СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБАМИДОФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ СМОЛ Российский патент 1998 года по МПК C08G12/40 

Предлагаемое изобретение относится к области химической и деревообрабатывающей промышленности, в частности, к области получения карбамидоформальдегидных поликонденсационных продуктов, используемых в деревообрабатывающей промышленности в производстве древесно-стружечных и древесноволокнистых плит, фанеры, клееные деревянных конструкций и других изделий.

Решение проблемы экологической безопасности древесноплитных материалов и других изделий на основе древесины и карбамидоформальдегидных смол в настоящее время представляет особую актуальность.

Общеизвестно, что для улучшения экологической безопасности древесноплитных материалов и других изделий применяют карбамидоформальдегидные смолы с малым содержанием общего формальдегида (см. "Плиты и фанера, ВНИПИЭМ Леспром, Обзорная информация, экспресс-информация, N 2, М., 1985, с. 4-5).

Однако уменьшение общей доли формальдегида в карбамидоформальдегидных смолах приводит к снижению прочности клеевых соединений на их основе и, следовательно, к ухудшению прочности клеевых соединений на их основе и, следовательно, к ухудшению прочностных показателей древесноплитных материалов и других клеенных изделий из древесины (см. "Плиты и фанера", ВНИПИЭМ, Леспром, Обзорная информация, М., 1984, вып. 2, с. 3-10).

Ближайшим аналогом изобретения по технической сути и достигаемому результату является способ получения карбамидоформальдегидных смол (RU, патент 2050372, кл. C 98 G 12/40, 1995).

Способ получения карбамидоформальдегидных смол по прототипу заключается в том, что сначала конденсируют при нагревании карбамид с формальдегидом при их мольном соотношении, соответственно, 1:1, 8-2,2 в присутствии аммиака, взятого в количестве 0,5-1,5 мас.% от карбамида до образования смолообразных олигомерных продуктов конденсации, после чего в нейтрализованную реакционную смесь вводят 20-45 мас.% от карбамида, сахара и/или промежуточные продукты их производства и/или лигносульфонаты, а затем и дополнительную порцию карбамида в количестве, достаточном для доведения общего соотношения карбамида к формальдегиду в готовом продукте соответственно, 1:0,4-1,0 в молях и продолжают конденсацию в течение 40-80 мин при температуре 55-85^oC. В ходе конденсации допускается введение в реакционную смесь меламина и/или гуанаминов (ацето- и бензогуанамины) или фенола и/или его производных в количестве 0,02-0,1 моля на 1 моль формальдегида.

Получаемые карбамидоформальдегидные олигомеры используются в качестве олигомерной добавки к карбамидным смолам; она способствует снижению токсичности древесноплитных материалов на основе карбамидоформальдегидных смол.

Однако карбамидоформальдегидная олигомерная добавка по прототипу не обладает реактивностью и предназначена только для применения совместно с термореактивными карбамидоформальдегидными смолами.

В связи с вышеизложенным создание термореактивных, низкотоксичных карбамидоформальдегидных смол, пригодных для применения в производстве экологически безопасных древесноплитных материалов и других композиционных изделий с использованием древесины без ухудшения их прочностных показателей, является актуальной задачей.

Технической задачей является создание низкотоксичных карбамидоформальдегидных смол, обладающих достаточной реактивностью и прочностью клеевого соединения.

Сущность изобретения заключается в том, что конденсацию карбамида с формальдегидом в водных растворах при нагревании в средах с переменной кислотностью при начальном и конечном мольном соотношении карбамида к формальдегиду, соответственно 1: 1,8-2,2 и 1:1,0-1,4 осуществляют в присутствии модификатора, выбранного из группы - меласса, кукурузный сироп, технические лигносульфонаты, пентаэритрит, Флотореагент-Оксаль, дифенилолпропан, мальтоза, меламин, фурфуриловый спирт и/или их смеси во всех сочетаниях и соотношениях, взятых в количестве 2-10 мас.% от исходного карбамида, конденсацию продолжают сначала с добавлением общего соотношения карбамида к формальдегиду, соответственно 1,0 к 1,3-1,5 в среде с величиной pH от 6,0 до 9,0 при температуре (50-85)^oC с продолжительностью (15-50) мин с последующим концентрированием полученного карбамидоформальдегидного форконденсата до нужной концентрации, после чего вводят остаточную массу карбамида для доведения конечного мольного соотношения карбамида к формальдегиду, соответственно, 1,0 к 1,0-1,4 и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC и pH 7,0-9,0 в течение 20-60 мин, после чего охлаждают готовую смолу.

Изобретение предусматривает введение модифицирующих добавок на стадии приготовления исходной реакционной смеси или на стадии загрузки первой порции дополнительного карбамида, или равными порциями в два приема - на стадии приготовления исходной реакционной смеси и на стадии загрузки первой порции дополнительного карбамида.

Варианта изобретения предусматривает использование в качестве формальдегидного сырья концентрированных водных растворов формальдегида (48-64) %-ной концентрации, стабилизированных карбамидом, взятым в количестве (20-50) мас. % от формальдегида.

На стадии загрузки дополнительной порции карбамида или на стадии охлаждения готовой смолы допускается введение стабилизирующих добавок, например, буры (тетраборат натрия) в количестве 0,02-0,1 мас.% от количества смолы.

Изобретение иллюстрируется следующими конкретными примерами его выполнения.

Пример 1. В вакуум-варочный реактор загружают 162,2 кг (2 моля) 37 %-ного формалина и при перемешивании добавляется 2,44 кг (4,06% от массы исходного карбамида) мелассы. С помощью раствора щелочи (NaOH) pH реакционной среды доводят до величины 7,5. Затем в реакцию при работающей мешалке загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев и содержимое реактора нагревают до температуры (90-94)^oC и выдерживают при этом температуре (20-40) мин. После этого с помощью раствора муравьиной кислоты (HCOOH) pH реакционной среды доводят до величины 4,5 и проводят поликонденсацию до появления устойчивого помутнения при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к 5-10 мл воды с температурой (16-20)^oC. После этого с помощью раствора щелочи pH реакционной среды доводят до 67,0-9,0, содержимое реактора охлаждают до (70-75)^oC и при работающей мешалке загружают 25, 72 кг (0,43 моля) карбамида и ведут конденсацию при (65-75)^oC в течение (15-30) мин Затем смолу концентрируют под вакуумом при температуре (50-90)^oC, отгоняя при этом (20-30)% воды от общей массы конденсационного раствора.

После этого при работающей мешалке в реакторе загружают 30,78 кг (0,51 моля) карбамида и продолжают конденсацию при температуре (45-75)^oC в течение (20-30) мин, после чего охлаждают готовую смолу.

Показатели получаемой смолы приведены в таблице.

Пример 2. В вакуум-варочный реактор загружают 162,2 кг (2 моля) 37%-ного формалина и с помощью раствора щелочи pH формалина доводят до величины 7,0-8,0. Затем в реактор при работающей мешалке в реактор загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев, нагревают конденсационный раствор до температуры (90-96)^oC и проводят выдержку при этой температуре (15-45) мин. После этого с помощью водного раствора сульфата аммония /(NH₄)₂SO₄/ устанавливают pH реакционной среды в пределах 4,5-5,2 и продолжают конденсацию до образования ограничено совместимых с водой продуктов поликонденсации. Контроль степени поликонденсации осуществляют путем добавления 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды с температурой (10-20)^oC. При этом в воде должно появляться устойчивое помутнение (побеление). Затем с помощью раствора щелочи доводят pH реакционной среды до 6,5-8,5, содержимое реактора охлаждают до (65-85)^oC и при работающей мешалке загружают 2,44 кг (0,018 моля) пентаэритрита (4,06% от массы исходного карбамида) и 22,76 кг (0,38 моля) карбамида и продолжают конденсацию при температуре (60-80)^oC в течение (15-45) мин. Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом, отгоняя (18-25)% воды от общей массы конденсационного раствора. После этого в реактор при работающей мешалке загружают 26,4 кг (0,44 моля) карбамида и 0,12 кг буры и продолжают конденсацию при температуре (55-65)^oC в течение (20-40) мин, после чего охлаждают готовую смолу.

Свойства получаемой смолы приведены в таблице.

Пример 3. В вакуум-варочный реактор загружают 170,3 кг (2,1 моля) 37%-ного формалина и при перемешивании 3,0 кг (0,022 моля) пентаэритрита (5,0% от массы исходного карбамида). С помощью раствора щелочи pH реакционной среды доводят до 7,0-8,5. Затем при работающей мешалке в реактор загружают 60,0 кг (1,0 моль) карбамида и включают обогрев, нагревают конденсационный раствор до температуры (88-96)^oC и проводят выдержку конденсационного раствора при этой температуре в течение (15-45) мин. Затем с помощью раствора хлористого аммония устанавливают pH реакционной среды в пределах 4,3-5,0 и ведут конденсацию до появления устойчивого помутнения при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды с температурой (10-15)^oC. Затем с помощью раствора щелочи pH реакционной среды доводят до 6,0-7,5, содержимое реактора охлаждают до (85-60)^oC и при работающей мешалке загружают 1,2 кг (2,0 % от массы исходного карбамида). Флотореагент-Оксаля (ТУ 38.103429-83 и 27 кг (0,45 моля) карбамида и ведут конденсацию при (55-65)^oC в течение (15-30) мин. Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом при температуре (60-80)^oC, pH реакционной среды при этом поддерживают в пределах 7,5-8,5. После чего в реактор при работающей мешалке загружают 27,0 кг (0,45 моля) карбамида и 0,16 кг буры и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC в течение (25-45) мин, после чего охлаждают готовую смолу.

Свойства получаемой при этом смолы приведены в таблице 1.

Пример 4. В вакуум-варочный реактор загружают 145,9 кг (1,8 моля) 37%-ного формалина и нейтрализуют его с помощью раствора щелочи до величины pH 6,8-8,2. Затем в реактор при работающей мешалке загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев, реакционный раствора нагревают до температуры (86-96)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (25-45) мин. После этого с помощью раствора муравьиной кислоты устанавливают pH реакционной среды в пределах 4,6-5,2 и ведут конденсацию до появления устойчивого помутнения при прибавления 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды в пробирке с температурой (12-20)^oC. Затем с помощью раствора щелочи устанавливают pH реакционной среды в пределах 7,5-8,8, содержимое реактора охлаждают до (70-85)^oC и при работающей мешалке в реактор загружают 3,6 кг (6,0% от массы исходного карбамида) мальтозы и 22,8 кг (0,38 моля) карбамида. Конденсацию продолжают при температуре (60-75)^oC в течение (15-35) мин. Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом при температуре (55-85)^oC, отгоняя (18-25)% воды от общей массы конденсационного раствора. После этого при работающей мешалке в реактор загружают 25,2 кг (0,42 моля) карбамида и 0,18 кг буры и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC в течение (25-45) мин, после чего готовую смолу охлаждают.

Свойства получаемой при этом смолу приведены в таблице.

Пример 5. В вакуум-варочный реактор загружают 162,2 кг (2 моля) 37%-ного формалина и при перемешивании 1,22 кг (2,03% от массы исходного карбамида) кукурузного сиропа. С помощью раствора щелочи pH реакционной среды доводят до величины 7,5-8,5. Затем в реактор при работающей мешалке загружают 60 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев, реакционный раствор нагревают до температуры (90-96)^oC и выдерживают при этой температуре в течение (20-40) мин. Затем с помощью кислотного катализатора доводят pH реакционной среды до величины 4,6-5,2 и ведут конденсацию до появления слабого помутнения (исчезающего при взбалтывании) при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды в пробирке с температурой (18-24)^oC. После этого с помощью раствора щелочи pH реакционной среды доводят до 7,2-8,6, содержимое реактора охлаждают до (85-70)^oC и при работающей мешалке загружают 1,22 кг (2,03% от массы исходного карбамида) кукурузного сиропа и 21,0 кг (0,35 моля) карбамида и ведут конденсацию при (50-75)^oC в течение (15-35) мин.

Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом, отгоняя (20-25)% воды от общей массы конденсационного раствора. После этого при работающей мешалке в реактор загружают 25,2 кг (0,42 моля) карбамида и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC в течение (20-40) мин., после чего охлаждают готовую смолу.

Свойства получаемой смолы приведены в таблице.

Пример 6. В вакуум-варочный реактор загружают 174,3 кг (2,15 моля) 37%-ного формалина и подщелачивают его с помощью раствора едкого натра до величины pH 8,5-9,5. Затем в реактор при работающей мешалке загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида, 6,0 кг меламина и 0,06 кг буры. Включают обогрев, реакционный раствор нагревают до температуры (85-95)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (25-45) мин. Затем с помощью раствора муравьиной кислоты устанавливают pH реакционной среды в пределах 5,2-5,8 и прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора в (5-10) мл воды (в пробирке) с температурой (35-45)^oC. После этого конденсационный раствор нейтрализуют до величины pH 8,2-9,2, содержимое реактора охлаждают до (80-60)^oC и в реактор дополнительно загружают 27,0 кг (0,45 моля) карбамида и продолжают вести конденсацию при температуре (60-80)^oC в течение (15-45) мин. Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом при температуре не выше 80^oC. При концентрировании отгоняют около (14-24)% воды от общей массы реакционного раствора. После этого в реактор загружают 16,2 кг (0,27 моля) карбамида и 0,12 кг буры (тетраборат натрия) и продолжают конденсацию при температуре (40-60)^oC в течение (20-50) мин, после чего охлаждают готовую смолу. При необходимости pH реакционной среды регулируют в пределах 7,5-8,5.

Свойства получаемой смолы приведены в таблице.

Пример 7. В вакуум-варочный реактор загружают 178,4 кг (2,2 моля) 37%-ного формалина и подщелачивают его с помощью раствора едкого натра до величины pH 7,0-8,0. затем в реактор при включенной мешалке загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев, нагревают конденсационный раствор до температуры (88-96)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (25-45) мин. Затем с помощью раствора сульфата аммония устанавливают pH реакционной среды в пределах 4,4-4,8 и продолжают конденсацию до стадии появления слабого помутнения (побеления) при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды в пробирке (в пробирке 15-25%-ный раствор уксуснокислого натрия) с температурой (15-25)^oC. После этого конденсационный раствор нейтрализуют с помощью раствора едкого натра до величины pH 8,4-9,4 и в реактор загружают 3,0 кг (0,013 моля) дифенилолпропана (5% от массы исходного карбамида) и 0,23 кг буры, через (5-15) мин выдержки загружают 28,2 кг (0,47 моля) карбамида и проводят конденсацию при температуре (60-75)^oC в течение (10-30) мин. После этого конденсационный раствор концентрируют под вакуумом, отгоняя (18-25)% воды от общей массы конденсационного раствора. Затем в реактор загружают 6,0 кг (0,1 моля) карбамида и ведут конденсацию при (45-65)^oC в течение (20-45) мин, после чего готовую смолу охлаждают до температуры окружающей среды.

Показатели готовой смолы приведены в таблице.

Пример 8. В вакуум-варочный реактор загружают 158,1 кг (1,95 моля) 37%-ного формалина и нейтрализуют его с помощью раствора едкого натра до величины pH 6,8-8,8. Затем при включенной мешалке в реактор загружают 60,0 кг (1 моль) карбамида. Включают обогрев, нагревают реакционный раствора до температуры (88-96)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (20-45) мин. Затем с помощью водного раствора хлористого аммония устанавливают pH реакционной среды в пределах 4,4-5,0 и продолжают конденсацию до стадии появления слабого помутнения (побеления) при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды в пробирке с температурой (10-14)^oC. После этого конденсационный раствор нейтрализуют с помощью раствора едкого натра до pH 7,2-8,5, содержимое реактора охлаждают до температуры (80-70)^oC, в реактор загружают 3,0 кг (5 мас.% от исходного карбамида) технического лигносульфоната (сульфитная барда), 0,3 кг буры и 24,0 кг (0,4 моля) карбамида. Продолжают поликонденсацию при температуре (65-85)^oC в течение (20-50) мин. Затем конденсационный раствор концентрируют под вакуумом, отгоняя (18-26)% воды от общей массы конденсационного раствора. После этого при работающей мешалке в реактор загружают 18,0 кг (0,3 моля) карбамида и 0,15 кг буры и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC в течение (20-40) мин, после чего охлаждают готовую смолу до температуры окружающей среды. При необходимости в процессе охлаждения смолы регулируют pH среды.

Свойства получаемой при этом смолы приведены в таблице 1.

Пример 9. Способ осуществляется в соответствии с примером 5, вместо кукурузного сиропа применяют фурфуриловый спирт.

Показатели получаемой при этом смолы приведены в таблице.

Пример 10. В вакуум-варочный реактор загружают 200 кг концентрированного формалина с концентрацией 55,8%, стабилизированного карбамидом, взятым в количестве 40,3 мас. % от формальдегида в формалине. В реактор дополнительно загружают 41,6 кг воды и 2,26 кг (3,76% от массы исходного карбамида) мальтозы. С помощью раствора едкого натра pH реакционной среды устанавливают в пределах 7,0-7,8 . После этого в реактор при включенной мешалке загружают 66,6 кг (1,11 моля) карбамида. Включают обогрев, нагревают конденсационный раствор до температуры (85-95)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (15-45) мин. После этого с помощью водного раствора сульфата аммония pH реакционной среды доводят до величины 5,0-5,7 и продолжают конденсацию до стадии появления устойчивого помутнения (побеления) при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды с температурой (10-14)^oC. После этого с помощью едкого натра нейтрализуют конденсационный раствор до величины pH 6,5-8,5 и в реактор при работающей мешалке загружают 55,8 кг (0,93 моля) карбамида и 2,26 кг (3,76% от массы исходного карбамида) мелассы и продолжают конденсацию при температуре (55-75)^oC в течение (20-45) мин. После этого с помощью раствора едкого натра по необходимости проводят регулировку pH в пределах 7,0-8,0 и в реактор дополнительно загружают 45 кг (0,75 моля) карбамида и 0,3 кг буры, продолжают конденсацию при температуре (50-65)^oC в течение (25-45) мин, после чего охлаждают готовую смолу.

Свойства получаемой смолы приведены в таблице.

Пример 11. В вакуум-варочный реактор загружают 210 кг 57%-ного формалина, стабилизированного карбамидом, взятым в количестве 40,35 мас.% от формальдегида. В реактор дополнительно загружают 42,5 кг воды и получаемую смесь нейтрализуют до величины pH 7,0-8,0.

Затем в реактор при включенной мешалке загружают 71,4 кг (1,19 моля) карбамида. Включают обогрев, нагревают конденсационный раствор до температуры (85-95)^oC и проводят выдержку при этой температуре в течение (20-40) мин. После этого с помощью раствора муравьиной кислоты подкисляют конденсационный раствор до величины pH 5,2-5,8. Конденсацию продолжают до стадии появления слабого помутнения при прибавлении 1-2-х капель горячего конденсационного раствора к (5-10) мл воды в пробирке с температурой (10-16)^oC. После этого с помощью раствора едкого натра конденсационный раствор нейтрализуют до величины pH 6,5-7,5, охлаждают до (80-75)^oC и при работающей мешалке в реактор загружают 39,9 кг (0,67 моля) карбамида и 3,0 кг (0,082 моля) пентаэритрита (4,2% от массы исходного карбамида), конденсацию продолжают при температуре (60-80)^oC в течение (20-50) мин, после чего при необходимости pH среды доводят до 7,5-8,5. Загружают дополнительно при перемешивании 72,8 кг (1,21 моля) карбамида и 0,32 кг буры и продолжают конденсацию при температуре (45-65)^oC в течение (24-45) мин, после чего охлаждают готовую смолу. При необходимости регулируют pH среды в пределах 7,5-8,5.

Свойства получаемой при этом смолы приведены в таблице.

Карбамидоформальдегидное смолы получают конденсацией карбамида с формальдегидом в присутствии модификатора в среде с переменной кислотностью, концентрированием, введением дополнительной порции карбамида в две порции при определенных соотношениях компонентов, PH среды, температуре и продолжительности. Смолы по изобретению являются низкотоксичными, обладают достаточной реактивностью и прочностью клеевого соединения на основе смол. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения карбамидоформальдегидных смол конденсацией карбамида с формальдегидом, вводимым в виде технического формалина в среде с переменной кислотностью, сначала в слабощелочной или нейтральной, затем в слабокислой средах при нагревании, нейтрализацией, концентрированием и продолжением конденсации с введением дополнительной порции карбамида, причем конденсацию проводят в присутствии модификатора при начальном и конечном мольном соотношении карбамида и формальдегида 1 : 1,2 - 2,2 и 1 : 1,0 - 1,4 соответственно, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют 2 - 10% от массы исходного карбамида модификатора, выбранного из группы, включающей мелассу, кукурузный сироп, технические лигносульфонаты, пентаэритрит, флотореагент-оксаль, дифенилолпропан, мальтоза, меламин, фурфуриловый спирт и/или их смеси, а продолжение конденсации осуществляют сначала введением дополнительной порции карбамида до мольного соотношения карбамида и формальдегида 1 : 1,3 - 1,5 при 50 - 85^oC, pH 6,0 - 9,0 в течение 15 - 50 мин, затем проводят концентрирование полученного карбамидоформальдегидного форконденсата, вводят вторую порцию карбамида до конечного мольного соотношения карбамида и формальдегида 1 : 1,0 - 1,4 и продолжают конденсацию при 45 - 65^oC, pH 7,0 - 9,0 в течение 20 - 60 мин, с последующим охлаждением смолы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что модификатор вводят с исходными карбамидом и техническим формалином. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модификатор вводят на стадии ведения первой порции дополнительного карбамида. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что модификатор вводят равными по массе порциями в два приема. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что формальдегид вводят в виде концентрированного 48 - 64%-ного водного раствора, стабилизированного карбамидом, взятым в количестве 20 - 50% от массы формальдегида.