硼酚醛树脂的制备
硼酚醛树脂的制备和研究进展
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来源: 作者: 发布时间:2009-10-16
0 前 言
酚醛树脂由于具有优异的耐高温性、耐热烧蚀性以及较高的残炭率、尺寸稳定性和成型加工性等诸多优点，因而在建筑、军事装备和航空航天等领域中应用广泛。但当PF用于航空航天等对材料性能要求非常苛刻的环境中时，必须提高其综合性能，尤其是改善其脆性、阻燃性、抗氧化性和热稳定性等，以保证航空、航天器的正常工作。硼改性PF就是在PF中引入硼，即PF中部分酚羟基中的氢原子被硼原子所取代。由于B-O键能(774.04kJ/mol)高于C-C键能(334.72kJ/m01)，故硼改性PF固化物的耐热性和耐烧蚀性远高于普通PF；另外B-O键又具有较好的柔顺性，故硼改性PF的脆性降低、力学性能有所提高，并常用作胶粘剂，以提高材料的综合性能。BPF比普通PF具有更高的耐热性、瞬时耐高温性能和力学性能，多用于火箭、导弹和空间飞行器等空间技术领域中作为优良的耐烧蚀材料。本文总结了近年来硼改性PF的各种方法，并简要介绍了硼改性PF的性能及应用。
1 BPF提高热性能机理
一般认为，BPF抗氧化性能的提高包括化学和物理两方面的作用。①化学作用。硼化物与PF发生化学反应，即苄羟基和硼化物发生酉批反应生成硼酯键，减少了PF分子中醚键的数量；由于B-O键的键能远大于醚键，故BPF在更高的温度下才会裂解，从而提高了PF的耐热性；另外，由于硼的存在，BPF在裂解过程中能够改善焦炭的结构，即形成具有致密结构的玻璃碳，而玻璃碳能有效阻止氧气进入树脂内部，从而抑制了树脂的进一步燃烧，故树脂的阻燃性得以提高。②物理作用。硼酸及硼化合物的加入，在高温条件下可以在PF表面生成致密的玻璃态结构层，初步研究认为这层玻璃态物质为氧化硼。这种玻璃态结构层可以有效排除氧气等气体进入材料内部，同时阻止了树脂的进一步燃烧，故PF的高温稳定性和抗氧化性明显提高。BPF提高抗氧化性的机理如式(1)所示：硼酸等硼化合物具有较低的熔点，当缓慢加热至170t左右时，硼酸失水生成不稳定的亚硼酸；当温度升至270℃左右时，亚硼酸继续失水生成稳定的氧化硼；当温度高于325℃时，氧化硼转变为致密的玻璃态结构，从而阻止了氧气等进入树脂内部。因此，树脂的抗氧化性能得以提高。
2 BPF的合成方法
化学改性BPF的合成方法主要分两大类：①固相合成法，即先合成硼酸酯，然后再与多聚甲醛反应，得到BPF，如式(2)、式(3)所示；②水溶液法，即先使酚与甲醛水溶液反应生成水杨醇，然后再与硼酸反应制备BPF，如式(4)所示。
中，由于化学作用能够生成化学键，同时BPF固化后形成稳定的六元环结构，可进一步提高PF的热稳定性。因此采用化学改性方法，在PF分子结构中引人硼元素，已成为改善PF抗氧化性能的重要方法。因此，本文重点综述了硼化学改性PF的合成方法。
2．1 BPF的固相合成法
固相合成法是目前合成BPF的最主要方法。Hirohatap等报道了一种采用固相合成法制备BPF的工艺。首先苯酚与氧化硼在300℃时发生酯化反应，生成三苯基硼；三苯基硼与多聚甲醛在150℃时反应，生成BPF；然后将产物分别于80、100℃热处理24h，得到黄色固体。试验结果表明：根据氧化硼与苯酚的不同配比，可制取单取代、双取代和三取代的硼取代基苯混合物；随着氧化硼含量的增加，酚醛酯化度增大，同时硼酸酯中硼含量增加，故所需多聚甲醛的用量相应减少；随着热处理温度的升高，弯曲强度逐渐降低，但是弯曲模量几乎不受硼含量以及热处理温度的影响；升高温度或延长时间均有利于BPF的固化，这是因为与苯酚相比，三苯基硼中的苯环只有邻位具有高活性，而对位活性较低，故其与多聚甲醛的反应速率较低，需要延长时间和提高温度来促使反应顺利进行。另外，BPF、素改性PF和普通PF的相关性能。结果表明：BPF具有最高的氧指数，但BPF的热转变温度较低，介于溴PF与氯PF之间；固化BPF的热氧稳定性明显优于普通PF和卤代PF。
2．2 BPF的水溶液法制备
水溶液法是另一种制备BPF的方法。Gao等采用水溶液法合成了一系列BPF，并研究了BPF的热分解动力学及其耐热性。苯酚在碱性条件下与甲醛溶液反应，生成酚醇；减压蒸馏除水后加入硼酸，在100℃以上反应40-60min后缓慢脱水，即制得硼改性PF。Gao~16qsl等比较了酚羟基与苄羟基酯化活性的大小：将硼酸分别与苄醇和苯酚进行反应，则硼酸／苄醇转化率为50％，而硼酸／苯酚转化率仅为4％，并且停止搅拌后绝大部分硼酸会沉淀下来，表明苄羟基的反应活性远高于酚羟基。由此认为：酯化反应生成的BPF结构为式(5)而非式(6)。此外，热分解动力学研究结果表明：BPF的耐热性优于普通PF；BPF的耐热性随硼含量的增加而有所提高；在相同条件下，硼含量高的树脂热失重较小、热分解速率常数较低。如590℃时，BPF(硼含量为0．8％时)的热分解速率常数为8．02x104s—1，硼含量为0．3％时为9．21x104s,而普通PF的热分解速率常数为60．14x10-4s—1。显然，硼的加入能有效提高树脂的热稳定性能。
由于硼酸等硼化物与羟甲基的反应活性较低，故合成的BPF中硼含量也相应较低(<1％)，即未能充分发挥硼的作用。因此，提高硼化物的反应活性、增加珊在PF中的含量，已成为水溶液法制备硼改性PF的重要途径。而改性硼化物是提高硼反应活性的主要方法。
Martin等采用改性硼化物制取BPF。首先，硼酸与邻苯二酚反应，合成了易溶解于二氧六环的醇基硼；将醇基硼加入到溶解于二氧六环的甲阶PF中反应48h，然后减压除去水和二氧六环后，得到橙黄色的BPF。试验结果表明：由于醇基硼易溶解于有机溶剂中，故醇基硼比硼酸以及硼化物具有更高的反应活性，即更容易与树脂反应；采用改性硼制取的BPF具有较高的硼含量(3．8％)、玻璃化转变温度(yR)提高了11．4％、氧指数提高了50％、热氧稳定性显著提高且600℃时的残炭率超过20％等；另外，随着硼含量的增加，改性BPF的热氧稳定性明显提高，但是制备BPF的起始分解温度为271℃，这是由于改性后的BPF中含有较多的小分子所致。
3 BPF的性能与应用
BPF由于在PF的分子结构中引入了硼元素，因此比普通PF具有更优异的耐热性、瞬时耐高温性、力学性能、高温热稳定性和较高的氧指数、残炭率等m。利用硼酸改性PF时，硼酸会与酚羟基反应，生成具有柔性的B-O键，从而降低了PF的脆性，提高了树脂的方学性能；另外，由于B-O键的键能(774．04U／m01)高于C-C键的键能(334,72kJ／m01)，故硼改性PF固化物(含有硼的三维交联网状结构)的耐热性和耐烧蚀性远高于普通PF；此外，由于酚羟基的氢原子被硼原子所取代，故BPF的耐水性能有所提高；同时，由于酚羟基参与反应，故减少了游离酚羟基的含量，使BPF在热解过程中不会释放出大量的有毒气体(即与卤素改性PF不同)。
表1与表2分别列出了BPF的热性能和BPF复合材料的力学性能。由表1、表2可知：与普通PF相比，聚丙烯酸酯内墙调湿涂料的性能研究
具体的方程式没：
但酚的性质找到一些！
酚的羟基直接与苯环的sp2杂化的碳原子相连，这与脂肪族化合物中的烯醇很相似。另外，由于 酚的羟基氧原子的未共用电子对与苯环的共轭作用，不但使苯酚成稳定化合物，而且也有利苯酚的离解。
弱酸性
酸性比较：碳酸>苯酚>水。 酚比醇的酸性强，是由于酚式羟基的O-H键易断裂，生成的苯氧基负离子比较稳定，使苯酚的离解平衡趋向右侧，而表现弱酸性。酚式羟基的氢除能被金属取代外，还能与强碱溶液生成盐（如酚钠）和水。 若在苯酚钠的水溶液中通入二氧化碳，即有游离苯酚析出。这是因为苯酚酸性比碳酸弱，所以酚盐能被碳酸所分解。 C6H5ONa+CO2+H2O→C6H5OH+NaHCO3 由于酚的酸性弱于碳酸，所以酚只能溶于氢氧化钠而不溶于碳酸氢钠。实验室里常根据酚的这一特性，而与既溶于氢氧化钠又能溶于碳酸氢钠的羧酸相区别。此方法也可用于中草药中酚类成分与羧酸类成分的分离。
傅-克反应
苯酚也容易发生傅 - 克酰基化和烷基化反应。但是，酚羟基要三氯化铝作用形成铝盐，因此需要用较多的三氯化铝来催化反应，得到对和邻酰基苯酚。邻酰基酚中酚羟基的氢与酰基氧原子之间可以形成氢键，这使它在非极性溶液中的溶解度较大，利用该特性采用重结晶的方法能分离这个异构体。 傅 - 克反应需要以硝基苯或二硫化碳为溶剂，若以三氟化硼为催化剂，酚和羧酸也能直接反应得到酰基代酚。 苯酚与邻苯二甲酸酐在浓硫酸或无水氯化锌作用下发生上述的酰基化反应，两分子苯酚与一分子酸酐缩合后得到酚酞这一最为常用的酸碱指示剂。酚酞在 pH 小于 8.5 的溶液中为无色液体，当 pH 大于 9 时，形成电荷离域范围很大的粉红色的共轭双负离子。酚的烷基化反应一般以醇或烯烃在浓硫酸催化下进行，反应不容易控制在单取代阶段。
氧化反应
酚类易被氧化，但产物复杂。纯苯酚系无色结晶，在空气中放置后，就能逐渐氧化变为粉红色、红色或暗红色。苯酚如用酸性重铬酸钾强烈氧化，则生成对苯醌。 邻苯二酚和对苯二酚比苯酚更容易被氧化成相应的醌，但间苯二酚不能被氧化为相应的醌。醌是一般都具有颜色。
与FeCl3的显色反应
大多数的酚能与氯化铁的稀水溶液发生显色反应。不同的酚与氯化铁反应呈显不同的颜色。例如，苯酚、间苯二酚、1，3，5-苯三酚与氯化铁溶液作用，均显紫色；甲苯酚呈蓝色；邻苯二酚、对苯二酚呈绿色；1，2，3-苯三酚呈红色，α-萘酚为紫色沉淀，β-萘酚则为绿色沉淀等。此显色反应常用以鉴别酚类的存在。 具有羟基与sp2杂化碳原子相连的结构( —C=C—OH )结构的化合物能与FeCl3的水溶液显示特殊的颜色一般的醇式羟基无此反应，故也可用来区别醇与烯醇。
苯环上的取代反应
酚羟基由于p-π共轭而难于被取代，但苯环上的氢原子可被取代，发生卤化、硝化和磺化等反应，并且羟基是邻、对位定位基，对苯环有活化作用，故酚比苯更容易进行亲电取代反应。 1、卤化 苯酚水溶液与溴水反应立刻生成三溴苯酚白色沉淀，环境检测中常用来对苯酚定性或定量测定； 2、硝化 苯酚在室温下可被稀硝酸硝化，生成邻、对位硝基化合物。使用稀硝酸即可生成邻硝基苯酚和对硝基苯酚的混合物。如使用浓硝酸和浓硫酸的混合物作硝化剂则可生成二硝基苯酚或三硝基苯酚。2，4，6-三硝基苯酚俗称苦味酸，酸性比苯酚强得多。
方法介绍
酚类化合物通常以酚的衍生物来命名，在酚的前面加上芳环的名称，以此作为母体，在加上其他取代基的名称和位置，多元酚则称之为二酚、三酚等等。有些酚类化合物可以用羟基化合物命名。 酚的制备方法和醇有所不同，目前主要有以下几类方法。
1卤代物的水解
芳香卤代物的水解不如脂肪族卤代物那么容易，一般需要加温加压在工业生产上进行，反应可能是经过苯炔中间体过程。当卤素的邻对为上有吸电子基团存在时，芳环受到缺电活化，使水解反应容易发生。
2磺酸盐碱熔法
芳磺酸用亚硫酸钠 Na2SO3 中和为芳磺酸钠盐再有碱熔融后酸化得到酚。 这是生产苯酚最早的一个方法。反应中要用到强酸强碱，污染大，反应步骤又长，自动话生产率低，当分子中含有羰基、卤素、氨基、硝基等官能团时，在高温生产时还容易受到氧化等副反应的影响，这些因素都限制了这个反应的应用价值。然而，这个反应产率高，纯度也还可以，副产物 Na2SO3 和 SO3 可反复使用，设备简单，无论在实验室还是工业上都仍有应用价值，像间二苯酚、对甲苯酚，苯酚等产品还主要是由此法产生。
3重氮盐水解
芳香烃硝化还原得到苯胺后再制得重氮盐，重氮盐水解后得到苯酚。 目前工业生产苯酚的最主要方法是用异丙苯空气氧化法，该方法除了生成苯酚外，还得到丙酮这一重要工业原料。
4格氏反应
芳香卤代物格氏反应和硼酸酯作用后再水解也是实验室里得到酚的一个好方法。
硼改性酚醛树脂 不是利用硼酸与酚醛树脂起反应
而是用苯酚和硼酸生成酯类物质 然后再和甲醛反应 由此可得硼改性酚醛树脂
具体做法 可查相关资料
