在脲醛树脂形成过程中,原料组分的摩尔比、反应介质的ｐＨ值、反应温度和反应时间都是影响树脂性能的重要因素.

3.1　甲醛/尿素(Ｆ/Ｕ)摩尔比的影响

在其他实验条件相同的情况下,Ｆ/Ｕ摩尔比对脲醛树脂游离甲醛含量影响的实验结果列于表2.

从表2可知,树脂中游离甲醛含量随着Ｆ/Ｕ摩尔比降低而减少,当Ｆ/Ｕ摩尔比为1.07时,树脂游离甲醛含量可降至0.2%以下.但是低Ｆ/Ｕ摩尔比不利于合成高质量的脲醛树脂,这是因为在合成脲醛树脂的反应中必须按反应式(2)生成足够量的二羟甲基脲,才有可能按反应式(4)缩聚成高性能的线型分子结构初期脲醛树脂,从反应式(2)可知,最有利于生成二羟甲基脲的Ｆ/Ｕ摩尔比为2.可见合成高性能脲醛树脂需高Ｆ/Ｕ摩尔比和降低树脂游离甲醛含量需低Ｆ/Ｕ摩尔比是相互矛盾的.为了解决这一矛盾,实验采用Ｆ/Ｕ总摩尔比为1.07,一次加入甲醛溶液,四次加入尿素的合成工艺.前两次加入尿素时Ｆ/Ｕ摩尔比分别为2和大于2,这样Ｆ/Ｕ摩尔比完全能满足加成反应阶段生成足够多的二羟甲基脲的要求.根据化学平衡移动原理,尿素四次加入有利于甲醛更彻底的转化,使反应液中甲醛的含量降至最低.

3.2　反应介质ｐＨ值的影响

在甲醛与尿素反应生成初期中间产物时,不同的ｐＨ值会使反应历程、生成物结构与性质有很大差别.在碱性介质中,甲醛与尿素经加成反应生成稳定的初期中间产物,即一羟甲基脲和二羟甲基脲,这是希望的反应产物.在酸性介质中,由于氢离子的影响,甲醛与尿素将生成一次甲脲与二次甲脲等次甲基衍生物,这些产物会降低树脂的机械强度.因此在反应初期必须严格将ｐＨ值控制在7～7.5范围.

在加成产物一羟甲基脲和二羟甲基脲缩聚阶段,酸性介质将加速缩聚反应的进行.因此当反应液中的甲醛含量下降至2.5%左右,即甲醛加成反应基本完成时,便可将反应液的ｐＨ值降至4～5,以加快初期脲醛树脂的生成,为进一步加速甲醛的彻底转化创造有利条件.经短时间缩聚后,反应液的ｐＨ值应调至6左右,使缩聚反应在比较缓和条件下进行.同时在适当的时间间隔加入第二、第三、第四批尿素,以加速甲醛更完全地反应,从而达到降低游离甲醛含量地目的.脲醛树脂合成过程调控ｐＨ值如图1所示.



3.3　反应时间的影响

反应时间与脲醛树脂的聚合度、物理性能及游离甲醛的含量密切相关.若反应时间过短,则聚合反应不完全,会造成树脂固含量低、粘度小、游离甲醛含量高及胶合强度低;若反应时间过长,则会导致树脂聚合度过高、粘度过大、水溶性差、储存期短和树脂质量差.在反应过程中,当其他工艺条件确定的情况下,反应时间可由反应液的甲醛含量和反应液的粘度或聚合度确定.而四次加入尿素的时间则由反应液的甲醛含量确定,详见图1.

从图1曲线可知:①反应进行到140ｍｉｎ时,反应液的游离甲醛含量已降至0.102%,树脂此时实测粘度为14.2ｓ,符合实用要求,所以脲醛树脂合成反应的时间定为140ｍｉｎ.②加入第一批尿素后20ｍｉｎ,甲醛与尿素的加成反应进行得很快,反应液中得甲醛含量由26.40%降至3.20%,而后甲醛的含量缓慢下降,说明这段时间加成反应接近平衡,应该让生成的一羟甲基脲和二羟甲基脲更快地缩聚为线型初期脲醛树脂,以促进甲醛向生成羟甲基脲方向转化,因此反应30ｍｉｎ后将反应液调至酸性是较合适的.图1中还标明第二批至第四批加入尿素的时间,这些加料时间是根据反应液中甲醛含量下降趋势而定的.只有在甲醛含量基本不变,化学反应达到或接近平衡状态时加料,才能取得降低甲醛含量的好效果.



3.4　反应温度的影响

提高反应温度能加速甲醛与尿素的加成反应和羟甲基脲的缩聚反应.但是在脲醛树脂制备过程中,必须将反应温度控制在一个适合的范围,在反应初期反应温度不宜过高以70～85℃为宜,否则会出现反应温度猛增,难以操作的局面,同时也不利于生成足够量的二羟甲基脲.在酸性介质的缩聚反应中,应严格地将反应温度控制在80～85℃之间.反应温度过高或过低都难以制出游离甲醛含量低、物理性能好的脲醛树脂.即使在缩聚反应后期,也就是第四次加入尿素时,反应温度对脲醛树脂游离甲醛含量仍然起着重要作用.从表3中树脂的性能表明,当反应温度为65℃时,脲醛树脂游离甲醛含量最低且其他物理性能也最好,可见65℃就是第四次加入尿素后适宜的反应温度.