4

Тема: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ

Лабораторная работа № 1

ПОЛУЧЕНИЕ МОЧЕВИНО-ФОРМАЛЬДЕГИДНЫХ СМОЛ

Цель работы:

1.Ознакомиться с методами получения полимеров.

2.Изучить особенности синтеза мочевино-формальдегидных смол.

3.Изучить факторы, влияющие на процесс поликонденсации.

Теоретическая часть

Высокомолекулярными соединениями (ВМС), или полимерами, называют сложные вещества с большими молекулярными массами (порядка сотен, тысяч или миллионов), молекулы которых построены из повторяющихся элементарных звеньев в результате соединения друг с другом простых молекул – мономеров. Упрощенно считают, что полимеры – это высокомолекулярные соединения с массой более 5000 у. е., олигомеры – от 500 до 5000 у. е., низкомолекулярные вещества до 500 у. е.

К полимерам относятся целлюлоза, гемицеллюлозы, лигнин, белки, крахмал, природные смолы, каучуки, большое число синтетических и искусственных полимеров.

Синтетические полимеры получают двумя основными способами: полимеризацией и поликонденсацией из мономеров.

Полимеризацией называют реакцию соединения молекул мономера, протекающую за счет разрыва кратных связей и не сопровождающуюся выделением побочных низкомолекулярных продуктов (H2O, HCl, NH3 и др.).

В реакцию полимеризации вступают мономеры, имеющие кратную связь, или неустойчивые циклы, например:

[– CH2 – O –]n .

формальдегид полиформальдегид

5

Таким образом, реакция полимеризации не приводит к изменению элементарного состава мономера.

Поликонденсация – это процесс образования полимеров путем химического взаимодействия молекул мономеров, сопровождающийся выделением низкомолекулярных веществ (Н2О, НCl, NH3, спирта и др.). В реакцию поликонденсации вступают мономеры, содержащие в молекулах функциональные группы (–ОН, –СООН, –NH2, галогены и др.). Таких групп в молекуле мономера должно быть не менее двух. Основное отличие реакции поликонденсации от реакции полимеризации состоит в том, что состав элементарных звеньев полимера отличается от исходных мономеров.

Одной из важнейших реакций поликонденсации является реакция мочевины с формальдегидом. Характер и скорость взаимодействия мочевины с формальдегидом в водном растворе зависит от условий реакции: катализатора, рН среды, температуры, соотношения исходных веществ, а также их концентрации в реагирующей среде. При этом влияние рН среды на молекулярную массу и структуру мочевиноформальдегидных смол (МФС) является определяющим. Рассмотрим влияние отдельных факторов на эту реакцию.

Влияние pH среды. В нейтральной или слабощелочной среде при температуре, не превышающей 40 оС, в зависимости от соотношения мочевины и формальдегида образуется преимущественно моноили диметилолмочевина. При молярном соотношении мочевины и формальдегида 1:1 образуется преимущественно метилолмочевина:

Метилолмочевины растворяются в воде и образуют вязкие растворы. При нагревании таких растворов до 100 оС в слабощелочной среде, например в присутствии NH4OH, происходит поликонденсация монометилолмочевины (с отщеплением воды) с образованием макромолекул линейного строения.

При pH 10 (сильнощелочная среда) образуются только линейные олигомеры типа

H2N–CO–NHCH2OH + HNH–CO–NHCH2OH …NH–CO–NH–CH2… .

Полученный полимер хорошо растворим в воде. Диметилолмочевина, полученная при избытке формальдегида (соот-

ношение мочевина : формальдегид = 1 : 2), в слабокислой среде (pH 4…6) при нагревании образует макромолекулы как линейного, так и разветвленного строения. Из-за наличия метилольных групп разветвленный полимер также хорошо растворим в воде, но молекулярная масса и вязкость значительно больше, чем у линейного полимера.

При дальнейшем нагревании идет частичная сшивка макромолекул по метилольным группам с образованием циклов (внутримолекулярная конденсация):

Кроме того, имеет место и сшивка между разными макромолекулами (межмолекулярная конденсация).

Образование пространственной структуры может происходить путем взаимодействия метильных групп и атомов водорода NH – групп с образова-

7

нием метиленовых мостиков или путем связывания метилольных групп соседних цепей с образованием эфирных связей:

…– CH2 – NHCO – NH– CH2 – NHCO – NH – CH2 – NCO – NH –…

В результате укрупнения и усложнения молекул, а также исчезновения гидроксильных групп эти пространственные полимеры становятся нерастворимыми в воде. Однако при проведении поликонденсации в слабокислой среде часть метилольных групп сохраняется, из-за чего полимеры склонны к набуханию в воде.

Поскольку процесс сшивки в слабокислой среде протекает медленно, реакция может быть легко остановлена на стадии образования термопластичного полимера.

При проведении реакции поликонденсации мочевины в сильнокислой среде (pH 3, например, в присутствии соляной кислоты) образуются моно- и диметиленмочевина:

которые, быстро полимеризуясь, дают труднорастворимые, неплавкие продукты, поэтому образование их в процессе поликонденсации нежелательно.

Напишите реакции полимеризации моно- и диметиленмочевин.