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热固性树脂的形成是怎样的?


实验室k / 2018-08-30

       无定形、线形的高聚物一般是热塑性的,也就是当体系的温度升高时,这种高聚物将变得较易变形(变软).当使一线形高聚物交联时,就形成三度空间的网状结构,所有平移运动都受到限制,同时形成高聚物凝胶.加热形成交联的高聚物称为热固性的.热固性树脂是不溶、不熔的,一般又是化学惰性的.因为它们化学的不活泼性,要鉴定热固性树脂极端困难;然而,一般关于热固性物质特性的说法看来还是正确的.甚至在低交联度(百分之几),高聚物也成为不溶的,但是在良溶剂里将会溶胀,直到体系的渗透压等于由高聚物体积膨胀而产生的链节间的应力.当交联密度增加时,最终膨胀体积将减小,直到大约10-20%交联时形成一不吸溶剂的、坚硬的网状物.

热固性树脂的形成

       例如,天然橡胶(全部为顺式1,4-聚异戊二烯)是热塑性的.加入大约2%的硫磺,橡胶就变成交联的(硫化的),当将交联橡胶放进能溶解线形橡胶的液体时,虽然它仍有弹性,可以溶胀,但不能溶解了.中度交联密度的橡胶变硬,能用来做象梳子一类的物品.高交联度(含硫25-35%)的橡胶变得非常硬,可用来做游戏用的液球.
       氨基塑料是重要的热固性树脂之一,它包括脲醛(UF)树脂和三聚氰胺甲醛(MF)树脂.它们与大多数通常的模塑和涂料树脂不同,这些氨基塑料是透明的,在正常操作下不呈黄色.

       尿素甲醛在中性或微碱性条件下反应,根据所用当量比形成单羟甲基脲或双羟甲基脲:

       当UF反应在酸性溶液里进行时,形成一系列线形的和支化的缩合产物,分子量在200到500范围内.齐各纳(Zigeuner)明确地认为在酸中产生的树脂结构为:

因此几乎可以肯定,在酸性介质中发生的主要反应是羟甲基-胺缩合:

~~~CH2OH+H2N~~~ → ~~~CH2NH~~~+H2O          (13-3)

UF反应对pH是非常敏感的,已证明,pH在3和5之间反应速度正比于氢离子浓度.

       在碱性溶液中,缩合反应主要发生在羟甲基之间:

~~~CH2OH+HOCH2~~~ → ~~~CH2—O—CH2~~~H2O          (13-4)

       德・容(de Jong)和德・容格(de Jonge)曾提出尿素和甲醛缩合的酸碱催化机理,并用甲醛的双羟次甲基形式解释这一机理:

       虽然有许多理论解释在UF树脂形成中产生的现象,但是最好的还是由维尔(Vale)和泰(Taylor)总结的机理.当尿素和甲醛放在一起加热时,如果将溶液冷却,在反应初期形成的产物将发生沉淀:

然而反应到更高程度时,可能因为反应(13-3)和(13-4),使产物的亲水性减小,同时由于交联,最后使产物凝胶化:

因为交联也可能是由于形成双醚[反应(13-4)],又因为二酰胺基醚的键显然要比二酰胺次甲基的热稳定性差,所以当加热凝胶化的高聚物时就会失去甲醛,其结果可能是:

       UF的预聚物可以经干燥后用作模塑粉料,还能浓缩成浆,通过加入酸催化剂,使它熟化作为粘合剂;通过引入阴离子或阳离子侧挂基团使它变成水溶性的,用作纸的涂层;或者与丁醇反应成为油溶性的,用作表面涂层.

       三聚氰胺与甲醛反应,某些方面类似于尿素生成一类称之为MF树脂的化合物.在缩合前主要的反应是形成三羟甲基三聚氰胺:

虽然适当调整反应物的当量,也可形成六羟甲基三聚氰胺.当加热时多羟甲基三聚氰胺进一步缩合成树脂,这种树脂比UF树脂疏水性强,甚至在MF树脂里由亲水树脂到疏水树脂的次序也是明显的.要说明MF的缩聚机理是很困难的;然而,温塞特拉(Wohnsiedler)已提出下列可能的反应:

RNHCH2OH+H2NR → RNHCH2NHR+H2O          (13-16)

       MF树脂可以象UF树脂那样改变配方以满足不同的用途.

       几种不常用的氨基塑料是采用如硫脲苯胺、2,4-二氨基6-苯基-三嗪(benzoguanamine)和二氰基二胺为原料,与尿素或三聚氰胺合用,或者作为尿素或三聚氰胺的代用品.


       * 因为用的是甲醛水溶液所以采用水合醛的结构式.


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