利用响应面分析法优化蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂的合成*

2014-07-19吴伟佳

化学与粘合 2014年2期

高燕，吴伟佳

（1.咸阳职业技术学院能源化工研究所，陕西咸阳 712000；2.楚门中学，浙江台州 318000）

前言

由于外界环境影响、反应残留等因素使得酚醛树脂胶黏剂及其制品在使用过程中不断释放出游离甲醛。这对生态环境及人类身体健康是很有危害的。但其以低廉的价格，良好的粘接性，在胶黏剂市场上占有较大比重。不能从根本上解决甲醛残留问题，会造成生产成本的增加，而继续使用酚、醛来合成树脂，这无论对环境还是操作者都会造成极大的伤害[1～3]。

在此篇论文中，我们利用响应面分析的办法对蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂这种新型绿色环保树脂胶黏剂的合成条件进行优化。这项研究将为新型绿色树脂的规模化生产提供理论依据。

1 实验方法

1.1 主要原料与试剂

蔗糖：浙江产，市售；对甲酚：（分析纯），天津市化学试剂三厂；浓盐酸：（分析纯），郑州派尼化学试剂厂；邻苯二甲酸酐：（分析纯），西安化学试剂厂；顺丁烯二酸酐：（分析纯），西安化学试剂厂。

1.2 仪器与设备

NDJ-1型旋转黏度仪：上海精密仪器科技公司；JJ-1型电动搅拌器：常州固华电器有限公司；DHG-9035A型恒温干燥箱：上海益恒实验仪器有限公司。

1.3 蔗糖对甲酚树脂胶黏剂的合成方法

在装有电动搅拌器、回流冷凝管及温度计的250mL三颈烧瓶中，按一定比例加入对甲酚、蔗糖、催化剂和水；恒定速率下微热搅拌，待全部溶解后升温至特定温度，恒温反应一段时间，停止反应后降至室温，即得蔗糖对甲酚树脂。产物为带有颜色的透明黏稠液体[4]。

对已合成的蔗糖对甲酚树脂胶黏剂中加入一定质量分数的固化剂，在某温度下加热一段时间后即可固化。

1.4 蔗糖对甲酚树脂胶黏剂最佳合成条件的确定

根据蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂的正交实验结果，确定还需要进行催化剂用量、反应温度的单项实验，进一步确定响应面水平因素。应用minitab软件，选取4因素2水平全因子的响应面分析优化方法，中心点做5次重复实验，共需31次实验[5]。利用响应面分析结果，确定最优的蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂合成条件。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

根据蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂的合成方法设计正交实验结果[6]，最佳条件为蔗糖与对甲酚的物质的量比为4.0∶1，催化剂用量为8.0%，反应温度为75℃，反应时间为5h。

2.1.1 催化剂量的再优化

正交实验中催化剂用量为8%时树脂的黏度最大。我们继续取催化剂用量8%、9%、10%、11%、12%为单项因素，测定结果趋势图如图1所示。

图1 催化剂用量的单项再优化Fig.1 The further optimization of amountof catalyst

由图1可以看出，在催化剂量为8%以后，变化比较平缓，而且继续增加催化剂用量会增加树脂胶黏剂的色泽以及成本，故催化剂用量仍选为8%为宜。

图2反应温度的单项再优化Fig.2 The further optimization of reaction temperature

2.1.2 反应温度的再优化

正交实验中反应温度为75℃时树脂的黏度最大。我们继续取反应温度75℃、70℃、65℃为单项因素，测定结果趋势图如图2所示。

由图2以看出，反应温度为75℃时黏度最高。75℃以下时黏度下降很快，可能由于温度过低，缩合反应速度减慢，故选取温度为75℃为宜。

2.2 蔗糖-对甲酚合成过程响应面分析

2.2.1 中心复合设计法实验设计方案

表1 蔗糖-对甲酚合成实验因素水平表及编码Table 1 The factors levels and coding of the sucrose-p-cresol synthesis experiment

表2 蔗糖-对甲酚合成实验安排及结果Table 2 The arrangementand results of sucrose-p-cresol synthesis experiment

2.2.2 模型的建立与显著性检验

应用minitab软件,对表2中的数据进行多元回归拟合，选择对响应值显著的各项，可得催化剂用量%、原料比mol:mol、反应温度℃、反应时间h与黏度mpa·s间的二次多项回归方程：

对回归方程进行方差分析和显著性检验，结果显示该模型回归显著（P<0.0001），方程的X12响应最显著，X4响应不显著,其他都响应显著，且该模型的R2=0.9469、RAdj2=0.9004,说明该模型与实验值拟合较好,可用于蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂合成条件的理论预测。

2.2.3 模型的验证

为了验证蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂合成条件模型的有效性，在催化剂用量%、反应温度℃、反应时间h、原料比mol:mol与黏度mPa·s的试验水平范围内，选择4个组合进行验证实验[7]，结果见表3。由表3可知，模型预测值与实测值相吻合极好,用此模型来指导实践应用具有非常好的效果。

表3 模型验证结果Table 3 The verification results ofmodel

2.1.4 因素水平的优化

由回归方程所作的响应曲面图，见图3。通过该组图即可对任何两因素交互影响水解转化率的效应进行分析与评价,并从中确定最佳因素水平范围。

通过该组图即可对任何两因素交互影响蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂合成条件进行分析与评价[8]。对回归方程求一阶偏导数，当响应值Y有最大值时可求得各因素的水平：X1=0.39287，X2=0.03311，X3=-0.19145，X4=-0.05689。转换后得到最佳反应条件为：催化剂用量为8.39%，反应温度为75.33℃，反应时间为4h48min,物料比为3.94∶1。在此条件下理论预测蔗糖-对甲酚树脂胶黏剂合成率接近100%。