Аминосмолы (, — в химической промышленности термореактивные синтетические смолы, продукт поликонденсации соединений, содержащих аминогруппы вида R—NH2, с альдегидами вида R′—CHO, чаще всего — с формальдегидом.
Наравне с названием аминосмолы употребляются также названия амино-альдегидные смолыРекомендация Коллегии Евразийской экономической комиссии от 12.03.2013 N 4 (ред. от 02.12.2014) — Том II. — Раздел VII. — Группа 3909., аминоформальдегидные смолы«ОК 005-93. Общероссийский классификатор продукции» — код 2223002., аминопласты. В России название аминопласты официально перешло к веществу пластмасс на основе аминосмолГОСТ 2488-81 — стр. 9., хотя в научной литературе и в практическом употреблении термины аминосмолы и аминопласты взаимозаменяемыХимические системы: полимеры — Реактопласты. Аминопласты..
Учёными синтезировано более десятка аминосмол. Самое широкое промышленное применение нашли аминосмолы на основе реакции формальдегида с карбамидом (карбамидоформальдегидная смола, КФ) и меламином (меламиноформальдегидная смола, МФ) или их сочетания (МКФ), — вместе их производство составляет почти 100 % всех производимых в мире аминосмолLaurence L. Williams, Amino Resins // Encyclopedia Of Polymer Science and Technology. — Published Online: 15 march 2002.. Аминосмолы на основе меламина значительно дороже, чем на основе карбамида, но и заметно качественнее.
Промышленное производство началось в 1920 году. Бо́льшая часть употребляется в производстве ДСП, МДФ и фанеры; значительная часть употребляется при производстве пластмассовых изделий, клеёв, лаков, красок, облицовочных материалов, в производстве искусственных утеплителей и электроизоляции; в виде облагораживающих добавок употребляются в текстильной, бумажной и кожевенной промышленности.
В сфере применения аминосмолы и материалы на их основе конкурируют с фенопластами. Главное конкурентное преимущество аминопластов перед фенопластами — неограниченный выбор цвета изделий. Главный недостаток — чуть меньшая влагостойкость. Мировой объём производства аминосмол и аминопластов в абсолютном выражении неуклонно рос: с 800 тыс. тонн в начале 1960-х до 5 млн тонн в начале 2010-х. Однако из-за открытия и развития новых синтетических материалов доля аминопластов в общей массе полимеров неуклонно снижалась: с 9-15 % до 4-6 % за тот же период. В своём классе, — среди реактопластов, — в 2010-м году по объёмам производства и потребления аминопласты занимали второе место после полиуретанаИстория и рынки . Глава 1. Исторические этапы развития промышленности полимерных материалов. Современное состояние полимерной промышленности в мире и на Украине // Харьковский политехнический институт. Центр новых информационных технологий. — 26.02.2014. — с. 8. — электронный ресурс.
История Первым исследование реакции формальдегида с карбамидом, в результате которой удалось выделить метиленмочевину, опубликовал немецкий учёный Хёльцер () в 1884 году. В 1891 были открыты и описаны оксиметильные соединения этой реакции. В 1896 году немецкий учёный Гольдшмидт () изучил влияние на реакцию мольных соотношений карбамида и формальдегида. В дальнейшем изучение и описание структуры метилольных соединений, образующихся при реакции в щелочной и активно реагирующих в кислой среде, позволило продолжить эксперименты уже с этими соединениями, в результате которых химик из Праги Джон () в 1918 году запатентовал способ производства особой, прозрачной, синтетической смолы, и в 1920 на основе этого патента было запущено её производство.
Патент Джона был сформулирован таким образом, что оставлял возможность продолжить изучение различных амино-альдегидных смол в поисках способа производить из них органическое стекло. Такую задачу ставил себе учёный-химик Поллак (F. Pollak), проводивший многочисленные опыты в течение 1920—1924 годов. Он экспериментировал с отношениями масс, температурой, кислотностью среды, с различными добавками и наполнителями. Существенно обогатив научный опыт, он так и не добился качеств литой смолы, нужных для оргстекла.
Всё же, в 1927 году Поллак патентует способ производства аминосмолы на основе конденсации формальдегида с меламином (МФ). Материалы из этой смолы превосходили такие же из КФ по всем показателям, но были существенно дороже. В том же году для всех продуктов конденсации амино-альдегидных соединений было предложено название «аминопласты» — по аналогии с названием «фенопласты» для конденсатов фенолформальдегидных соединенийManfred O., Obrist J. Kolloid-Z, 1927. Открытие в 1935 году более дешёвого меламина позволило запустить производство аминопластов на основе МФ.
Серьёзным шагом вперёд стало предложение производить из аминосмол полуфабрикаты для пластмассовых изделий — пресс-материалы (синтетические порошки и гранулы). Первые пресс-материалы из КФ появились на рынке в 1928, из МФ — в 1938. С тех пор объём мирового производства аминосмол увеличивался с каждым десятилетием, пережив даже некоторый бум в 1950-х годах в связи с модой на пластиковую посуду из МФSteve Akhurst The Rise and Fall of Melamine Tableware // plastiquarian.com — Summer 2004, и достиг к началу 2010-х годов 5 млн тонн в год. Причём, доля МФ, повышенные качества которых находят всё более широкое применение, в общей массе аминопластов проявляет устойчивую тенденцию к росту.
В России производство аминосмол и материалов на их основе динамично развивалось в послевоенный период. В 1960 году был утверждён ГОСТ для производства пресс-материалов из аминосмол, взамен которого в 1972 и в 1980 утверждались новыеГОСТ 9359-80 «Массы прессовочные карбамидо- и меламиноформальдегидные. Технические условия». В 1988 был утверждён ГОСТ и для производства КФ.
Химическая структура и свойства
Изучение химической структуры аминосмол представляет некоторые трудности из-за высокой чувствительности реакции к качеству реагентов, их количеству, температуре и кислотности. Фактически, каждый раз конденсат имеет уникальную структуру. ГОСТом предусмотрено обязательное указание номера партии аминосмолы, полученной в ходе поликонденсации. Смо́лы разных производителей, а иногда одного и того же, скорее всего будут иметь немного различные свойстваКондратьев В. П., Чубов А. Б., Голубева Е. Л., Беляев Н. В.,Меламиноформальдегидные смолы // ООО «ЦНИИФ», 2005. Вещество описывается формулами идеального вида, при этом природа некоторых явлений синтеза отдельных амино-альдегидных смол остаётся спорной или неясной, особенно, в присутствии добавок. Наилучшим образом изучены КФ и МФ смолы, также представляется достаточно изученным общий принцип реакции.
Реакция взаимодействия альдегида или амида с соединениями, содержащими аминогруппы, протекает в две стадии. На первой так или иначе образуются метилольные соединения и их производные. На следующей эти метилольные соединения вступают между собой или со свободными атомами водорода в реакцию поликонденсации, в результате которой образуется смола. При дальнейшем нагревании смола необратимо твердеет, образуя нерегулярно разветвленный трехмерный сшитый полимер, что и позволяет использовать её в качестве материала.
Свойства смолы напрямую зависят от условий реакции: реагенты, концентрация раствора, его температура, кислотность и время реакции — наиболее важные параметры, управляя которыми получают то или иное качество. В общем случае, аминосмолы прозрачны или полупрозрачны, хорошо окрашиваются, не имеют запаха, сшиваясь при нагревании приобретают высокую твёрдость, водо-, цвето- и свето- стойкость, негорючи, упорны к воздействиям органических растворителей и внешней среды и к повышенной температуре.
Кроме карбамида и меламина для получения аминосмолы в реакциях поликонденсации с формальдегидом в качестве сырья могут использоваться: тиокарбамид, бензогуанамин, циануровая или парабановая кислота, гуанидин, толуолсульфамид, бутилуретан, циандиамид, фуран, анилин и другие аминосодержащие соединения или их производные, — некоторые из этих аминосмол в сравнительно небольших количествах изготавливаются и применяются в специфических случаях. Сдерживающим фактором для использования таких аминосмол является цена или сниженный показатель какого-нибудь существенного свойства.
Применение Аминосмолы могут выпускаться в виде жидкости, — так называемого предполимера или конденсата, — в виде суспензий или в виде сухого порошка. В зависимости от дальнейшего применения выпускаются модифицированные (разбавленные специальными добавками), немодифицированные и лаковые (модифицированные под производство лаков) аминосмолы. В чистом виде почти не употребляются. Зачастую линии по производству изделий на основе аминосмол организуют таким образом, чтобы вся производимая смола тут же и потреблялась.
Клеи на основе аминосмол Почти 60 % производимых аминосмол употребляется для производства клеёв, которые используются в дерево-обрабатывающей промышленности при изготовлении ДСП, МДФ и фанеры, а также в мебельной промышленности — для фиксации стыков, нанесения декоративной облицовки и футеровки. В основном, это клеи на основе КФ, как наиболее простые в изготовлении и применении и доступные по цене. Когда требования к изделиям повышаются, применяются клеи на основе МФ или смеси КФ с МФ — МКФ. Главные их преимущества — это дешевизна основного сырья, отличная адгезия ко всем видам древесины, широкий диапазон рабочих температур (от 10°С до 150°С), прочность клеевого шва, равная прочности склеиваемой древесины, и хорошая водо- и износостойкость.
Первые опыты по изготовлению клея из КФ начались ещё в конце 1920-х годов, фирмой «Farbenindustry AG». В 1931 году в Германии появился клей на основе КФ под названием «Каурит». Это был первый синтетический клей в мире, — он производится и по сей день25.10.2015. В каждом конкретном случае аминосмола, взятая за основу для клея, проявляет те или другие свои недостатки, которые преодолеваются добавлением к основе различных модификаторов, стабилизаторов, пластификаторов, отвердителей и наполнителей. Полезный эффект могут давать добавки самого неожиданного происхождения. К примеру, в качестве наполнителя, уменьшающего абсорбцию клея, используют муку из скорлупы грецкого ореха, в то время как гороховая мука позволяет увеличить толщину клеевого шва в сотню раз, — до 2,5 мм; добавление же гидролизованного кровяного белка позволяет получить так называемый вспенённый клей и сократить обычный расход клея при производстве фанеры почти вдвоеКлей на основе карбамидоформальдегидных смол // prioritetinvest.ru — электронный ресурс строительной фирмы.
Клеи на основе МФ, как и во всех остальных случаях, качественнее и дороже. Для снижения стоимости ищут оптимальную долю МФ, добавляемую в КФ. — К примеру, 3 % достаточно, чтобы увеличить стойкость клея из КФ к кипящей воде в два раза. Клеи на основе МФ и МКФ применяются в изготовлении фанер повышенного качества, востребованных в судо-, яхто- и самолётостроении.
Часто используются при производстве клеёв и прочие аминосмолы, но в гораздо меньших объёмах. Клеи изготавливаются в виде суспензий и сухих порошков.
Пресс-материалы на основе аминосмол Вторым по значению и объёмам рынком аминосмол является производство пресс-материалов — порошков, гранул и волокнистых пучков, используемых для изготовления методом горячего прессования или литья пластмассовых изделий. Технологии здесь столь же разнообразны, как и при производстве клеёв, а сфера применения ещё шире: от пуговиц до деталей в ракетостроении, от колечек для бюстгальтеров до корпусов лёгких катеров. Ценнейшие качества пластмасс на основе аминосмол — это неограниченный выбор цвета изделий, включая прозрачный, и непревзойдённые показатели стойкости к вихревым токам и электрической дуге.
Первые пресс-материалы на основе КФ появились в 1928 году в Англии и США. В 1939 в Швейцарии научились делать доступные по цене пресс-материалы и на основе МФ. С тех пор эти смолы остаются преимущественным сырьём для пластмасс из аминосмол.