Обсуждение результатов

Введение

Поликонденсация – ступенчатый процесс синтеза полимеров, протекающий по концевым функциональным группам мономеров, способных реагировать друг с другом с выделением какого-либо простого низкомолекулярого продукта.

При ступенчатом синтезе полимера его растущая цепь после каждого акта присоединения остается устойчивым соединением, процесс образования полимера протекает ступенями, молекулярная масса нарастает постепенно. Для поликонденсации размер молекулы увеличивается с относительно низкой скоростью: сначала из мономеров образуется димер, затем тример, тетрамер и т.д., которые реагируют друг с другом до полимера. Образование полимера происходит на стадии очень высокой степеи завершенности реакции (более 98%).

Процесс поликонденсации, в котором участвуют макромолекулы с 3 и более функциональными группами, приводит к образованию разветвленных или сшитых структур - трехмерная поликонденсация. Как раз такой является образование фенолоформальдегидых смол:

 

 

Цель работы: получение полимера (фенолформальдегидной смолы) в щелочной среде методом трехмерной поликонденсации.

 

Объект и методы исследования.

- фенол C₆H₅OH (M = 94,12 г/моль) – кристаллическое вещество, Т_пл = 41 ⁰С, токсичен, особенно пары.

- формальдегид CH₂O (виде 37% раствора формалина,М = 30г/моль)- бесцветная жидкость(r = 0,926 г/см³), токсичен.

- катализатор NaOH - кристаллическое вещество, токсичное.

 

Оборудование: круглодонная колба с обратным холодильником и мешалкой, термометр, фарфоровая чашка, металлическая пластинка.

 

Область применения.

Фенол-формальдегидные смолы используются при производстве древесностружечных материалов, литейных форм и стержней, производстве теплоизоляционных материалов, синтетических жирных кислот, линолеума, толя, рубероида, пергамина, пенопласта, синтетических материалов.

 

Методы исследования.

Ход работы:

1. В круглодонную колбу 250 мл, снабженную обратным холодильником и мешалкой вносим 6,23 г фенола, 3 мл дистиллированной воды и 0,210 г NaOH.

2. Содержимое осторожно перемешиваем до полного растворения фенола в растворе щелочи.

3. Затем в колбу добавляем 12 мл формальдегида и нагреваем на песчаной бане до начала кипения реакционной смеси. Раствор кипятим в течение 10 -15 минут, затем охлаждаем до t – 50 ⁰С.

4. Вводим приготовленный раствор NaOH (~ 1г) в 2,5 мл формалина и снова нагреваем до кипения, кипятим 1 – 2 минуты.

5. Полученную смолу выливаем на лист жести и охлаждаем.

 

Если формальдегид взят в избытке и среда щелочная, то преимущественно получают на первой стадии линейный полимер,содержащий метилольные свободные группы – резол.

Метилольные группы способны участвовать в реакции трехмерной поликонденсации, поэтому вязкость увеличивается, полимер перестает растворяться в растворителях – образуется резит.

 

 

a)

б)

новолак

 

Обсуждение результатов.

Синтез формальдегидных смол – практически необратимый процесс поликонденсации. Побочные продукты (вода и формальдегид) не могут реагировать с метиленовыми группами между фенольными ядрами и с эфирными связями. Поэтому равновесие сдвинуто в сторону образования полимера, обратная реакция практически не идет.

Процесс отверждения включает в себя три стадии смол:

Резолы — смолы в стадии А. Плавятся при нагревании и растворяются в спирте, ацетоне и в водных растворах щелочей. Представляют собой смесь низкомолекулярных соединений продуктов реакции.

Резитолы — смолы в стадии В. Образуются при нагревании или длительном хранении резолов, представляют собой смесь резольной смолы и высокомолекулярных неплавких и нерастворимых соединений. Они нерастворимы в спирте и ацетоне, а только набухают в них, не плавятся, но размягчаются при нагревании.

Резиты — смолы в стадии С. Содержат в основном трехмерные высокомолекулярные соединения. Не плавятся и не размягчаются при нагревании и нерастворимы и не набухают ни в каких растворителях. Резольные смолы в стадии С обладают высокими физико-электрическими свойствами.

Необратимая поликонденсация протекает при высоких скоростях и низких значениях энергии активации (8 ¸ 42 кДж/моль), эти процессы экзотермичны.

При взаимодействии фенола с CH₂O в щелочной среде образуются о – и п – гидроксилметилфенолы, затем 2, 4 – и 2, 6 – дигидроксиметилфенолы, а затем тригидроксиметилфенолы. В поликонденсации преимущественно участвуют п – гидроксиметильные группы и незамещенные п – положения фенольных ядер. Соотношения п – и о – замещенных гидроксиметилфенолов зависит от pH среды: с уменьшением pH доля п – замещенных продуктов уменьшается (в зависимости от используемого щелочного катализатора). Для NaOH при 57 ⁰С и pH» 8,3 реакции присоединения имеют первый порядок по фенолу и формальдегиду, скорость их пропорциональна концентрации OH^- - ионов.

Для реакции фенол ® о – гидроксиметилфенол k = 1,45 × 10^{-5 л}×моль/с, а для фенол ® п – гидроксиметилфенол k = 0,78 × 10^{-5 л}×моль/с. Таким образом, взаимодействие гидроксиметильных производных между собой происходит быстрее, чем их реакции с фенолом.

Следовательно, поликонденсацию проводят в присутствии основного катализатора NaOH при избытке CH₂O, температура и концентрация катализатора влияют в основном на скорость процесса, на продолжительность реакции.

Выводы:

1. Получили фенолформальдегидную смолу в щелочной среде методом трехмерной поликонденсации.

2. Рассмотрев условия проведения опыта и при сравнении мольных концентраций NaOH и CH₂O (изб.), можно сказать, что мы получили полимер, который является резолом (растворяется в щелочах, при нагревании плавится и находится в вязкотекучем состоянии).

 

 

Список использованной литературы.

1. Кулезнёв В. Н., В. А. Шершнёв. Химия и физика полимеров, «Высшая школа», Москва, 1988 г.
2. Г.П. Григорьев, Г.Я. Ляндсберг, А.Г. Сирота. Полимерные материалы, «Высшая школа» Москва, 1966 г.