Công nghệ sản xuất nhựa Urea formaldehyd

MỤC LỤC

Urea

− Ở dạng tinh thể không màu và có hình dạng bề ngoài: dạng kim, lăng trụ, tứ giác. − Độ tan trong nước: có khả năng tan nhiều trong nước tạo thành dung dịch đồng nhất.

Formaldehyde

Do vậy, dung dịch formalin 37% thực ra là dung dịch của polymerthylene glycol với độ phân tán khối lượng phân tử từ n=1 đến n=10. Ngoài ra pH của dung dịch pH = 2.5 – 4.5; tính acid do có sự hình thành acid formic từ phản ứng của hai phân tử formaldehyde và nước. Bảo quản dung dịch theo thời gian dài thì có hiện tượng đục như mờ sương so formalin lắng xuống tách ra khỏi dung dịch.

Để tránh hiện tượng này người ta dùng thêm methalol (8-10%) như một chất bảo quản.

Dung dịch amoniac

Amoniac hòa tan mạnh trong nước tạo thành dung dịch nước của NH3 (hay còn gọi là amoni hyđroxit do trong dung dịch nước của amoniac có tạo thành NH4OH). Dung dịch nước của NH3 khá bền nhưng bị loại gần hết NH3 khi đun tới sôi. Thông thường ở nhiệt độ phòng thì nồng độ của dung dịch amoniac đậm đặc là 25%.

Tổng hợp nhựa urea formaldehyde [3]

Phản ứng cộng

Phản ứng đa tụ

Phản ứng cộng formaldehyde vào urea xảy ra ở nhiều mức pH khác nhau, tuy nhiên ở giai đoạn này phải duy trì ở mức pH của môi trường kiềm yếu để tạo ra nhóm methylol. Giai đoạn đầu của phản ứng là sự tấn công của đôi điện tử tự do trên nguyên tử nitrogen của urea vào nguyên tử carbon mang một phần điện tích dương của nhóm carbonyl. Phản ứng theo cơ chế cộng hợp ái nhân thông thường, hình thành hợp chất trung gian đồng thời chứa anion alkoxide và cation ammonium. Hợp chất trung gian này chuyển hóa nhanh thành sản phẩm trung gian bền hơn là carbinolamine, theo phản ứng sau:. a) Cầu nối methylene giữa các amide nitrogen bởi phản ứng giữa các nhóm methylol và amino. c) Methylol từ nối methylen ether bởi sự tách HCHO. d) Liên kết methylene bởi phản ứng giữa các nhóm và có sự tách nước và HCHO. Trong suốt quá trình phản ứng đa tụ thì ban đầu độ nhớt tăng chậm sau đó ở thời điểm nhất định thì tăng rất nhanh. ❖ Quá trình đóng rắn nhựa UF chỉ xảy ra trong trường hợp nhựa chứa các nhóm methylol tự do.

Lượng nhóm methylol trong nhựa càng lớn nếu lượng CH2O lấy dùng cho phản ứng càng nhiều. Chất xúc tác đóng rắn nhựa urea-formaldehyde là các acid hữu cơ (acid oxalic, acid oleic, acid formic..) acid vô cơ (HCl, H3PO4..) một số muối (amoni chloride, kẽm chloride..). Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và chất lượng nhựa urea.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và chất lượng nhựa urea formaldehyde [3]

Tỷ lệ mol giữa urea và formaldehyde

Do đó, tỷ lệ giữa 2 thành phần này ảnh hưởng lớn đến độ bền, lý tính của sản phẩm nhựa cuối cùng cũng như là lượng formaldehyde tự do còn lại trong hỗn hợp nhựa. Quá trình tạo ra monomethylol urea không tiến hành đến cùng do phản ứng thuận nghịch. Phản ứng trùng ngưng được tiến hành khi tỉ số mol của formaldehyde và urea khoảng 1 thì sẽ tạo ra nhựa polymerthylene-urea không tan trong nước và không có tính bắt dính.

Tuy nhiên, nếu tỷ lệ này được giảm từ một giá trị cao (2-4) trong suốt quá trình tổng hợp như thêm dần urea vào thì tính tan trong nước và bắt dính có thể đạt được. Thêm vào đó, tổng hợp với tỷ lệ F/U thấp thì tạo nên nhựa có hàm lượng rắn cao hơn. Tổng hợp nhựa UF với tỷ lệ formaldehyd cao thì thời gian đóng rắn nhanh, cho sản phẩm nhựa có cơ tính tốt do hình thành các liên kết nối ngang hoặc HCHO còn dư phản ứng với nhóm –NH2 chưa phản ứng, tuy nhiên lượng HCHO còn dư sau phản ứng có thể bị khuếch tán ra khỏi sản phẩm đóng rắn.

Môi trường tổng hợp

Ở giai đoạn tạo methylol, pH = 7÷8 tạo ra được dimethylol chếm ưu thế và tốc độ phản ứng là nhanh nhất. Giai đoạn đa tụ thì chỉ số pH có thể hạ xuống đến 2 hoặc 3, chỉ số pH càng thấp và nhiệt độ càng cao thì tạo ra nhựa càng có trọng lượng phân tử cao. Thêm vào đó, nhiệt độ cao và pH thấp ở giai đoạn trùng ngưng thì phản ứng tạo liên kết methylene bền chiếm ưu thế hơn liên kết methylene ether.

Tuy nhiên rất khó kiểm soát tốc độ trùng ngưng khi pH quá thấp và điều này dễ dẫn đến quá trình gel của nhựa. Ở môi trường pH thấp thì nhựa UF có khả năng đóng rắn ngay ở nhiệt độ thường, trong khi đó pH cuối cùng quá cao thì sẽ làm giảm tốc độ đóng rắn của nhựa khi gia công.

Tính chất và ứng dụng của vật liệu làm từ nhựa urea formaldehyde Nhựa UF là nhựa nhiệt rắn và bao gồm hỗn hợp các oligome mạch thẳng hoặc

Việc sử dụng nhựa UF chủ yếu trong ngành lâm sản là do một số ưu điểm, bao gồm chi phí thấp, dễ sử dụng trong nhiều điều kiện đóng rắn khác nhau, nhiệt độ đóng rắn thấp, khả năng hòa tan trong nước, khả năng chống vi sinh vật, độ cứng, tính chất nhiệt tốt.[5]. Nhược điểm chính của chất kết dính UF so với chất kết dính PF hoặc isocyanate là thiếu khả năng chống lại các điều kiện ẩm ướt, đặc biệt là khi kết hợp với nhiệt. Ván ép nhựa UF cổ điển chỉ có thể sử dụng với chất làm cứng và phụ gia đặc biệt, ví dụ như hỗn hợp keo chứa melamine để tăng khả năng chống nước.

Ván ép nhựa UF sử dụng cho các tấm nội thất không có yêu cầu khả năng đặc biệt liên quan đến khả năng chống nước, để tạo ra các tấm có lượng phát thải formaldehyde thấp, việc bổ sung các chất trung hòa formaldehyde là cần thiết. Những thay đổi làm giảm lượng khí thải formaldehyde này đã cho phép nhựa UF duy trì vị trí nổi bật của chúng như một hệ thống chất kết dính linh hoạt để kết dính các sản phẩm gỗ. Dăm gỗ được trộn với khoảng 10% dung dịch chất làm cứng nhựa và hỗn hợp này được ép trong máy ép nhiều ánh sáng ban ngày trong khoảng 8 phút ở 150°C.

Bảng 1: Tóm tắt các tỷ lệ mol F/U và F/(NH2)2 tương ứng của nhựa UF tinh khiết và

MELAMINE FORMALDEHYDE (MF)

Cấu trúc melamine formaldehyde
Nguyên liệu tổng hợp melamine formaldehyde
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và chất lượng nhựa Melamine formaldehyde

− Mặt khác, các hiệu ứng định hướng do nhóm NH này tác động lên nhóm metylol ether lân cận làm tăng tốc độ chuyển hóa ether, và do đó, liên kết ngang có thể đã diễn ra ở nhiệt độ thấp hơn so với nhựa melamine đã được ether hóa hoàn toàn. Melamine(1,3,5-triazine-2,4,6-triamine) là một basơ hợp chất hữu cơ có dạng bột màu trắng và ít tan trong nước (3,1g/1lit nước ở 20oC) dễ tạo hình bằng xử lý nhiệt, có tính bền vững cao nên các sản phẩm melamine thường rất đa dạng về hình dạng, màu sắc, họa tiết, kích thước. Tính chất hóa học của melamine có mức độ nitơ cao nên khó tan trong nước, khó cháy nên được ứng dụng nhiều để sản xuất đồ nhựa, túi bóng, đồ chơi trẻ em, sản xuất keo dán, keo dính, và các loại các loại nhựa làm bề mặt phủ melamine lên gỗ công nghiệp hoặc bột tăng trọng…, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như ván gỗ công nghiệp, nhựa để làm tăng độ bền cho sản phẩm, chống cháy, chống thấm nước và tạo bề mặt đẹp cho sản phẩm.

Formaldehyde là một loại chất độc nhưng cũng là một phân tử phổ biến trong vũ trụ, nó có thể là nguồn gốc của những vật chất rắn carbon hữu cơ trong hệ mặt trời và chúng cũng được tìm thấy rất nhiều trong các chùm sao chổi cùng các tiểu hành tinh. Cơ chế phản ứng: tương tụ như urea-formaldehyde hay phenol-formaldehyde ban đầu sẽ trải qua bước methyl hóa để tạo ra các dẫn xuất methylol melamine sau đó các dẫn xuất này liên kết lại với nhau để tạo ra sản phẩm nhựa melamine formaldehyde. Polycondensate MF có khối lượng phân tử cao và khả năng điều nhiệt cao được điều chế với tỷ lệ melamine:formaldehyde thay đổi từ 1:1,33 đến 1:4, hoạt động như chất hấp thụ formaldehyde tự do bằng phản ứng cộng của hydro trên các nhóm amine với formaldehyde được tạo ra bởi sự phân hủy polyoxymethylene dưới tác dụng của oxy và nhiệt.

Trong ứng dụng này, chất nền ngâm tẩm, giấy cellulose, được ngâm tẩm kỹ lưỡng bằng cách nhúng nó vào dung dịch nhựa, ép nó giữa các con lăn và sấy khô mà không cần xử lý để nó chảy thích hợp bằng cách đưa nó qua lò hầm có luồng khí ở 70 đến 120 ° C ở ±10 m/s. − MF trong một tờ giấy ngâm tẩm không được xử lý hoàn toàn nhưng vẫn còn một lượng hoạt tính còn lại nhất định và được áp dụng trực tiếp trên máy ép nóng, trên một tờ giấy và trên một tấm gỗ mà nó liên kết bằng cách hoàn thiện chất kết dính MF quá trình đóng rắn.

Hình 6: Nhựa melamine phân tử thấp, metylol hóa cao, được ether hóa hoàn toàn