低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂合成及其热解动力学研究

摘要

醚化三聚氰胺甲醛树脂在制备涂料、阻燃材料等行业应用。甲醛容易导致癌症、基因突变、畸形，降低树脂中游离甲醛含量是众多学者的研究热点之一。醚化三聚氰胺甲醛树脂的应用过程中大多需加热固化，深入研究树脂的合成工艺、热解特性、改善固化效果具有重要意义。基于此，本文选择新型两步法合成工艺制备低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂，通过正交实验、单因素实验、有重复双因素实验确定树脂的较优合成条件，并分析羟甲基化反应阶段产物主要成分和各反应阶段的官能团变化情况；最后对合成的树脂进行热解动力学研究，确定主要热解阶段的动力学参数和机理函数，并与美国湛新公司的325树脂热解特性进行对比，探讨醚化三聚氰胺甲醛树脂品质改进方向。研究结果如下：　　1、羟甲基化阶段较优实验条件为：原料摩尔比（三聚氰胺：甲醛）为1:3.3；反应温度和时间分别为60℃、30min；反应pH为10。在此优化条件下，羟甲基三聚氰胺的游离甲醛含量为0.22%、结合甲醛含量为0.424、水分含量为6.21%、收率为63.62%。醚化反应过程的较优实验条件为：原料摩尔比（甲醇：羟甲基三聚氰胺）为6:1；醚化温度和醚化pH值分别为50℃和4；抽真空时间和温度分别为60min、70℃。经过条件优化后的低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂固含量为70.46%；粘度为3060mPa.s；游离甲醛仅为0.08%，抽真空时间、温度、时间和温度的交互作用均对树脂的粘度和固含量表现为差异极显著。　　2、优化后的羟甲基三聚氰胺中不同羟甲基含量的多羟甲基三聚氰胺均存在，且中低羟数的羟甲基三聚氰胺较多。低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂中含有-NH-、-OH、三嗪环、醚键、醚类等官能团，且其-NH-、-OH含量高于美国湛新公司的325树脂和327树脂。　　3、低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂热分解过程大致分为四个阶段，其中250~400℃为树脂的主要热解阶段，最大失重温度范围为300~380℃。325树脂的热分解过程也主要分为四个阶段，其第一阶段失重明显高于低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂，主要热解阶段为300~500℃，最大失重温度范围为380~480℃。　　4、采用FWO法、KAS法以及选取30多种常用机理函数通过C-R法计算出低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂在主要热解阶段的反应活化能为229.17kJ·mol-1，指前因子为9.71×1020min-1，反应活化能随着失重转化率的增大而逐渐呈上升趋势。325树脂活化能为257.11kJ·mol-1，指前因子为1.71×1018min-1，反应活化能随着失重转化率的增大而呈先减小后增加的趋势，两者反应机理函数均符合P-T方程，即G(α)=[-ln(1-α)]2，反应机理属于枝状成核。　　经过新型两步法合成的低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂，游离甲醛含量极低、官能团丰富，低游离甲醛有利于人们的身体健康，丰富的官能团更有助于低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂与其它基体树脂复配，提高其应用性能；在游离甲醛含量、羟甲基三聚氰胺含水量等方面相比实验室前期工作者的研究结果较好。研究对比325树脂和低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂的热解特性及热解动力学参数，325树脂的主要热解阶段的反应活化能和最大失重温度均高于低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂，说明325树脂的热稳定性优于低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂。通过对实验结论分析，在后续的研究中可将阻聚剂等物质添加到低游离甲醛三聚氰胺甲醛树脂里进行复配，以此来提高低游离甲醛三聚氰胺甲醛树脂的热稳定性。

目录

1 绪 论

1.1三聚氰胺甲醛树脂简介

1.2醚化三聚氰胺甲醛树脂合成

1.2.1醚化三聚氰胺甲醛树脂合成机理

1.2.2醚化三聚氰胺甲醛树脂合成工艺

1.2.3醚化三聚氰胺甲醛树脂合成研究现状

1.3热解分析

1.3.1热重分析简介

1.3.2热解动力学研究方法

1.3.3三聚氰胺甲醛树脂热解动力学研究现状

1.4本文研究内容

2 羟甲基三聚氰胺合成工艺优化研究

2.1实验原料

2.2实验仪器

2.3羟甲基三聚氰胺合成正交实验设计

2.4实验方法

2.4.1羟甲基三聚氰胺制备

2.4.2游离甲醛含量测定

2.4.3结合甲醛含量测定

2.4.4水分含量测定

2.4.5收率测定

2.4.6傅里叶红外光谱检测

2.4.7液质联用检测

2.5实验结果及讨论

2.5.1各因素对羟甲基三聚氰胺反应的影响

2.5.2优化后羟甲基三聚氰胺与三聚氰胺红外光谱图对比分析

2.5.3优化后羟甲基三聚氰胺液质联用分析

2.6本章小结

3 低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂合成工艺研究

3.1实验原料

3.2实验仪器

3.3实验方法

3.3.1低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂制备

3.3.2游离甲醛含量测定

3.3.3粘度测定

3.3.4固含量测定

3.3.5傅里叶红外光谱检测

3.4实验结果及讨论

3.4.1羟甲基三聚氰胺与甲醇摩尔比优化

3.4.2醚化反应温度优化

3.4.3醚化反应pH优化

3.4.4真空处理条件优化

3.4.5优化条件下树脂主要性能分析

3.4.6树脂傅里叶红外光谱分析

3.5本章小结

4 低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂热解动力学研究

4.1实验原料

4.2实验设备

4.3实验方法

4.4低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂热解动力学分析

4.4.1树脂热失重分析

4.4.2树脂热解动力学参数计算

4.4.3树脂动力学参数及反应机理函数确定

4.5 低游离甲醛醚化三聚氰胺甲醛树脂与 325树脂热解动力学对比分析

4.5.1 热失重对比分析

4.5.2热解动力学参数计算对比

4.6本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

A. 攻读硕士期间科研成果情况

B. 论文缩略语对照表

C. 学位论文数据集

致谢