利用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑的合成*

高 燕，吳偉佳

（1.咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源化工研究所，陜西 咸陽(yáng) 712000；2.楚門(mén)中學(xué)，浙江 臺(tái)州 318000）

前 言

由于外界環(huán)境影響、反應(yīng)殘留等因素使得酚醛樹(shù)脂膠黏劑及其制品在使用過(guò)程中不斷釋放出游離甲醛。這對(duì)生態(tài)環(huán)境及人類(lèi)身體健康是很有危害的。但其以低廉的價(jià)格，良好的粘接性，在膠黏劑市場(chǎng)上占有較大比重。不能從根本上解決甲醛殘留問(wèn)題，會(huì)造成生產(chǎn)成本的增加，而繼續(xù)使用酚、醛來(lái)合成樹(shù)脂，這無(wú)論對(duì)環(huán)境還是操作者都會(huì)造成極大的傷害[1～3]。

在此篇論文中，我們利用響應(yīng)面分析的辦法對(duì)蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑這種新型綠色環(huán)保樹(shù)脂膠黏劑的合成條件進(jìn)行優(yōu)化。這項(xiàng)研究將為新型綠色樹(shù)脂的規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要原料與試劑

蔗糖：浙江產(chǎn)，市售；對(duì)甲酚：（分析純），天津市化學(xué)試劑三廠(chǎng)；濃鹽酸：（分析純），鄭州派尼化學(xué)試劑廠(chǎng)；鄰苯二甲酸酐：（分析純），西安化學(xué)試劑廠(chǎng)；順丁烯二酸酐：（分析純），西安化學(xué)試劑廠(chǎng)。

1.2 儀器與設(shè)備

NDJ-1型旋轉(zhuǎn)黏度儀：上海精密儀器科技公司；JJ-1型電動(dòng)攪拌器：常州固華電器有限公司；DHG-9035A型恒溫干燥箱：上海益恒實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

1.3 蔗糖對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑的合成方法

在裝有電動(dòng)攪拌器、回流冷凝管及溫度計(jì)的250mL三頸燒瓶中，按一定比例加入對(duì)甲酚、蔗糖、催化劑和水；恒定速率下微熱攪拌，待全部溶解后升溫至特定溫度，恒溫反應(yīng)一段時(shí)間，停止反應(yīng)后降至室溫，即得蔗糖對(duì)甲酚樹(shù)脂。產(chǎn)物為帶有顏色的透明黏稠液體[4]。

對(duì)已合成的蔗糖對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑中加入一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固化劑，在某溫度下加熱一段時(shí)間后即可固化。

1.4 蔗糖對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑最佳合成條件的確定

根據(jù)蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，確定還需要進(jìn)行催化劑用量、反應(yīng)溫度的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步確定響應(yīng)面水平因素。應(yīng)用minitab軟件，選取4因素2水平全因子的響應(yīng)面分析優(yōu)化方法，中心點(diǎn)做5次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，共需31次實(shí)驗(yàn)[5]。利用響應(yīng)面分析結(jié)果，確定最優(yōu)的蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑合成條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

根據(jù)蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑的合成方法設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]，最佳條件為蔗糖與對(duì)甲酚的物質(zhì)的量比為4.0∶1，催化劑用量為8.0%，反應(yīng)溫度為75℃，反應(yīng)時(shí)間為5h。

2.1.1 催化劑量的再優(yōu)化

正交實(shí)驗(yàn)中催化劑用量為8%時(shí)樹(shù)脂的黏度最大。我們繼續(xù)取催化劑用量8%、9%、10%、11%、12%為單項(xiàng)因素，測(cè)定結(jié)果趨勢(shì)圖如圖1所示。

圖1 催化劑用量的單項(xiàng)再優(yōu)化Fig.1 The further optimization of amountof catalyst

由圖1可以看出，在催化劑量為8%以后，變化比較平緩，而且繼續(xù)增加催化劑用量會(huì)增加樹(shù)脂膠黏劑的色澤以及成本，故催化劑用量仍選為8%為宜。

圖2反應(yīng)溫度的單項(xiàng)再優(yōu)化Fig.2 The further optimization of reaction temperature

2.1.2 反應(yīng)溫度的再優(yōu)化

正交實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)溫度為75℃時(shí)樹(shù)脂的黏度最大。我們繼續(xù)取反應(yīng)溫度75℃、70℃、65℃為單項(xiàng)因素，測(cè)定結(jié)果趨勢(shì)圖如圖2所示。

由圖2以看出，反應(yīng)溫度為75℃時(shí)黏度最高。75℃以下時(shí)黏度下降很快，可能由于溫度過(guò)低，縮合反應(yīng)速度減慢，故選取溫度為75℃為宜。

2.2 蔗糖-對(duì)甲酚合成過(guò)程響應(yīng)面分析

2.2.1 中心復(fù)合設(shè)計(jì)法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

表1 蔗糖-對(duì)甲酚合成實(shí)驗(yàn)因素水平表及編碼Table 1 The factors levels and coding of the sucrose-p-cresol synthesis experiment

表2 蔗糖-對(duì)甲酚合成實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果Table 2 The arrangementand results of sucrose-p-cresol synthesis experiment

2.2.2 模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

應(yīng)用minitab軟件,對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，選擇對(duì)響應(yīng)值顯著的各項(xiàng)，可得催化劑用量%、原料比mol:mol、反應(yīng)溫度℃、反應(yīng)時(shí)間h與黏度mpa·s間的二次多項(xiàng)回歸方程：

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果顯示該模型回歸顯著（P<0.0001），方程的X12響應(yīng)最顯著，X4響應(yīng)不顯著,其他都響應(yīng)顯著，且該模型的R2=0.9469、RAdj2=0.9004,說(shuō)明該模型與實(shí)驗(yàn)值擬合較好,可用于蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑合成條件的理論預(yù)測(cè)。

2.2.3 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑合成條件模型的有效性，在催化劑用量%、反應(yīng)溫度℃、反應(yīng)時(shí)間h、原料比mol:mol與黏度mPa·s的試驗(yàn)水平范圍內(nèi)，選擇4個(gè)組合進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[7]，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相吻合極好,用此模型來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用具有非常好的效果。

表3 模型驗(yàn)證結(jié)果Table 3 The verification results ofmodel

2.1.4 因素水平的優(yōu)化

由回歸方程所作的響應(yīng)曲面圖，見(jiàn)圖3。通過(guò)該組圖即可對(duì)任何兩因素交互影響水解轉(zhuǎn)化率的效應(yīng)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),并從中確定最佳因素水平范圍。

通過(guò)該組圖即可對(duì)任何兩因素交互影響蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑合成條件進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)[8]。對(duì)回歸方程求一階偏導(dǎo)數(shù)，當(dāng)響應(yīng)值Y有最大值時(shí)可求 得 各 因 素 的 水 平 ：X1=0.39287，X2=0.03311，X3=-0.19145，X4=-0.05689。轉(zhuǎn)換后得到最佳反應(yīng)條件為：催化劑用量為8.39%，反應(yīng)溫度為75.33℃，反應(yīng)時(shí)間為4h48min,物料比為3.94∶1。在此條件下理論預(yù)測(cè)蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑合成率接近100%。

圖3 交互項(xiàng)因素響應(yīng)曲面圖Fig.3 The response surface graphs of interaction factors

3 結(jié)論

采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化蔗糖-對(duì)甲酚樹(shù)脂膠黏劑的合成工藝，得最佳工藝條件為：催化劑用量為8.39%，反應(yīng)溫度為75.33℃，反應(yīng)時(shí)間為4h48 min，物料比為 3.94∶1。

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