Технология получения и свойства мочевино-формальдегидных смол (стр. 2 из 3)
СН3ОН +
О2 
СН2О + Н2О + 36,8 ккал/моль;СН3ОН
СН2О + Н2 - 28,8 ккал/моль;Катализаторами процесса служат серебро, медь, окись молибдена (промотированная железом), фосфат марганца (промотированный молибденом) и др.
В последние годы формальдегид получают также окислением метана кислородом воздуха в присутствии окислов азота при 400—600 °С. Окисление протекает по схеме:
CН4 + O2
CH2O + H2O(основная реакция)2СН4 + О2
2СН3ОН (побочная реакция)Разработаны способы получения формальдегида в смеси с другими продуктами реакции окислением кислородом воздуха некоторых углеводородов (пропана, н-бутана, изобутана при 400-500 °С).
2 Получение МФС
Механизм образования мочевино-формальдегидных смол детально не выяснен. Однако установлено, что при поликонденсации мочевины с формальдегидом в водном растворе в зависимости от рН среды, соотношения исходных компонентов, продолжительности реакции и температуры могут быть получены различные продукты. Так, в щелочной среде (рН 11–13) даже в разбавленных растворах образуется монометилолмочевина H2N-CO-NH-CH2-OH; в нейтральных и слабощелочных средах (рН 7–8) в зависимости от соотношения исходных компонентов – моно- и диметилолмочевины OC(NHCH2OH)2. Последняя образуется также при взаимодействии монометилолмочевины с формальдегидом. Положение равновесия этих реакций не зависит от рН среды, а определяется концентрацией реагирующих веществ и температурой.
При взаимодействии мочевины с формальдегидом в сильнокислой среде (рН<3) образующиеся метилолмочевины сразу же подвергаются дегидратации, давая метиленмочевины, например,
которые в условиях реакции быстро превращаются в полиметиленмочевины общей формулы (С2Н4N2O)n - неплавкие и нерастворимые аморфные продукты, не имеющие практического значения. Поэтому для получения мочевино-формальдегидных смол процесс следует проводить в условиях, способствующих образованию метилольных производных мочевины.
Моно- и диметилолмочевины – белые кристаллические продукты, растворимые в воде и метаноле; первый плавится при 111 °С (из этанола), второй – при 121 – 126 °С (из 80%-ного этанола); диметилолмочевина при нагревании растворяется также в этаноле. При нагревании безводные моно- и диметилолмочевины превращаются в полиметиленмочевины; первая полностью переходит в нерастворимый продукт при 100 °С, вторая – выше 140 °С. В водных кислых растворах (рН 4.5–6.0) метилолмочевина способна к дальнейшим превращениям с образованием, вероятно, метилен-бис-амида (I), метилолметилен-бис-амида (II) или простого эфира (III) и азометилена (IV), который сразу же тримеризуется:
В аналогичных условиях скорость гомополиконденсации диметилолмочевины очень низка. Она также взаимодействует с мочевиной и монометилолмочевиной.
Предполагается, что основная реакция, приводящая к мочевино-формальдегидным смолам, – бимолекулярная, и скорость её пропорциональна концентрации водородных ионов. Далее приведены вероятные схемы образования мочевино-формальдегидных смол.
По-видимому, наиболее вероятна последняя схема, предусматривающая наличие в структуре полимера кислородных мостиков, присутствием которых можно объяснить выделение формальдегида при хранении и эксплуатации изделий из мочевино-формальдегидных смол.
Направление реакции мочевины с формальдегидом зависит также от температуры. Повышение её выше 40
(оптимальная температура для получения метилол-мочевины) способствует образованию нежелательных продуктов – метиленмочевин. Вероятность получения последних существует и в том случае, когда процесс начинают в условиях, благоприятных для синтеза метилолмочевин; это связано с изменением рН среды в ходе реакции. Так, мочевина, способная образовывать с кислотами нестойкие соли, связывает муравьиную кислоту, всегда содержащуюся в формалине. В результате этого при добавлении мочевины в раствор формалина рН реакционной смеси повышается. Однако по мере расходования мочевины кислота высвобождается и рН понижается. Кроме того, в условиях реакции муравьиная кислота образуется из формальдегида (реакция Канниццаро – Тищенко):2СН2О + NaOH
CH3OH + HCOONa 
По этой причине сначала получают метилольные производные мочевины, поддерживая нейтральную или слабощелочную среду (рН 7–8), а затем, не выделяя метилолмочевины из раствора, в слабокислой среде (рН 3–6,5) осуществляют их поликонденсацию. Слабокислая среда предотвращает чрезмерное нарастание вязкости смолы и преждевременное гелеобразование (особенно на стадии сушки). Для регулирования рН среды используют буферные вещества (ацетат натрия и его смесь с лимонной кислотой, карбонат аммония и другие), а также уротропин. При нагревании мочевины и формальдегида в присутствии последнего раствор с течением времени приобретает ту кислотность, которую он имел до прибавления уротропина. По-видимому, уротропин образует с муравьиной кислотой буферные соли, разрушающиеся при нагревании. Проведение реакции в водных средах препятствует отщеплению воды от метилолмочевин, что предотвращает их переход в метиленмочевины.
3 Технология производства
Механизм образования мочевино-формальдегидных смол сложен. Всегда в качестве начального продукта образуется моно- и диметилолмочевина, которые при дальнейшей поликонденсации в слабокислой среде дают линейные полимеры.
Суммарно реакцию можно представить так:
СН2О+nCO(NH2)2
+(n+1)H2OТехнологический процесс производства мочевино-формальдегидной смолы осуществляется жидкофазным непрерывным методом и состоит из следующих основных стадий: подготовка сырья; приготовление реакционного раствора; конденсация в щелочной и кислой средах; нейтрализация и сушка смолы; доконденсация смолы с мочевиной; охлаждение, стабилизация и стандартизация смолы.
1, 13 — мерники едкого натра, 2 — теплообменник для формалина, 3—смеситель, 4—зубчатая дробилка, 5—емкость, 6, 11—циркуляционные насосы, 7 — первый реактор, 8 — холодильник, 9—второй реактор, 10—мерник кислоты, 12—выпарной аппарат(а—кипятильник, б—сепаратор), 14—сборник смолы, 15—реактор.
В смеситель 3 подаются 2%-ный раствор едкого натра из мерника 1 и формалин из прицеховой ёмкости. Формалин может охлаждаться в теплообменнике 2. Едкий натр загружается из расчёта получения в растворе рН 4,8 – 6,5. Мочевина измельчается на зубчатой дробилке 4 и подаётся в ёмкость 5, через которую прокачивается смесь формалина с едким натром из смесителя 3 циркуляционным насосом 6. Циркуляция ведётся до полного растворения мочевины, после чего определяется рН раствора, которая должна быть в пределах 7,5 – 8,5. Коэффициент рефракции должен быть 1,409 – 1,412. В реакционной смеси поддерживается температура 20 – 35 °C за счёт подачи воды или пара в змеевики смесителя 3.
Каждый агрегат для получения смолы имеет два смесителя: в одном готовится конденсационный раствор, а из другого раствор непрерывно расходуется.
Из смесителя 3 конденсационный раствор непрерывно подаётся в реактор 7 со скоростью, зависящей от производительности агрегата. Реактор снабжён рубашкой для нагрева и охлаждения, якорной мешалкой и холодильником 8. В реакторе 7 проводится конденсация в щелочной среде при 90 – 98 °C и непрерывном перемешивании. Пары конденсируются в холодильнике 8 и стекают обратно в реактор. При конденсации рН раствора снижается до 6,0 – 7,0. В начальной стадии процесса в нейтральной или слабощелочной среде образуется смесь моно- и диметилолмочевин, растворимых в воде. При дальнейшем нагреве происходит поликонденсация метилолмочевин, в результате образуется линейный полимер с метиленовыми связями и выделяется вода.
Из реактора 7 реакционный раствор непрерывно перетекает в реактор 9, в который также непрерывно поступает из мерника 10 серная кислота (0,5 – 1,0%-ный раствор). В реакторе поддерживается рН смеси 5,0 – 5,4 и температура 94 – 98
. Поликонденсация при непрерывном перемешивании продолжается до достижения вязкости смолы 14 – 15 по вискозиметру ВЗ-1. Образовавшиеся пары конденсируются в холодильнике 8 и стекают обратно в реактор 9.Сконденсировавшаяся смола подаётся непрерывно из реактора 9 циркуляционным насосом 11 в выпарной аппарат 12, состоящий из кипятильника кожухотрубного а и сепаратора б. Для нейтрализации смолы и поддержания рН в пределах 7,0 – 8,0 в насос из мерника 13 непрерывно поступает 2%-ный раствор едкого натра. Кипятильник представляет собой трубчатый теплообменник, в трубках которого циркулирует смола, а в межтрубном пространстве – пар давлением 4 кгс/см2. Сепаратор – цилиндрический аппарат с коническим днищем и крышкой.
Сушка смолы проводится при рН 7,0 – 7,8, температуре 96 – 100
до достижения вязкости от 50 – 60 до 110 – 120 (по вискозиметру ВЗ-1). Пары, получаемые при сушке смолы, поступают в воздушный холодильник, конденсируются; надсмольная вода собирается в ёмкость, откуда перекачивается для дальнейшей обработки (выделения метанола и очистки воды от остатков формальдегида).