阅读说明：本技术 一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂及其制备方法及应用 (Hydroxymethylated melamine formaldehyde resin and preparation method and application thereof ) 是由 陈明军 刘幸雅 汪婷 叶桃萍 黄保桃 肖瑶 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及精细化工和阻燃材料技术领域,具体涉及一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉的制备方法及应用。本发明提供一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的制备方法,所述制备方法包括如下步骤：(1)先将三聚氰胺和甲醛溶液加入反应容器中,再加入蒸馏水使体系的固含量保持在10～50％；然后控制反应温度为40℃～95℃,搅拌反应0.5～6h；(2)反应结束后,将盛装反应溶液的反应容器通过冷冻将反应溶液转变为固体反应物；(3)最后将所得固体反应物通过干燥得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。本发明提供一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的制备方法,利用该方法制得的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂具有高羟基含量和高产率的特点。(The invention relates to the technical field of fine chemical engineering and flame-retardant materials, in particular to a preparation method and application of hydroxymethylated melamine formaldehyde resin powder. The invention provides a preparation method of hydroxymethylated melamine formaldehyde resin, which comprises the following steps: (1) firstly, adding melamine and formaldehyde solution into a reaction container, and then adding distilled water to keep the solid content of the system at 10-50%; then controlling the reaction temperature to be 40-95 ℃, and stirring for reaction for 0.5-6 h; (2) after the reaction is finished, the reaction vessel containing the reaction solution is frozen to convert the reaction solution into a solid reactant; (3) and finally, drying the obtained solid reactant to obtain hydroxymethylated melamine formaldehyde resin powder. The invention provides a preparation method of hydroxymethylated melamine-formaldehyde resin, and the hydroxymethylated melamine-formaldehyde resin prepared by the method has the characteristics of high hydroxyl content and high yield.)

一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂及其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及精细化工和阻燃材料技术领域，具体涉及一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉的制备方法及应用。

背景技术

通过控制三聚氰胺与甲醛的反应条件，可以分别获得羟甲基胺树脂、甲醚胺树脂和亚甲基胺树脂。羟甲基胺树脂具有较好的水溶性，且易自交联固化，常被用作织物和纸张的整理剂，赋予其防水、防缩、防皱功能。目前，工业上常用结晶、离心分离、蒸发干燥等方法除去羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂(简称羟甲基胺树脂)溶液中的水分，从而制得其粉末，如中国专利“201010561762.0”，“201010122554.0”，“2016104656216”，“201810320523.2”。然而，已报道的制备方法存在以下缺点：(1)制备过程中，因无法避免温度的升高和pH值的降低，使羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂易交联固化，从而降低羟甲基胺树脂中的羟甲基含量。(2)由于羟甲基胺树脂溶液中含有大量的氢键，难以通过上述方式分离出全部的羟甲基胺树脂，从而产率较低。中国专利“201010122554.0”中提到其产率只有30％。

另外，利用羟甲基胺树脂易缩聚交联反应形成甲醚胺树脂和亚甲基胺树脂的特性，其被广泛用于制备三聚氰胺共聚树脂、三聚氰胺泡沫，以及表面处理剂。然而，直接将羟甲基胺树脂用于制备高分子复合材料，以增强材料的力学性能和成炭性能方面的应用却尚未有相关报道。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的制备方法，利用该方法制得的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂具有高羟基含量和高产率的特点，并且所得产品由于具有高羟基含量与聚醚、聚酯型高分子材料有良好相溶性，分子中的羟甲基能自身脱水成炭具有很好成炭性，可作为膨胀阻燃材料的成炭剂，分子中含有刚性的三嗪环，在热塑性材料中增强其抗拉强度。分可直接与其他高分子材料复配制备高分子复合材料。

本发明的技术方案：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)先将三聚氰胺和甲醛溶液加入反应容器中，再加入蒸馏水使体系的固含量保持在10～50％；然后控制反应温度为40℃～95℃，搅拌反应0.5～6h；其中，三聚氰胺和甲醛的摩尔比为1：2～1：7；整个反应过程中反应体系的pH值为8～11；

(2)反应结束后，将盛装反应溶液的反应容器通过冷冻将反应溶液转变为固体反应物；

(3)最后将所得固体反应物通过干燥得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

进一步，步骤(2)中，所述冷冻采用置于速冻冰箱或液氮中的冷冻方式。

进一步，步骤(1)中，采用碱溶液调控反应体系的pH值为8～11；优选为8～9。所述碱溶液中的碱选自氢氧化钠或碳酸钠。

进一步，步骤(1)中，所述甲醛溶液的浓度为37wt％。

优选的，步骤(1)中，所述三聚氰胺与甲醛摩尔比为1：3。

优选的，步骤(1)中，体系的固含量为20％。

优选的，步骤(1)中，所述反应温度为75～85℃。

优选的，步骤(1)中，所述反应时间1～3h。

进一步，步骤(3)中，所述干燥采用冷冻干燥或超临界干燥的方式。

更进一步，所述冷冻干燥的温度为-60℃～-80℃。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂，所述羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂采用上述制备方法制得。

进一步，所述羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂为固体。

本发明要解决的第三个技术问题是指出：上述羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂能够与其他高分子材料直接共混制备相应的复合材料。如用于增强聚氨酯、环氧树脂和聚丙烯等多种高分子材料的力学性能、成炭性，并抑制其熔滴，为羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉的使用提供一种新途径。

本发明的有益效果：

(1)采用本发明方法能制备出更稳定的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉，且羟甲基含量和产率更高；所制得的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉可再次完全溶于水中，经离心测试(3000r/min，15min)后，室温密封保存30～60天，仍澄清透明，不沉降。

(2)本发明制备的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉应用于聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯等高分子材料中，具有提升成炭性、抑制熔滴和增强力学性能的作用；此外，可用作成炭剂，与聚磷酸铵、三聚氰胺聚磷酸盐等阻燃剂复配形成膨胀型阻燃剂，以提高环氧树脂和聚丙烯的阻燃性能。

(3)本发明工艺简单、成本低、较环保、易于推广。

附图说明：

图1为实施例1中摩尔比(MOL)1：3反应1.5h羟甲基化三聚氰胺树脂在D₂O的氢谱；由图1可知：¹H NMR(300MHz，H₂O，δ/ppm)δ_-OH:4.7ppm，δ_-CH2-:3.2ppm，δ_-NH-:5.3ppm,δ_HCHO:8.0ppm。

图2为实施例1中MOL比1：3反应1.5h羟甲基化三聚氰胺树脂在D₂O的碳谱；由图2可知：¹³C NMR(300MHz,H₂O,δ/ppm)δ_N＝C＝N:163ppm，δ_-CH2OH:65ppm，δ_-CH2-O-CH2-:83ppm,δ_-NH-C-NH-:71ppm。

图3为实施例1中MOL比1：3反应1.5h的羟甲化三聚氰胺树脂的红外图；由图3可知：3360cm^-1为N-H的伸缩振动；2960cm^-1为-CH2-的伸缩振动；1560～1390cm^-1为C＝N伸缩振动；990cm^-1为O-H特征吸收的伸缩振动；并且在3600～2800cm^-1出现一个宽峰为O-H的伸缩振动。

图4为实施例1中MOL比1：3反应1.5h的羟甲化三聚氰胺树脂与三聚氰胺树脂热失重TG图；由图4可知：羟甲基化三聚氰胺树脂与三聚氰胺初始分解温度分别为148℃与251℃，最终残碳为19.5％与0.2％。

根据核磁红外数据可知：得到的三聚氰胺树脂粉末是羟甲基化三聚氰胺树脂。根据TG数据可知：得到的羟甲基化三聚氰胺树脂相对与三聚氰胺而言，初始热分解更低，残碳量更高，说明羟甲基化三聚氰胺树脂作为成炭剂能更好匹配初始分解温度更低材料。

具体实施方式

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种高羟甲基含量和高产率的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉制备方法，制备过程包括以下步骤：

(1)先将三聚氰胺和37％甲醛溶液按摩尔比为1：2～1：7加入反应瓶中，再加入蒸馏水使其理论固含量保持在10～50％；然后，控制反应温度为40℃～95℃，搅拌反应0.5～6h。整个反应过程需用碱溶液调控体系pH值为8～11；

(2)反应结束后，将反应溶液盛装并置于速冻冰箱或液氮中，将其冷冻成固体冰块；

(3)然后，将此固体冰块进行冷冻干燥或超临界干燥后；得到产率高达95％以上的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。

实施例1

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉末。所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量(固含量＝羟甲基化三聚氰胺树脂粉末/羟基化三聚氰胺树脂溶液)19.5％，产率98％，初始分解温度148℃，复溶后储存稳定性达60天。

实施例2

将63g(0.5mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入612g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。实际固含量18.7％，产率96％，初始分解温度98℃，复溶后储存稳定性达10天。

实施例3

将63g(0.5mol)三聚氰胺与284g(3.5mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入672g蒸馏水，使其理论固含量为20％。然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9。在85℃下反1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量19.6％，产率95％，初始分解温度93℃，复溶后储存稳定性达1天。

实施例4

将126g(1mol)三聚氰胺与162g(2mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入743g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量20.3％，产率96％，初始分解温度145℃，复溶后储存稳定性达60天。

实施例5

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入215g蒸馏水，使其理论固含量为50％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量50.7％，产率96％，初始分解温度157℃，复溶后储存稳定性达1天。

实施例6

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入503g蒸馏水，使其理论固含量为30％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量29.8％，产率96％，初始分解温度146℃，复溶后储存稳定性达10天。

实施例7

将63g(0.5mol)三聚氰胺与122g(1.5mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入973g蒸馏水，使其理论固含量为10％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量21.7％，产率95％，初始分解温度116℃，复溶后储存稳定性达60天。

实施例8

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在65℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量20.5％，产率95％，初始分解温度154℃，复溶后储存稳定性达30天。

实施例9

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在75℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量19.8％，产率95％，初始分解温度132℃，复溶后储存稳定性达60天。

实施例10

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入710g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应0.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量20.5％，产率96％，初始分解温度143℃，复溶后储存稳定性达10天。

实施例11

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应3h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量20.6％，产率96％，初始分解温度137℃，复溶后储存稳定性达30天。

实施例12

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应6h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量19.5％，产率98％，初始分解温度159℃，复溶后储存稳定性达10天。

对比例1

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到白色多孔块状固体。

所得三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量63％，产率99％，初始分解温度163℃，不能复溶于水。

对比例2

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，不调节pH值，测试pH值为6，在85℃下反应1.5h后，搅拌杆上缠绕大量白色丝状物，随后，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到白色丝状物。

所得三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量为6％，产率27％，初始分解温度156℃，不能复溶于水。

对比例3

将31.5g(0.25mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入332.5g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在85℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得三聚氰胺甲醛树脂实际固含量为14％，产率为68％，初始分解温度为123℃，复溶后储存稳定性达10天。(注：冷冻干燥时有大量未反应甲醛溢出，表现为刺鼻流泪)。

对比例4

将126g(1mol)三聚氰胺与243g(3mol)37％甲醛水溶液加入反应瓶中，再加入864g蒸馏水，使其理论固含量为20％；然后，采用10％质量浓度的氢氧化钠溶液调节溶液pH值，使整个反应过程pH值保持为9；在40℃下反应1.5h后停止反应，将反应液速冻成冰块后，冷冻干燥，得到羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉。

所得羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂的实际固含量20.8％，产率97％，初始分解温度224℃，复溶量少，复溶溶液储存稳定性达1天。(注：冷冻干燥时有大量未反应甲醛溢出，表现为刺鼻流泪)。

采用实施例1所制得的羟甲基化三聚氰胺甲醛树脂粉(简称MR)，分别用在水性聚氨酯(简称WPU)、环氧树脂(简称EP)、聚丙烯(简称PP)中制备复合材料。

应用例1

WPU/MR复合材料制备

制备WPU/MR复合材料方法为：使用传统丙酮法制备水性聚氨酯，以HMDI(二环己基甲烷二异氰酸酯),HDI(六亚甲基二异氰酸酯)，PTMG-2000(聚丙二醇-2000)为主要原料制备出水性聚氨酯(WPU)；随后将羟甲基化三聚氰胺树脂(MR)按照质量分数30％添加到水性聚氨酯中，通过机械搅拌混匀得到分散均匀的WPU/MR混合溶液；再将混合溶液室温下放置一天脱泡成型，最后放入60℃烘箱内将膜烘至恒重，得到透明水性聚氨酯混合膜；其具体性能指标如表1所示。

表1水性聚氨酯(WPU)复合材料性能对照表

从表1可知，添加30％的羟甲基化三聚氰胺树脂可以解决水性聚氨酯易融滴行为，并且可以使得水性聚氨酯膜拉伸强度从0.8Mpa增加到18.7Mpa，而且残碳从0.12％增加到6.65％。可以证明MR具有良好水溶性、成炭性与增强水性膜力学性能的作用。

应用例2

阻燃环氧树脂材料制备

阻燃环氧树脂材料制备的方法为：将环氧树脂(E-44)与聚磷酸铵(APP)，羟甲基化三聚氰胺树脂(MR)在85℃下使用机械搅拌搅拌30min混匀，随后加入环氧固化剂PA-650，混合均匀后倒入模具并放入80℃烘箱固化两小时，120℃下固化2小时，得到环氧树脂阻燃复合材料；其具体性能指标如表2所示。

表2阻燃环氧树脂(EP)复合材料性能对照表

名称	APP(％)	MR(％)	UL-94	LOI(％)
					EP/APP<sub>20％</sub>	20	0	NR	31
EP/APP<sub>15％</sub>/MR<sub>5％</sub>	15	5	V-0	32.5
					EP/APP<sub>12％</sub>/MR<sub>4％</sub>	12	4	V-0	28

根据表2可知，使用传统阻燃剂APP，添加量为20％时，不能使EP达到UL-94V-0阻燃要求；但将APP与MR按质量比3：1阻燃EP时，总添加量为20％，可使环氧树脂达到垂直燃烧(UL-94V-0级，氧指数(LOI)可提高到32.5％；此外，固定APP与MR的质量比3：1，获得UL-94V-0级的最低APP用量可降到12％。

应用例3

阻燃聚丙烯材料制备

制备阻燃聚丙烯材料的具体方法为：第一步，将均聚PP与APP加入到200℃的密炼机内，待三分钟后PP呈融溶态时加入MR，将搅拌转速提高到200r/min，搅拌5min后混匀取出切块待用；第二步，使用平板硫化机将切块加工成型，得到阻燃聚丙烯材料；其具体性能指标如表3所示。

表3阻燃聚丙烯(PP)复合材料性能对照表

名称	APP(％)	MR(％)	MEL(％)	UL-94	LOI(％)
						PP/APP<sub>30％</sub>	30	0	0	NR	34
PP/APP<sub>15％</sub>/MEL<sub>15％</sub>	15	0	15	NR	32.5
						PP/APP<sub>15％</sub>/MR<sub>15％</sub>	15	15	0	V-0	34

注：PP为聚丙烯，MEL为三聚氰胺

根据表3可知：当只添加30％APP时，PP不能过垂直燃烧UL-94V-0级，达不到阻燃要求；将15％APP与15％三聚氰胺(MEL)复配时仍然不能获得UL-94V-0；但添加15％APP与15％MR时，PP能达到垂直燃烧UL-94V-0级。

对比例4

采用应用例1中实验步骤，将对比例1中制备的白色块状物(注：MR-3)使用粉碎机制成粉末，再将其按照质量分数30％的量添加到水性聚氨酯中，使用机械搅拌混匀后，放置于60℃烘箱内烘至恒重，得到白色分层水性聚氨酯混合膜。

表4水性聚氨酯(WPU/MR-3)复合材料性能表

从实验现象可知，当树脂羟甲基含量过低，与材料的相容性变差，而且会出现固液分层，不能得到均质的复合材料。由表4可知，添加30％含量的MR-3不能解决复合材料的融滴问题，而且残碳与拉伸强度都相对于添加羟甲基化树脂都降低。