一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法

摘要

本发明属于合成树脂领域，尤其涉及一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法。本发明提供的酚醛树脂合成装置包括：加热釜，所述加热釜的腔体上设置有原料进口、反应液进口和反应液出口；微波反应器，所述微波反应器的壳体内腔设置有盘管和用于对所述盘管施加微波的微波发生器；所述盘管为双层结构，内管为反应液通道，外管为冷却液通道；所述内管的进液端与加热釜的反应液出口相连，所述内管的出液端与加热釜的反应液进口相连；和循环泵，所述循环泵设置在反应液出口与内管进液端的连接管路上。本发明提供的酚醛树脂合成装置运行过程中，整个反应体系的温度受微波热效应影响较少，反应体系温度可控，进而保证合成的酚醛树脂聚合度可控。

权利要求

1.一种酚醛树脂合成装置，包括：

加热釜，所述加热釜的腔体上设置有原料进口、反应液进口和反应液出口；

微波反应器，所述微波反应器的壳体内腔设置有盘管和用于对所述盘管施加微波的微波发生器；所述盘管为双层结构，内管为反应液通道，外管为冷却液通道；所述内管的进液端与加热釜的反应液出口相连，所述内管的出液端与加热釜的反应液进口相连；

和循环泵，所述循环泵设置在反应液出口与内管进液端的连接管路上。

2.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述内管与外管的内径比为(5～10)：(15～20)。

3.根据权利要求1所述的合成装置，其特征在于，所述加热釜的腔体容积与微波反应器中内管容积的比为(5～15)：1。

4.根据权利要求1～3任一项所述的合成装置，其特征在于，所述加热釜的腔体内设置有搅拌器。

5.一种酚醛树脂合成方法，包括以下步骤：

a)、将制备酚醛树脂的原料加入权利要求1～4任一项所述合成装置的原料进口；

b)、启动所述合成装置，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，得到酚醛树脂。

6.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于，合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度控制在40～60℃。

7.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于，合成装置运行过程中，微波发生器的微波频率为2200～2800MHz；微波发生器的输入视在功率≤1.5kVA。

8.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于，所述反应的时间为0.5～5h。

9.根据权利要求5所述的合成方法，其特征在于，合成装置运行过程中，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比为1：(1～5)。

10.根据权利要求5～9任一项所述的合成方法，其特征在于，所述原料包括甲醛、苯酚和碱。

说明书

一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法

技术领域

[0001] 本发明属于合成树脂领域，尤其涉及一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法。

背景技术

[0002] 我国是一个森林资源紧缺的国家，森林资源非常宝贵，木材供需存在较大的矛盾。据海关统计，2016年一季度，我国共进口原木1100万立方米。在我国森林资源严重不足的情况下，我国全面实施天然林资源保护工程后，木材供给结构发生了根本性变化，利用速生材、低质材、小径材、间伐材以及非木材植物纤维为原料制造的重组木代替传统的大径级木材资源已是大势所趋。

[0003] 重组木是在不打乱木材纤维排列方向、保留木材基本特性的前提下，将碎木后胶合制成的一种强度高、规格大、具有天然木材纹理结构的人造木材，具有广泛的市场应用前景。重组木在制造过程中需要使用大量的胶黏剂，目前使用最为广泛的重组木胶黏剂为酚醛树脂。

[0004] 酚醛树脂通常由甲醛、苯酚和碱等反应原料在加热釜内反应制成，酚醛树脂的聚合度与反应温度直接相关，反应温度越高，酚醛树脂的聚合度越高。在重组木胶黏剂领域，为保证酚醛树脂的水溶性和浸胶效果满足使用要求，酚醛树脂的聚合度不易过高，其合成时的反应温度通常都控制在50℃左右。但在此反应温度下原料难以反应完全，导致制备得到的酚醛树脂中游离酚和游离醛残留超标。

[0005] 为此，有研究者将微波技术引入到了低聚合度酚醛树脂的合成工艺中，通过在反应釜上设置微波发生器，促进釜内反应的进行，从而降低产物中游离酚和游离醛的残留量。但由于微波热效应的存在，使得施加微波后反应釜的温度难以维持稳定，从而导致制得的酚醛树脂产品的聚合物不可控。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法，本发明提供的合成装置在运行过程中微波热效应对反应体系的温度影响较小，合成的酚醛树脂聚合度可控。

[0007] 本发明提供了一种酚醛树脂合成装置，包括：

[0008] 加热釜，所述加热釜的腔体上设置有原料进口、反应液进口和反应液出口；

[0009] 微波反应器，所述微波反应器的壳体内腔设置有盘管和用于对所述盘管施加微波的微波发生器；所述盘管为双层结构，内管为反应液通道，外管为冷却液通道；所述内管的进液端与加热釜的反应液出口相连，所述内管的出液端与加热釜的反应液进口相连；

[0010] 和循环泵，所述循环泵设置在反应液出口与内管进液端的连接管路上。

[0011] 优选的，所述内管与外管的内径比为(5～10)：(15～20)。

[0012] 优选的，所述加热釜的腔体容积与微波反应器中内管容积的比为(5～15)：1。

[0013] 优选的，所述加热釜的腔体内设置有搅拌器。

[0014] 本发明提供了一种酚醛树脂合成方法，包括以下步骤：

[0015] a)、将制备酚醛树脂的原料加入上述技术方案所述合成装置的原料进口；

[0016] b)、启动所述合成装置，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，得到酚醛树脂。

[0017] 优选的，合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度控制在40～60℃。

[0018] 优选的，合成装置运行过程中，微波发生器的微波频率为2200～2800MHz；微波发生器的输入视在功率≤1.5kVA。

[0019] 优选的，所述反应时间为0.5～5h。

[0020] 优选的，合成装置运行过程中，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比为1：(1～5)。

[0021] 优选的，所述原料包括甲醛、苯酚和碱。

[0022] 与现有技术相比，本发明提供了一种酚醛树脂合成装置和酚醛树脂合成方法，本发明提供的酚醛树脂合成装置包括：加热釜，所述加热釜的腔体上设置有原料进口、反应液进口和反应液出口；微波反应器，所述微波反应器的壳体内腔设置有盘管和用于对所述盘管施加微波的微波发生器；所述盘管为双层结构，内管为反应液通道，外管为冷却液通道；所述内管的进液端与加热釜的反应液出口相连，所述内管的出液端与加热釜的反应液进口相连；和循环泵，所述循环泵设置在反应液出口与内管进液端的连接管路上。装置使用时，首先将反应原料加入到加热釜原料进口，之后启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，原料在加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，最终得到酚醛树脂产品。本发明通过设置微波反应器，可在酚醛树脂合成过程中对反应体系施加微波，促进反应进行，降低产物中游离酚和游离醛的残留量；
同时，由于微波反应器为独立设计，避免了微波热效应对加热釜的温度干扰，而且通过在微波反应器中反应液通道外层设置冷却液通道，降低了微波热效应对微波反应器内反应液温度的影响，从而保证装置运行过程中，整个反应体系的温度受微波热效应影响较少，反应体系温度可控，进而保证合成的酚醛树脂聚合度可控。实验结果表明，本发明提供的酚醛树脂合成装置在设备运行过程中，装置中的反应液可稳定维持在设定温度，在反应液温度为45～50℃时，可合成聚合度为3～20、分子量分布指数为1.3～1.8的酚醛树脂，其游离甲醛含量≤0.3％。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0024] 图1是本发明实施例提供的酚醛树脂合成装置结构示意图。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 本发明提供了一种酚醛树脂合成装置，包括：

[0027] 加热釜，所述加热釜的腔体上设置有原料进口、反应液进口和反应液出口；

[0028] 微波反应器，所述微波反应器的壳体内腔设置有盘管和用于对所述盘管施加微波的微波发生器；所述盘管为双层结构，内管为反应液通道，外管为冷却液通道；所述内管的进液端与加热釜的反应液出口相连，所述内管的出液端与加热釜的反应液进口相连；

[0029] 和循环泵，所述循环泵设置在反应液出口与内管进液端的连接管路上。

[0030] 参见图1，图1是本发明实施例提供的酚醛树脂合成装置结构示意图，图1中，1为加热釜、2为微波反应器、3为循环泵、11为原料进口、12为反应液进口、13为反应液出口、14为搅拌器、21为盘管、22为内管、23为外管。

[0031] 本发明提供的酚醛树脂合成装置包括加热釜1、微波反应器2和循环泵3。其中，加热釜1为设置有控温机构的反应釜，其控温机构包括用于对釜内物料进行加热的加热单元和用于监测釜内物料温度的的测温单元。在本发明提供的一个实施例中，所述加热单元包括设置在加热釜1腔体内的电阻丝。在本发明中，加热釜1的腔体上设置有原料进口11、反应液进口12和反应液出口13。在本发明提供的一个实施例中，原料进口11设置在加热釜1腔体的顶部。在本发明提供的一个实施例中，反应液进口12设置在加热釜1腔体的顶部。在本发明提供的一个实施例中，反应液出口13设置在加热釜1腔体的底部。在本发明提供的一个实施例中，加热釜1的腔体内还设置有搅拌器14，用于对腔体内的物料进行搅拌。在本发明提供的一个实施例中，加热釜1的腔体上还设置有产物出口。在本发明提供的一个实施例中，加热釜1的容积为3～8L；在本发明提供的另一个实施例中，加热釜1的容积为5～6L。

[0032] 在本发明中，微波反应器2的壳体内腔设置有盘管21和微波发生器。其中，盘管21为双层结构，包括内管22和外管23。在本发明中，内管22为反应液通道，外管23为冷却液通道。在本发明提供的一个实施例中，内管22与外管23的内径比为(5～10)：(15～20)。在本发明提供的一个实施例中，内管22的内径为5～10mm。在本发明提供的一个实施例中，外管23的内径为15～20mm。在本发明提供的一个实施例中，内管22的壁厚为1～5mm；在本发明提供的一个实施例中，内管22的壁厚为2～3mm。在本发明提供的一个实施例中，加热釜1的腔体容积与微波反应器2中内管22容积的比为(5～15)：1；在本发明提供的一个实施例中，加热釜1的腔体容积与微波反应器2中内管22容积的比为(10～12)：1。在本发明中，微波发生器22用于对盘管21施加微波，其具体设置位置没有限定。

[0033] 在本发明中，内管22的进液端与加热釜1的反应液出口13相连，内管22的出液端与加热釜1的反应液进口12相连，反应液出口13与内管22进液端的连接管路上设置有循环泵3。在本发明中，加热釜1腔体、内管22和循环泵3构成了循环回路，加热釜1腔体内的物料可从反应液出口13排出口通过循环泵3泵送至内管22的进液端，之后物料流经内管22并从内管22的出液端排出，最后通过内管22的出液端与反应液进口12的连接管路返回加热釜1腔体内。

[0034] 装置使用时，首先将反应原料加入到加热釜原料进口，之后启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，原料在加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，最终得到酚醛树脂产品。

[0035] 本发明通过设置微波反应器，可在酚醛树脂合成过程中对反应体系施加微波，促进反应进行，降低产物中游离酚和游离醛的残留量；同时，由于微波反应器为独立设计，避免了微波热效应对加热釜的温度干扰，而且通过在微波反应器中反应液通道外层设置冷却液通道，降低了微波热效应对微波反应器内反应液温度的影响，从而保证装置运行过程中，整个反应体系的温度受微波热效应影响较少，反应体系温度可控，进而保证合成的酚醛树脂聚合度可控。实验结果表明，本发明提供的酚醛树脂合成装置在设备运行过程中，装置中的反应液可稳定维持在设定温度，在反应液温度为45～50℃时，可合成聚合度为3～20、分子量分布指数为1.3～1.8的酚醛树脂，其游离甲醛含量≤0.3％。

[0036] 本发明还提供了一种酚醛树脂合成方法，包括以下步骤：

[0037] a)、将制备酚醛树脂的原料加入上述技术方案所述合成装置的原料进口；

[0038] b)、启动所述合成装置，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，得到酚醛树脂。

[0039] 在本发明提供的合成方法中，首先将制备酚醛树脂的原料加入所述合成装置的原料进口。其中，所述原料包括甲醛、苯酚和碱；所述碱优选为氢氧化钠和/或氢氧化钾；所述甲醛、苯酚和碱的摩尔比优选为1:(1.5～2)：(0.2～0.5)。在本发明中，所述原料优选还包括三聚氰胺，所述三聚氰胺和甲醛的摩尔比优选为(0.1～0.3)：1。

[0040] 原料加入完毕后，启动所述合成装置，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应。合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度优选控制在40～60℃，更优选控制在50～55℃；微波发生器的微波频率优选为2200～2800MHz，更优选为2350～2550MHz；微波发生器的输入视在功率优选≤1.5kVA，更优选≤
1.3kVA，最优选≤1.2kVA，最最优选≤1kVA。合成装置运行过程中，外管中的冷却液优选采用室温条件的水，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比根据温度及反应热具体调节，优优选为1：(1～5)。在本发明中，所述反应的时间优选为0.5～5h，更优选为1～3h。反应结束后，得到酚醛树脂产品。

[0041] 本发明提供的合成方法采用特定的合成装置合成酚醛树脂，树脂合成过程中，反应体系温度可维持在设定温度，合成的酚醛树脂聚合度可控，且树脂产品中游离酚和游离醛的残留量低。实验结果表明，本发明提供的合成方法，合成过程中的反应液可稳定维持在设定温度，在反应液温度为45～50℃时，可合成聚合度为3～20、分子量分布指数为1.3～1.8的酚醛树脂，其游离甲醛含量≤0.3％。

[0042] 为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

[0043] 实施例1

[0044] 酚醛树脂合成装置

[0045] 本实施例提供了一种具有图1所示结构的酚醛树脂合成装置，该装置包括控温反应器1、微波反应器2和循环泵3。

[0046] 在本实施例中，加热釜1为设置有控温机构的反应釜，其控温机构包括用于对釜内物料进行加热的加热单元和用于监测釜内物料温度的的测温单元，所述加热单元包括设置在加热釜1腔体内的电阻丝。在本实施例中，加热釜1的腔体上设置有原料进口11、反应液进口12和反应液出口13。其中，原料进口11和反应液进口12设置在加热釜1腔体的顶部，反应液出口13设置在加热釜1腔体的底部。在本实施例中，加热釜1的腔体内还设置有搅拌器14，用于对腔体内的物料进行搅拌。在本实施例中，加热釜1的腔体上还设置有产物出口。在实施例中，加热釜1的容积为5L。

[0047] 在本实施例中，微波反应器2的壳体内腔设置有盘管21和微波发生器22。其中，盘管21为双层结构，包括内管22和外管23。在本实施例中，内管22为反应液通道，外管23为冷却液通道。在本实施例中，内管22的内径为10mm，外管23的内径为15mm。在本实施例中，内管22的壁厚为2mm。在本实施例中，加热釜1的腔体容积与微波反应器2中内管22容积的比为
10:1。在本实施例中，微波发生器22用于对盘管21施加微波，其具体设置位置没有限定。

[0048] 在本实施例中，内管22的进液端与加热釜1的反应液出口13相连，内管22的出液端与加热釜1的反应液进口12相连，反应液出口13与内管22进液端的连接管路上设置有循环泵3。在本实施例中，加热釜1腔体、内管22和循环泵3构成了循环回路，加热釜1腔体内的物料可从反应液出口13排出口通过循环泵3泵送至内管22的进液端，之后物料流经内管22并从内管22的出液端排出，最后通过内管22的出液端与反应液进口12的连接管路返回加热釜1腔体内。

[0049] 装置使用时，首先将反应原料加入到加热釜原料进口，之后启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，原料在加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应，最终得到酚醛树脂产品。

[0050] 实施例2

[0051] 酚醛树脂的合成

[0052] 首先将制备酚醛树脂的原料加入实施例1的合成装置的原料进口。其中，所述原料包括甲醛、苯酚、氢氧化钠和三聚氰胺；所述甲醛、苯酚、氢氧化钠和三聚氰胺的摩尔比为1:2：0.5：0.3。

[0053] 原料加入完毕后，启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应。合成装置运行过程中，设置加热釜的加热温度为50℃，微波发生器的微波频率为2450±50MHz，微波发生器的输入视在功率≤1.2kVA；合成装置运行过程中，外管中的冷却液采用室温条件的水，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比为1:4。合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度基本可维持在50℃。反应2h后，得到酚醛树脂产品。

[0054] 对制得的酚醛树脂产品进行分析，结果为：平均聚合度为3.5、分子量分布指数为1.5，游离甲醛含量≤0.3％。

[0055] 实施例3

[0056] 酚醛树脂的合成

[0057] 首先将制备酚醛树脂的原料加入实施例1的合成装置的原料进口。其中，所述原料包括甲醛、苯酚和氢氧化钠；所述甲醛、苯酚和氢氧化钠的摩尔比为1:2：0.5。

[0058] 原料加入完毕后，启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应。合成装置运行过程中，设置加热釜的加热温度为50℃，微波发生器的微波频率为2500±50MHz，微波发生器的输入视在功率≤1.3kVA；合成装置运行过程中，外管中的冷却液采用室温条件的水，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比为1:5。合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度基本可维持在50℃。反应1.5h后，得到酚醛树脂产品。

[0059] 对制得的酚醛树脂产品进行分析，结果为：平均聚合度为4、分子量分布指数为1.6，游离甲醛含量≤0.3％。

[0060] 实施例4

[0061] 酚醛树脂的合成

[0062] 首先将制备酚醛树脂的原料加入实施例1的合成装置的原料进口。其中，所述原料包括甲醛、苯酚和氢氧化钠；所述甲醛、苯酚和氢氧化钠的摩尔比为1:2：0.5。

[0063] 原料加入完毕后，启动加热釜，待反应釜内的温度到达设定温度且维持稳定后，开启循环泵和微波发生器，使原料在所述合成装置的加热釜腔体、内管和循环泵构成的循环回路中循环并进行反应。合成装置运行过程中，设置加热釜的加热温度为50℃，微波发生器的微波频率为2400±50MHz，微波发生器的输入视在功率≤1.0kVA；合成装置运行过程中，外管中的冷却液采用室温条件的水，内管中反应液流量与外管中冷却液流量的比为1:3。合成装置运行过程中，加热釜的腔内温度基本可维持在50℃。反应3h后，得到酚醛树脂产品。

[0064] 对制得的酚醛树脂产品进行分析，结果为：平均聚合度为3、分子量分布指数为1.4，游离甲醛含量≤0.3％。

[0065] 对比例1

[0066] 酚醛树脂的合成

[0067] 仅采用实施例1中的加热釜制备酚醛树脂，具体过程中为：

[0068] 首先将制备酚醛树脂的原料加入加热釜的原料进口。其中，所述原料包括甲醛、苯酚和氢氧化钠；所述甲醛、苯酚和氢氧化钠的摩尔比为1:2：0.5：0.3。

[0069] 原料加入完毕后，启动加热釜，加热釜的腔内温度控制在50℃，反应5h后，得到酚醛树脂产品。

[0070] 对制得的酚醛树脂产品进行分析，结果为：平均聚合度为2.5、分子量分布指数为1.4，游离甲醛含量为1.5％。

[0071] 对比例2

[0072] 对实施例1中的加热釜进行改造，在反应釜的腔体内增设微波发生器，采用改造后的加热釜制备酚醛树脂，具体过程中为：

[0073] 原料加入完毕后，启动加热釜，设置反应釜的加热温度为50℃，微波发生器的微波频率为2450±50MHz，微波发生器的输入视在功率≤1.2kVA。反应过程中，反应釜的腔内温度剧烈波动，难以维持在50℃，反应2h后，得到酚醛树脂产品。

[0074] 对制得的酚醛树脂产品进行分析，结果为：聚合度为8、分子量分布指数为1.9，游离甲醛含量为0.3％。

[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。