Bai Thi Nghiem Polymer

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 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



Là tinh thể trắng được tổng hợp từ ure và formaldehyd có cấu trúc tứ diện. Khi gia nhiệt lên >120oC 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+ CH2OH H-C+(OH)-H + + Q OH OH CH2OH H+ ( CH2OH )n + nH2O 90-92*C Đặc điểm phản ứng: phản ứng (1) tạo monomethylol tỏa nhiệt rất mạnh H khoảng -24÷-30 kcal/mol. Nhiệt tỏa ra có thể làm cho hỗn hợp đạt nhiệt độ > 100oC 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.





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 H2O. Khi sử dụng xúc tác kiềm yếu như NH4OH, 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<80oC thì sản phẩm chủ yếu là liên kết ether, còn t>90oC 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 C2H5OH/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.



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 H2O. Rezol tan trong cồn thì hòa tan 50% trong cồn. Trong trường hợp nhiệt độ bảo quản lớn hơn 30oC, 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 100oC 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 >120oC 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:



Rezol có thể tự đóng rắn ở nhiệt độ >120oC 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 >150oC.

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 + H2O 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 mp = m.n.94/( n.94 + 81 ) = 150.1,25.94/(1,25.94 +81)= 88,79g MFormalin = 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



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



- 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 H2O .

- 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



Fornalin

Phenol

Gia nhiệt

Cân

Gia nhiệt

Tạo methylol

Đa tụ

Lắng tách

Rửa

Sấy

Nghiền

NOVOLAC

H2O 70*C

HCL 37%

Cân

HCl1

HCl2

H2O

Chưa đạt

Đạt



-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 .

-Hỗn 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 lắng 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



-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 nghiền

H =75*100/150 =50% *sau nghiền

H =70.45*100/150 =49.67% -Novolac thu được có dạng màu trắng ,hạt dể nghiền mịn ,tuy

nhiên màu của novolac có thể có màu vàng nâu do có dư phenol

2.Những hiện tượng xảy ra và khó khăn gặp phải khi làm

thí nghiệm - Phenol rất nguy hiểm khi tiếp xúc phải,cẩn thận khi gia

nhiệt cho phenol -Phenol lại dễ bị đông lại nên cần cân vào bình cầu và

nhiệt cho phenol tan hết -Cần điều chỉnh và ổn định nhiệt độ thích hợp để phản

ứng xảy ra tốt nhất -Sản phẩm thu được có màu vàng nâu do phenol rửa

không hết 3.So sánh với 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%



4.Trả lời câu hỏi a.So sánh hoạt tính xúc tác và công dụng của từng loại

xúc tác .giải thích ? *Xúc tác cho phản ứng tạo rezol -Xúc tác kiềm mạnh như :NaOH,KOH,LiOH thì kim loại

kiềm này dễ phản ứng với nhóm –OH của phenol tao ra phenolat .các ion này tồn tại trong nhựa làm cho nhựa có thể tan trong dung môi phân cực mạnh như H2O

-Xúc tác kiềm yếu như NH4OH ,Ba(OH)2 ,Ca(OH)2 thì không tạo phenolat ,do đó nhựa không tan trong nước mà tan trong cồn .

b.Ý nghĩa của việc chọn điểm dừng phản ứng của 3 thí nghiệm trên

-Novolac :Có sự tách lớp giữa H2O và nhựa -Rezol tan trong cồn :hỗn hợp phản ứng chuyển dần từ

đục sang trong sau đó giảm nhiệt độ rồi kéo dài 25 phút -Rezol tan trong nước :Thử độ tan của nhựa trong nước

,nếu hạt nhựa đi xuống đáy là đạt c.Nếu các bước chuẩn bị mẫu ép và quy trình ép .Ý nghĩa

từng công đoạn * Ép với bột gỗ : dựa vào thể tích khuôn ép để tính khối

lượng hỗn hợp cần ép -Khối lượng riêng của tấm ép từ nhựa novolac là từ :1.2-

1.4g/cm3 -Tỷ lệ nhựa độn khoảng 3/7 hoặc 4/6



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 1.7-

1.78 (nhựa /sợi =5/5) -Tính toán khối lượng vật liệu để ép mẩu dựa vào khuôn

ép -Cắt vải từng tấm theo kích thước khuôn -Rezol tan trong cồn nồng độ 50% cân dư lượng nhựa so

với tính toán 20% -Dùng màng PE PP lót trên mặt phẳng ,sau đó dùng nhựa

cọ nhúng dung dịch quét đều lên từng tấm vải ,sấy khô ở nhiệt độ 70-80*C cho bay hết dung môi

-Ghép từng tấm vải đã tẩm và sấy khô lại với nhau thật đều

-Khuôn ép được làm sạch và hâm ở nhiệt độ 150*C -Đặt tấm vải đã ghép vào khuôn và ép ở áp suất

7.5hg/cm2 mặt sản phẩm trong thời gian 10-15 phút (tùy vào độ dày sản phẩm )ở nhiệt độ 150*C

-Tháo khuôn lấy sản phẩm ra làm sạch khuôn *Ép ván ép (dùng rezol tan trong nước ) -Cắt từng tấm ván bào theo kích thước khuôn



-Dùng cọ nhúng dung dịch rezol quét đều lên từng tấm ván .sau đó sấy khô ở nhiệt độ 70-80*C cho bay hết dung môi

-Ghép từng tấm ván đã tẩm và sấy khô lại với nhau thật

đều theo dạng vuông góc thớ gỗ -khuôn ép được làm sạch và hâm ở nhiệt độ 130*C từ

trước -Đặt tấm ván đã ghép vào khuôn ép ở áp suất 7.5kg/cm2

mặt sản phẩm trong thời gian 12-15 phút (tùy theo độ dày sản phẩm )ở nhiệt độ 130*C

-Tháo khuôn lấy sản phẩm ra ,làm sạch khuôn d.So sánh sự giống nhau và khác nhau giữa phần tổng

hợp rezol tan trong nước và tan trong cồn ? * Giống nhau :Đều tạo thành nhựa rezol ,là phản ứng

tổng hợp trong môi trường kiềm ,tỷ lệ P/F =1/1.65 ,Quá trình tạo methylol và đa tụ sâu giống nhau

*Khác nhau :

Nhựa Rezol tan trong cồn

Rezol tan trong nước

-Chất xúc tác

-Thời điểm dừng phản ứng

-Rửa sản

phẩm -Bảo

quản -Ứng

Dụng

-NaOH - Hỗn hợp phản

ứng chuyển dần từ đục sang trong sau đó giảm nhiệt độ rồi kéo dài 25 phút

-Dùng nước rửa

rezol -Hòa tan nhựa sau

sấy bằng cồn để tạo dung dịch rezol 50%

-Ép với sợi coton hoặc sợi thủy tinh

-NH4OH -Thử độ tan

của nhựa trong nước ,nếu hạt nhựa đi xuống đáy là đạt

-Không cần

rửa -Không hòa

tan trong cồn -Ép ván ép



e.Các alkyl phenol ở vị trí ortho,metha,para,ảnh hưởng như thế nào đến khả năng phản ứng của nó .Hãy dự đoán tính chất tính chất của các sản phẩm đi từ alkylphenol so với phenol

-Tại các vị trí ortho và para của phenol do có hiệu ứng liên hợp làm tăng mật độ điện tích âm nên phản ứng của các alkyl phenol xảy ra tại 2 vị trí này dễ dàng hơn ở vị trí metha.

Khả năng phản ứng: Alkyl phenol - metha < phenol < Alkyl phenol - para < Alkyl

phenol - ortho Dự đoán tính chất của sản phẩm: -Nếu dùng alkylphenol ở vị trí ortho và para thì sản phẩm có cơ tính

thấp hơn so với phenol do ảnh hưởng của hiệu ứng liên hợp,phenol dễ tạo trimethylol hơn, nhựa PF dễ tạo hơn

-Nều dùng alkylphenol-metha thì so với phenol, do bị ảnh hưởng của hiệu ứng không gian hơn khó tạo methylol hơn

f.Hãy nêu các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm ép trên cơ

sở nhựa PF( vải ép ,bột ép ) -Tỷ lệ độn /nhựa ảnh hưởng đến tính chất composit tạo thành -Nhiệt độ và áp suất khi ép -Khuôn ép đã được làm sạch hay chưa -thời gian ép . -Chất lượng của nhựa đem ép g.Tại sao ở thí ngiệm 1 và 2 ta phải rửa sản phẩm còn thí

nghiệm 3 thì không . - Nhựa ở thí nghiệm 1 và 2 đều không tan trong nước nên ta dùng

nước rửa sản phẩm để loại bỏ formalin và phenol dư,sản phẩm sẽ có màu sáng hơn, tùy vào mức độ phenol dư mà nhựa có màu vàng hay nâu

- Ở thí nghiệm 3 ta không rửa sản phẩm vì nhựa rezol tan trong nước và phenolat tạo thành cũng tan trong nước.

h.So sánh tính chất cơ ,nhiệt .độ bền hóa chất của UF và PF

Bảng so sánh

Nhựa PF UF



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 tan trong cồn không tan trong nước do phân cực kém .bảo quản cẩn thận.Rezol tan trong nước phân cực nên bảo quản dễ hơn

Bảo quản tốt khi PH > 7 ở nhiệt độ thường và tránh tiếp xúc với không khí .Thời gian sống 3 tháng

D.ỨNG DỤNG : ÉP VỚI BỘT TRẤU 1.Tính toán khối lượng ép . -Khuôn : dài 17cm.rộng 12cm,dày 8mm -Thể tích khuôn : V = 12*17*0.8 = 163.2 cm3 -Khối lượng hỗn hợp cần để ép : m = 163.2*1.2=195.84g -Tỷ lệ nhựa/trấu 6/4 -Khối lượng urotrophin m0 = 12.5% *195.84 =24.48g -Khối lượng nhựa và trấu cần là 195.84+195.84*10% -24.48=191g -Khối lượng nhựa 0.6*191 =114.6 -Khối lượng trấu 0.4*191=76.4g -Sau đó trộn đều hỗn hợp đó lên 2.Quy trình ép. -Khuôn được làm 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



-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 <110*C -Sau khoảng 15 -20 phút sản phẩm composit đã ép xong -Tháo khuôn lấy sản phẩm ra ,sản phẩm có màu vàng

MIẾNG COMPOSIT SAU KHI ÉP



NHỮNG HÌNH ẢNH VỀ BỘT NOVOLAC VÀ COMPOSIT

Màu vàng của composit

BỘT + COMPOSIT



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.Hướng dẫn Thí nghiệm hóa học polymer –Huỳnh Đại Phú ,Nguyễn Đắc Thành,La Thị Thái Hà-NXB ĐHQGTPHCM-2005

2.Kỹ Thuật sản xuất chất dẻo –Nguyễn Hữu Niếu ,Trần vĩnh Diệu- NXB ĐHQGTPHCM

3 www.google.com.vn 4.Và các tài liệu tham khảo khác

Documents

Bai Thi Nghiem Polymer