Химия и производство: Искусственные смолы и искусственный шеллак

     Общие сведения
Различные природные смолы имеют широкое применение в лаковарочной промышленности. Так как источник их получения постепенно убывает, они становятся технически малодоступными продуктами. Это обстоятельство послужило причиной появления в химической промышленности новой отрасли, а именно производства синтетических смол. К производству последних относится получение искусственных шеллаков или новолаков, как их еще называют. Получение этих продуктов основано главным образом на конденсации фенола и его производных с формальдегидом или с другими альдегидами.


Продукты реакции фенола с формальдегидом

     Уже давно было известно, что при взаимодействии (конденсации) формальдегида с фенолами получаются различные смолообразные соединения. Эти смолы в зависимости от условий реакции, количественного соотношения взятых продуктов, а также состава конденсирующего вещества (катализатора) обладают различными физическими и химическими свойствами. Некоторые из них легкоплавки и легко растворяются в спирту, ацетоне, водном растворе едкого натра и т. д. и применяются, как новолаки или искусственные шеллаки. Другие нерастворимы, неплавки и служат как поделочный материал для различных целей (бакелит, резинит и т. д.).


Главные исходные материалы

     Фенол или карболовая кислота, содержащаяся в каменноугольном дегте, представляет собой бурое масло с очень резким запахом. Чистый фенол представляет собой кристаллическую массу с температурой плавления 45.5° и температурой кипения 182.9°.

     Крезол - метилфенолы С₆Н₄СН₃ОН - содержится в каменноугольной и в буроугольной смоле. Различают три изомерных формы крезолов: ортокрезол, паракрезол и метакрезол.

     Ортокрезол образует бесцветные кристаллы, имеет запах фенола. Температура плавления - 31°; температура кипения - 188°.

     Формальдегид - бесцветный едкий растворимый в воде газ, образующийся при окислении метилового спирта. В продаже встречается в виде формалина, который представляет собой раствор формальдегида в воде и обычно содержит 40% последнего. Последние исследования показали, что вместо фенола и крезолов можно брать также и производные этих веществ. Вместо формальдегида - другие альдегиды, а также кетоны.


Конденсирующие агенты или катализаторы

     Конденсирующие агенты действуют как катализаторы, т.е. принимают только временное участие в реакции. По окончании реакции эти вещества иногда удаляются из полученного продукта. Различают кислые и основные катализаторы. К кислым агентам принадлежат кислоты, кислые соли и вообще любые соли, которые могут при гидролизе производить кислую реакцию. Хлористый аммоний (нашатырь) относится к кислым катализаторам, так как при действии на него формальдегида выделяется соляная кислота.

     К щелочным агентам принадлежат щелочи и щелочно-реагирующие соли, а также соли, которые при гидролизе расщепляются на слабую кислоту и сильное основание. По исследованию Бакелянда кислые катализаторы способствуют образованию шеллаков, между тем как щелочи дают по преимуществу смолы типа бакелита.

     Процесс получения шеллака
Для получения шеллаковой смолы берут:

Фенола 50 вес. ч.

Формальдегида от 40 до 60 вес. ч.

Соляной кислоты от 1 до 5 вес. ч.

     Все составные части помещают в сосуд подходящего размера. При достаточном количестве конденсирующих веществ реакция может начаться при обыкновенной температуре, причем происходит разделение жидкой смеси на два слоя: один водянистый, состоящий из отделившейся воды и растворимых в воде веществ, и маслянистый слой, содержащий начальные продукты конденсации. На практике для ускорения реакции смесь слабо нагревают.

     Во избежание потери летучих составных частей из смеси нагревание производят в закрытом сосуде, снабженном обратно поставленным холодильником, т. е. пары, подымаясь вверх по трубке, охлаждаются водой и, сгущаясь в жидкость, стекают обратно в реакционный котел.

     По мере нагревания вязкость маслянистого слоя увеличивается. Нагревание прекращают, когда достигается густая консистенция. Можно маслянистую массу отделить от водного слоя или можно подвергнуть все вместе выпариванию до тех пор, пока масса при обычной температуре не будет твердой, и, следовательно, обойтись без разделения слоев. Полученная таким образом масса бесцветна или окрашена в желтый цвет, плавится, легко колется и растворима в алкоголе, ацетоне, феноле и растворе едкого натра.


Способ заводов Германии (1927 г.)

     По этому способу искусственный шеллак приготовляется следующим образом:

     Смешивают 10 вес. ч. ортокрезола, 7 вес. ч. продажного формалина (содержит 40% формальдегида), 10 вес. ч. воды и прибавляют 0.4 вес. ч. крепкой соляной кислоты. Полученную смесь нагревают в течение нескольких часов при постоянном помешивании. Полученный смолообразный продукт отделяют от водянистой части и промывают горячей водой или продолжительным действием водяного пара.

     Полученная таким образом смола окрашена от желтого до светло-коричневого цвета, легко растворяется в метиловом спирту, ацетоне, сероуглероде, эфире, хлороформе и т. д.; растворима в разбавленных щелочах, труднее растворяется в бензоле и терпинеоле; нерастворима в скипидаре, жирных кислотах и маслах. Лаки, приготовленные на искусственном шеллаке, дают быстровысыхающую, очень блестящую поверхность.

     Следующий способ имеет целью получение продуктов конденсации фенола или его гомологов с альдегидами и применение этих продуктов для изготовления лаков.

     При конденсации крезолов с формальдегидом в присутствии щелочей получаются продукты, растворимые лишь в спирту и поэтому не поддающиеся смешиванию, например со смолами, нерастворимыми в спирту. Спиртовые растворы их могут служить лаками для покрытия металлов при нагревании, но они не пригодны для покрытия эластичных предметов, например фибры, тонкого железа, брезента, картона и т. п. Если конденсацию вести в присутствии уксусносвинцовой соли, то получается продукт, растворимый и в спирту и в бензоле, смешивающийся е обычными смолами и дающий при нагревании твердые, эластичные покровы.

Пример

Крезоловой кислоты 100 вес. ч.

Формалина 40% 130 вес. ч.

Уксусносвинцовой соли 15 вес. ч.

     Все нагревают до кипения в сосуде с холодильником; после того как наступит момент конденсации (густая, затвердевающая масса), нагревание прекращают, лак отделяют от водного слоя и уваривают до желаемой густоты.