THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER- TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC

A.LÝ THUYẾT TỔNG HỢP I. KHÁI NIỆM: Nhựa phenol formaldehyd (PF) là polymer được tổng hợp từ họ phenolic và aldehyd. Sản phẩm được ứng dụng chủ yếu là tấm ép chịu nhiệt, cách điện… Ở đây chúng ta đề cập đến nhựa PF được tổng hợp từ phenol và formaldehyd. II. NGUYÊN LIỆU CHÍNH: 1. Formaldehyd: Sử dụng formaldehyd ở dạng dung dịch formalin. 2. Phenol: Phenol tồn tại ở dạng rắn, nóng chảy ở nhiệt độ trên 40oC. Trong điều kiện bảo quản tốt, phenol không có màu. Trong điều kiện bảo quản không tốt,có tiếp xúc không khí, phenol bị chảy nước do hút ẩm và có màu vàng hoặc hồng tùy theo mức độ oxy hóa thành mono quynone. Có tính acid và độc hại khá cao, thường gây bỏng khi tiếp xúc với da. 3. Độn: a) Bột độn: Bột độn ở đây là bột gỗ, xơ dừa, trấu và giấy. b) Sợi độn: Có thể sử dụng sợi độn là sợi thủy tinh hoặc sợi cotton. Sợi thủy tinh có các dạng: Mat 300: tấm sợi đa hướng, mỗi sợi đơn có kích thước 40÷60μ m. Khối lượng theo bề mặt 300g/m2. Mat 450: tấm sợi đa hướng, mỗi sợi có kích thước 40÷60μ m . Khối lượng theo bề mặt 450 g/m2. Rowing (vải) 400, 600,800: tấm sợi nhị hướng, dệt từ những sợi đơn có khối lượng theo bề mặt là 400, 600, 800g/m2. Sợi cotton: chủ yếu là loại vải dệt nhị hướng. 4. Urotropin (hexamethylentetrami: (CH2)6N4 THÍ

THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 1 - A.LÝ THUYẾT TỔNG HỢP I. KHÁI NIỆM: Nhựa phenol formaldehyd (PF) là polymer được tổng hợp từ họ phenolic và aldehyd. Sản phẩm được ứng dụng chủ yếu là tấm ép chịu nhiệt, cách điện… Ở đây chúng ta đề cập đến nhựa PF được tổng hợp từ phenol và formaldehyd. II. NGUYÊN LIỆU CHÍNH: 1. Formaldehyd: Sử dụng formaldehyd ở dạng dung dịch formalin. 2. Phenol: Phenol tồn t ại ở dạng rắn, nóng chảy ở nhiệt độ trên 40 o C. Trong điều kiện bảo quản tốt, phenol không có màu. Trong điều kiện bảo quản không tốt,có tiếp xúc không khí, phenol bị chảy nước do hút ẩm và có màu vàng hoặc hồng tùy theo mức độ oxy hóa thành mono quynone. Có tính acid và độc hại khá cao, thường gây bỏng khi tiếp xúc với da. 3. Độn: a) Bột độn: Bột độn ở đây là bột gỗ, xơ dừa, trấu và giấy. b) Sợi độ n: Có thể sử dụng sợi độn là sợi thủy tinh hoặc sợi cotton. Sợi thủy tinh có các dạng: Mat 300: tấm sợi đa hướng, mỗi sợi đơn có kích thước 40÷60 μ m. Khối lượng theo bề mặt 300g/m 2 . Mat 450: tấm sợi đa hướng, mỗi sợi có kích thước 40÷60 μ m . Khối lượng theo bề mặt 450 g/m 2 . Rowing (vải) 400, 600,800: tấm sợi nhị hướng, dệt từ những sợi đơn có khối lượng theo bề mặt là 400, 600, 800g/m 2 . Sợi cotton: chủ yếu là loại vải dệt nhị hướng. 4. Urotropin (hexamethylentetrami: (CH 2 ) 6 N 4 THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 2 - Là tinh thể trắng được tổng hợp từ ure và formaldehyd có cấu trúc tứ diện. Khi gia nhiệt lên >120 o C sẽ phân hủy thành amin và formaldehyd. III. PHẢN ỨNG TỔNG HỢP: 1. Novolac: Khi tổng hợp PF trong môi trường acid với tỷ lệ mol P/F > 1 sẽ được nhựa mạch thẳng novolac. H-CO-H + H+ 70-90*c H-C+(OH)-H OH OH -H+ CH 2 OH H-C+(OH)-H + + Q OH OH CH 2 OH H+ ( CH 2 OH ) n + nH 2 O 90-92*C Đặc điểm phản ứng: phản ứng (1) tạo monomethylol tỏa nhiệt rất mạnh UH khoảng -24÷-30 kcal/mol. Nhiệt tỏa ra có thể làm cho hỗn hợp đạt nhiệt độ > 100 o C gây hiện tượng sôi trào mạnh. 2. Resol: Khi tổng hợp PF trong môi trường kiềm và tỷ lệ mol P/F<1 sẽ tạo được nhựa mạch nhánh, resol. THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 3 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 4 - Đặc điểm phản ứng: Khi sử dụng xúc tác kiềm mạnh như NaOH, KOH, LiOH thì các kim loại kiềm này dễ dàng phản ứng với nhóm –OH của phenol tạo ra phenolat. Các ion phenolat này tồn tại trong nhựa làm cho nhựa có thể tan trong dung môi phân cực mạnh như H 2 O. Khi sử dụng xúc tác kiềm yếu như NH 4 OH, Ba(OH) 2 , Ca(OH) 2 thì không tạo ra phenolat. Do đó nhựa không tan được trong nước mà chỉ có thể tan trong cồn. Năm sản phẩm của phản ứng (2) luôn tồn tại trong giai đoạn này và mỗi sản phẩm có một hằng số cân bằng khác nhau. Do đó khi trùng ngưng rất khó để xác định công thức phân tử của rezol một cách chính xác. Tùy vào nhiệt độ trùng ngưng ở phản ứng (2) mà ta có sản phẩm rezol có liên kết ether hay methylen: khi t<80 o C thì sản phẩm chủ yếu là liên kết ether, còn t>90 o C thì sản phẩm chủ yếu là liên kết methylen. IV. TÍNH CHẤT CHÍNH CỦA SẢN PHẨM: 1. Novolac: Tồn tại ở dạng rắn, cứng, giòn, có khả năng hút ẩm cao, không màu hoặc màu vàng đến nâu tùy thuộc vào độ dư phenol trong sản phẩm, có thể tan trong hỗn hợp dung môi C 2 H 5 OH/acetone dễ dàng. Novolac sau khi đóng rắn có độ bền cơ rất cao, chịu nhiệt tốt, cách điện và chịu môi trường KOH, dung môi… Novolac được sử dụng chủ yếu làm các sản phẩm ép dạng tectolit. THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 5 - BỘT novolac 2. Rezol: Rezol là nhựa mạch nhánh, tồn tại ở dạng nhớt, có màu từ vàng sáng đến nâu tùy thuộc vào lượng phenol dư có trong nhựa. Sau khi đóng rắn, nhựa rezol có tính chất tương tự như novolac đóng rắn. Rezol được bảo quản tốt nhất ở dạng dung dịch. Rezol tan trong nước thì bảo quản ở dạng dung dịch 50% trong H 2 O. Rezol tan trong cồn thì hòa tan 50% trong cồn. Trong trường hợp nhiệt độ bảo quản lớn hơn 30 o C, sản phẩm còn dư phenol và formaldehyd, khi tiếp xúc không khí, formaldehyd dễ bị oxy hóa chuyển thành acid. Rezol trong môi trường acid hoặc nhiệt độ cao hơn 100 o C dễ xảy ra phản ứng đa tụ sâu,tách formaldehyd và chuyển dần sang dạng rezitol hoặc rezit có cấu trúc mạng không gian. Rezol tan trong cồn thường được dùng làm chất dẻo lớp, composit với các loại sợi độn như: thủy tinh, carbon… hoặc làm sản phẩm tectolit. Rezol tan trong nước được sử dụng làm ván ép là chủ yếu. V. ĐÓNG RẮN PF: 1. Đóng rắn novolac: Novolac có thể đóng rắn bằng urotropin ở nhiệt độ >120 o C bằng phản ứng ngưng tụ với formaldehyd vừa tạo thành từ phản ứng phân hủy urotropin. Lượng urotropin sử dụng từ 12,5÷14% so với novolac. 2. Đóng rắn rezol: THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 6 - Rezol có thể tự đóng rắn ở nhiệt độ >120 o C bằng phản ứng đa tụ sâu (2) hoặc có thể đóng rắn với các loại polymer có hydro linh động hoặc có nhóm chức hoạt động mạnh như epoxy ở nhiệt độ >150 o C. B. THỰC HÀNH TỔNG HỢP PF –TỔNG HỢP NOVOLAC 1.Tính toán công thức tổng hợp - Lượng hỗn hợp phản ứng trong bình cầu chỉ được chiếm từ 2/5- 1/2 dung tích chứa của bình . - Chọn gần đúng tỷ trọng hỗn hợp bằng 1 . - Chọn tỷ lệ mol P/F = 1.25/1 = n > 1 Phản ứng : nP + F Nhựa + H 2 O n.94 30 Khối lượng tổng là : n .90 + 30.100/37 = n.94 + 81 Khối lượng các chất cần tổng hợp một mẻ M (g) = 150g là m p = m.n.94/( n.94 + 81 ) = 150.1,25.94/(1,25.94 +81)= 88,79g M Formalin = m.81 /( n.94 + 81 ) = 150.81/(n.94 + 81) = 61.21g -Axit HCl dùng là HCl 37% .lượng sử dụng 0.4% tổng khối lượng hỗn hợp - m HCl = 0.4 % . 150 = 0.6 g 2.Quy trình tổng hợp novolac a.Đặc điểm quy trình - Do phản ứng tạo methylol tỏa nhiệt rất mạnh nên khi có H+ nên cần phải lưu ý giải nhiệt cho phản ứng nếu thí nghiệm mẻ > 500g . -Lượng axit dư cho vào trong giai đoạn này nhỏ hơn 0.1% khối lượng hỗn hợp . -Các giai đoạn của quá trình tổng hợp novolac có thể diễn giải như hình sau THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 7 - Nhiệt độ *C Thời gian h b.Giải thích quy trình -Phenol rắn được gia nhiệt gián tiếp bằng nước trong nồi giữ nhiệt cho chảy lỏng ở nhiệt độ 70-75*c ,Chú ý phải cẩn thận tránh tiếp xúc với phenol 100*C 50*C THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 8 - - Sau đó được cân trực tiếp vào bình cầu ba cổ .Lắp bình cầu theo tổ hợp dạng tổ hợp hoàn lưu ,bình cầu được giữ nhiệt bằng nồi giữ nhiệt H 2 O . - Cho Formalin đã cân vào bình cầu qua cổ phụ ( phần gắn nhiệt kế ) -HCl 37% sử dụng 0.4% tổng khối lượng hỗn hợp được chia làm 2 phần HCl1 (<0.2%) và HCl2 .Lượng HCl1 cho vào bằng ống nhỏ giọt .Gia nhiệt hỗn hợp lên 65-70*C BỘT NOVOLAC SAU KHI NGHIỀN NHỎ THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 9 - Fornalin Phenol Gia nhiệt Cân Gia nhiệt Tạo methylol Đa tụ Lắng tách Rửa Sấy Nghiền NOVOLAC H 2 O 70*C HCL 37% Cân HCl1 HCl2 H 2 O Chưa đ ạt Đ ạt THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC http://www.ebook.edu.vn - 10 - -Lúc này kiểm tra PH thấy PH=1 ,Phản ứng tạo methylol sẽ xảy ra gây hiện tượng tỏa nhiệt nhiệt độ tăng nhanh . -Điều chỉnh nhiệt độ sao cho nhiệt độ phản ứng ở dưới 90*C ,Giai đoạn này có thời gian khoảng 35-45 phút -Bổ sung lượng HCl2 và tiến hành phản ứng trùng ngưng ở 90- 90*C .Quá trình trùng ngưng làm cho nhựa có trọng lượng phân tử tăng dần và không tan trong nước . -Hỗ n hợp dần dần đục .Giai đoạn từ trong chuyển sang đục kéo dài từ 1.5-2h .Sau đó phản ứng tiếp tục kéo dài 45 phút thì hiệu suất đạt khoảng 70-75% -Tháo bình cầu và đổ sản phẩm ra cốc .Novolac sẽ lắng xuống đáy ,chiết phần ở trên có lẫn formaldehyd và phenol không phản ứng ra –Dùng nước ở 70*C cho vào phần nhựa vừa tách khuấy đều để rửa phenol và formaldehyd không phản ứng ra , tiếp tục l ắng tách ,làm như vậy nhiều lần cho đến khi tách được hết formaldehyd và phenol ra bằng cách kiểm tra PH của nước tách ra -Sau đó sấy novolac trong tủ hút ở 110*C cho đến khi nhựa trong suốt nếu lấy một giọt nhựa ra để nguội và giã nhỏ dễ dàng là đạt c.Thực tế khi thí nghiệm -Cho phenol đã được gia nhiệt và cân vào bình cầu 3 cổ ,cho formalin vào đường cổ phụ , gia nhiệt ở 65-70*C,Thời gian bắt đầu thí nghiệm :9h30 -Đạt nhiệt độ 60*C vào 9h45 - Cho HCl vào và lượng HCL < 0.2% ,kiểm tra PH ở axit ,giai đoạn này khoảng 35 phút -10h15 thì hỗn hợp phản ứng đã bắt đầu đục -10h25 cho lượng HCl2 vào tăng nhiệt độ lên 85-90*C -Giữ ở nhiệt độ này khoảng 1.5h -12h dừng phản ứng ,đổ phenol ra và tiến hành rửa để loại bỏ phenol và formandehyd dư -Sau đó đem sản phẩm sấy trên bếp [...]...THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC -Tiến hành nghiền nhựa thành những hạt nhỏ mịn -Sau đó đem ép với trấu tạo composit C.BÁO CÁO KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 1.Kết quả thí nghiệm -Thời gian tổng hợp : 2 giờ 30 phút -Khối lượng hỗn hợp tổng hợp :150g - Khối lượng sản phẩm tổng hợp trước khi nghiền mịn :75g - Khối lượng sản phẩm tổng hợp sau khi nghiền :70.45g -Hiệu suất quá trình tổng hợp *trước... phẩm có màu vàng MIẾNG COMPOSIT SAU KHI ÉP http://www.ebook.edu.vn - 17 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC NHỮNG HÌNH ẢNH VỀ BỘT NOVOLAC VÀ COMPOSIT Màu vàng của composit BỘT + COMPOSIT http://www.ebook.edu.vn - 18 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Hướng dẫn Thí nghiệm hóa học polymer –Huỳnh Đại Phú ,Nguyễn Đắc Thành,La Thị Thái Hà-NXB ĐHQGTPHCM2005... nhóm còn lại -Lượng axit dùng là 0.2% tổng khối lượng tổng hợp -Thời gian chuyển dần từ trong sang đục lâu hơn - thời gian tổng hợp ra sản phẩm cũng lâu hơn so với khi dùng 0.4% HCl -Khối lượng thu được khi tổng hợp 150g là : 74.26g (sau khi nghiền) -Hiệu suất sau nghiền : H=74.26*100/150=49.51% http://www.ebook.edu.vn - 11 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC 4.Trả lời câu hỏi a.So sánh... của tấm ép từ nhựa novolac là từ :1.21.4g/cm3 -Tỷ lệ nhựa độn khoảng 3/7 hoặc 4/6 http://www.ebook.edu.vn - 12 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC COMPOSIT SAU KHI Ép *Ép với sợi coton hoặc sợi thủy tinh (dùng rezol tan trong cồn ) -Khối lượng riêng của composit sợi coton khoảng 1.5-1.6 (tỷ lệ nhựa /sợi =5/5) -Khối lượng riêng của composit sợi thủy tinh khoảng 1.71.78 (nhựa /sợi =5/5)... Bảng so sánh Nhựa http://www.ebook.edu.vn PF UF - 15 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC Tính chất cơ Có tính chất cơ lý tốt Tính chất cơ lý kém hơn Tính chất nhiệt Rezol khi ở nhiệt độ cao hơn 1000C dễ chuyển dần sang trạng thái rezitol hoặc rezit có cấu trúc mạng không gian Chịu được nhiệt độ cao hơn 1000C trong khoảng 10 phút,nếu lâu hơn dễ bị đóng rắn đĐộ bền hóa chất Novolac và rezol... sạch và hâm trên máy ép ở nhiệt độ 110*c - Trộn đều hỗn hợp lên - Sau khi khuôn đã đủ nhiệt độ xả máy ép mở nắp khuôn cho hỗn hợp vào khuôn dàn đều http://www.ebook.edu.vn - 16 - THÍ NGHIỆM HÓA HỌC POLYMER TỔNG HỢP NHỰA NOVOLAC -Giai đoạn đầu điều chỉnh áp suất và nhiệt độ thích hợp để ép khoảng 10 phút -Sau đó xả áp về 0 để thoát hơi rồi tiến hành ép ở nhiệt độ