор которого предварительно нейтрализовали аммиачной водой, в среде с переменной кислотностью при нагревании до температуры 60-95°С, вакуум-сушку, введение модифицирующей добавки в виде водного раствора гидроксилсодержащего полимера в количестве 0,6-2,5 масс. частей на 100 частей карбамида, доконденсацию с дополнительным количеством карбамида до конечного мольного соотношения карбамид: формальдегид 1:1,2-1,6 [Заявка 96124470/04 Россия, кл. C 08 G 12/40, C 08 J 9/06, заявлено 27.12.96; опубликовано 27.1.99 // Патент №2115666]. Недостатком указанного способа является его многостадийность и продолжительность, что снижает производительность технологического оборудования, значительные расходы пара и электроэнергии на стадии варки и вакуум-сушки смолы.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа получения карбамидоформальдегидной смолы путем уменьшения многостадийности и снижения энергоемкости процесса с одновременным улучшением технических характеристик готового продукта (смолы), а также физико-механических свойств пенопласта.

Физико-механические свойства пенопласта приведены в таблице 1.

Поставленная задача достигается тем, что для проведения конденсации карбамида с формальдегидом в среде с переменной кислотностью при нагревании, согласно изобретению в качестве основного сырьевого компонента используют карбамидоформальдегндный концентрат (КФК). Процесс получения смолы осуществляется в присутствии регулятора вязкости и модифицирующей добавки.

Сущностью предлагаемого решения является синтез карбамидоформальдегидной смолы путем конденсации КФК с первой порцией карбамида в присутствии регулятора вязкости - деминерализованной водой, а также модифицирующей добавки в виде водного раствора поливинилового спирта при рН 7,5-8,5, в течение 20 минут при температуре 90±2°С. Начальное мольное соотношение карбамида к формальдегиду при этом составляет 1:2,2-2,0 соответственно. Затем смесь охлаждают до 82-85°С введением 20%-ного раствора хлористого аммония, доводят рН до 4,5-5,0 и выдерживают 20-50 минут до начала коагуляции смолы. Далее следует нейтрализация реакционной массы до рН 7,5-8,0 с одновременным охлаждением до 70°С, при достижении данной температуры и рН вводят вторую порцию карбамида, проводят стадию доконденсации при 65-70°С в течение 60 минут.

Использование в качестве исходного сырья КФК (по ТУ У 6-05761614.005-96), в котором содержится (% масс.) 54-60 "общего" формальдегида, 20-24 "общего" карбамида, остальное - вода, взамен 37%-ного формалина, позволяет исключить стадию вакуум-сушки и тем самым сократить длительность всего процесса получения смолы. При этом также исключается образование надсмольных вод, что выгодно по экологическим и экономическим причинам. Использование в качестве модифицирующей добавки водного раствора поливинилового спирта позволяет получать пенопласт с улучшенными физико-механическими свойствами и отсутствием растрескивания.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Применяемый КОЖ содержит 56,7% формальдегида, 22,8% карбамида. Для регулирования вязкости реакционной массы используют деминерализованную воду.

ПРИМЕР 1

В реактор V=0,2 м³ загружают 106 кг КФК и 16,5 кг деминерализованной воды, устанавливают рН 7,5-8,5 при помощи 10%-ного раствора NaOH. После этого вводят первую порцию карбамида в количестве 33,1 кг, при работающей мешалке смесь нагревают до температуры 90±2°С. При достижении температуры 40-50°С в реактор загружают модифицирующую добавку - поливиниловый спирт в количестве 0,8 кг или одна массовая часть на 100 массовых частей карбамида в виде водного раствора. Для приготовления данного раствора используют деминерализованную воду в таком же количестве, что и вода для регулятора вязкости (16,5 кг). При температуре 90°С проводят выдержку в течение 20 минут. По завершении выдержки в щелочной среде реакционную массу охлаждают до 82-85°С и вводят 0,5 дм³ 20%-ного раствора NH₄Cl, рН при этом устанавливается на уровне 4,9. Поликонденсацию ведут до смешиваемости смолы с холодной водой (t=12 -15°С) в соотношении 1:8-10 соответственно. Продолжительность этой стадии 20-50 минут в зависимости от температуры и установленного уровня рН. После того как смешиваемость смолы с водой достигнет нужного предела, содержимое реактора нейтрализуют раствором NaOH до рН 7,5-8,0 в количестве 0,4 дм³ и охлаждают реакционную массу до 70-75°С. Загружают первую порцию карбамида массой 23 кг и ведут стадию доконденсации в течение одного часа при температуре 65-70°С. Конечное мольное соотношение карбамид: формальдегид 1:1,5 соответственно. Готовую смолу охлаждают до 25-30°С и сливают в бочки.

ПРИМЕР 2

Условия конденсации по примеру 1. Количество первой порции карбамида 30,6 кг, второй - 25,5. Количество модифицирующей добавки 1,6 кг или 2 массовых части на 100 массовых частей карбамида.

ПРИМЕР 3

Условия конденсации по примеру 1. Количество первой порции карбамида 36 кг, второй - 20. Количество модифицирующей добавки 2,4 кг или 3 массовых части на 100 массовых частей карбамида.

ПРИМЕР 4

Процесс ведется по примеру 1. Количество первой порции карбамида 33,1 кг, второй - 23. Количество модифицирующей добавки составляет 0,8 кг, причем растворение поливинилового спирта проводится в присутствии 5,7 кг карбамида, конечное мольное соотношение карбамид: формальдегид при этом равно 1:1,4 соответственно.

Сравнительная характеристика свойств смол, полученных по предлагаемому и известному способам, представлены в таблице 1.

Таким образом, по предложенному способу удается получать высококачественную карбамидоформальдегидную смолу для производства пенопласта, при этом заключается образование сточных вод и уменьшается количество стадий процесса.

Таблица 1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕНОПЛАСТА
Показатель	Норма	Прототип	Предлагаемый способ
Предел прочности при изгибе, МПа, не менее	0,005-0,02	0,0405	0,144
Плотность, кг/м3	8-25	13,3	22,4

Таблица 2 ХАРАКТЕРИСТИКА СМОЛ
Наименования показателей	Прототип	Примеры
		1	2	2	4
Массовая доля сухого остатка, мас.%	56	63	62	62	63
Содержание свободного формальдегида, мас.%	0,25	0,19	0,20	0,17	0,11
Вязкость по ВЗ-4 (при 20°С), сек	20	31	35	33	32
Концентрация водородных ионов, рН	7,6	7,7	7,8	7,7	7,6
Время желатинизации при 100°С, сек	57	62	59	60	64

Способ получения карбамидоформальдегидной смолы для производства пенопласта конденсацией карбамида и формальдегидосодержащего компонента при начальном мольном соотношении карбамида и формальдегида 1:(2,0-2,2) в несколько стадий в среде с переменной кислотностью при нагревании, в присутствии модификатора - водного раствора поливинилового спирта, отличающийся тем, что в качестве формальдегидсодержащего компонента используют карбамидоформальдегидный концентрат, содержащий 54-60 мас.% общего формальдегида, 20-24 мас.% общего карбамида, остальное - вода, процесс проводят в присутствии регулятора вязкости - деминирализованной воды и 1-3 мас.ч. модификатора на 100 мас.ч. карбамида, причем сначала реакционную смесь карбамида, карбамидоформальдегидного концентрата и модификатора нагревают до 90±2°С при рН 7,5-8,5, выдерживают 20 мин, снижают температуру до 82-85°С и при рН 4,5-5,5 выдерживают в течение 20-50 мин, затем нейтрализуют до рН 7,5-8,0, вводят дополнительное количество карбамида до конечного мольного cоотношения карбамида и формальдегида 1:1,5 и выдерживают 60 мин при 65-70°C.