三聚氰胺-尿素-甲醛共缩聚树脂的量子化学计算及合成反应机理研究

The chemical procedure of melamine-urea-formaldehyde resin is a complicated system because a number of competing or parallel reactions may take place at the same time, thus the control of synthesis and performance of MUF resin present great complexity. For obtaining the potential energy surfaces and the reactivity of the reactive intermediates, quantum chemistry computation will be emplyed in this project. With quantum theoretical calculations,the mechanisms of the reactions can be investigated and the information about the geometries, electronic structures and the stability of the reactants,intermediates,transition states and the products can be obtained. Experimental kinetic study will also be performed to obtain the kinetics data and product distribution. Based on the theoretical and experimental results, a kinetics model will be established. With this model,the effects of reaction conditions, like solvent, molar ratio, catalysis,temperature and reaction time, on the selectivity and competitiveness of the reactions can be evaluated.Some theoretical problems in the synthesis of resins will be resolved and the theory system will be more perfected. The introduction of quantum theoretical methods to the field of MUF resins can overcome the difficulties of the experimental studies. The results of this project will provide theoretical supports to the design of synthetic route, exploration of structure control and optimization of performance.

三聚氰胺-尿素-甲醛共缩聚（MUF）树脂合成过程中存在大量竞争或平行反应，这些反应导致合成过程和树脂性能控制变得十分困难，了解竞争反应机制是突破MUF树脂合成的关键。通过量子化学计算，研究各基元反应的势能面和中间产物的反应活性，探索竞争反应的可能途径及微观历程，获得反应物、中间体、过渡态和产物的几何结构、电子结构和稳定性等信息。结合理论计算结果，开展反应动力学实验研究，获得反应级数、活化能、速率常数和产物分布等数据。基于理论计算和动力学实验结果建立树脂合成反应动力学模型，评价溶剂、反应物摩尔比、催化剂、温度、反应时间等条件对反应选择性和竞争性的影响，阐明MUF树脂结构的形成机理，完善树脂合成的理论体系。量子化学方法的引入可回避实验研究树脂合成机理的主要困难，可为树脂合成研究提供新的研究手段、开辟新的研究方向。研究结果可为MUF树脂合成路线设计、树脂结构控制与性能优化提供理论指导。

在尿素-甲醛树脂（UF）合成过程中添加一定量的三聚氰胺合成三聚氰胺-尿素-甲醛（MUF）共缩聚树脂可以改善UF树脂的性能。但由于共缩聚反应十分复杂，其中包含了大量的竞争反应。这些反应的竞争关系受实验条件影响的机制并不清楚，导致合成过程和树脂结构控制变得十分困难。有关共缩聚反应在何种条件下发生，在国际上尚存分歧。项目研究在国际上首次将量子化学方法引入到树脂合成化学研究领域，对UF、MF和MUF三种氨基树脂的合成反应机理进行了理论计算，获得了各种可能反应的微观历程、热力学和动力学信息，结合实验研究最终阐明了三种树脂的合成反应机理和树脂结构与反应条件间的关系。特别是，阐明了MUF反应体系中自缩聚与共缩聚反应在不同pH条件下的竞争关系，明确了共缩聚结构有效形成主要实验条件。研究成果具有重要的理论价值，同时为今后生产上实现树脂合成工艺的改进和革新提供了可靠的理论和实验依据。