Московский Государственный Университет Тонкой Химической Технологии им М.В. Ломоносова

Кафедра физики и химии

полимеров и их переработки

Отчет по лабораторной работе

«Поликонденсация фенола и формальдегида в щелочной среде»

Выполнил: Жмаченков А.И

Группа МТ-46П

Проверил: Юловская В. Д.

Москва 2011 год

Содержание

Содержание 2

Введение. 3

Экспериментальная часть. 4

Выводы: 11

Список литературы: 12

Введение.

Поликонденсация – ступенчатые реакции между функциональными группами исходных веществ, которые проходят с выделением низкомолекулярных веществ: воды, аммиака, хлористого водорода и тому подобное и без их выделения за счет перегруппировки функциональных групп мономеров. При синтезе полимера этим методом происходит постепенное нарастание молекулярной массы продукта реакции. Особенность ступенчатого синтеза состоит в раннем исчезновении мономера задолго до образования полимера достаточно высокой молекулярной массы. Полимер образуется только при очень высокой степени завершенности реакции (более 98%).

Для получения полимеров таким путем используют реакции присоединения или конденсации. Пример:

Таким образом процесс идет и дальше.

Поликонденсация веществ, которые имеют три или более функциональных групп, приводит к образованию разветвленных или, в конечном счете, трехмерных сетчатых структур и называется трехмерной.

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

Экспериментальная часть.

Объекты исследования.

- фенол C₆H₅OH. M = 94,12 г/моль, плотность 1, 07 г/см³,

Кристаллическое вещество, Т_пл = 41 ⁰С, токсичен, особенно пары. Обладает специфическим запахом гуаши. Растворим в воде (6г на 100г воды), в растворах щелочей, в спирте, в бензоле, в ацетоне. 5% раствор – антисептик.

- формальдегид CH₂O (виде 40% раствора формалина).

М = 30г/моль,  = 0,926 г/см³. Бесцветная жидкость, токсичен.

Чистый газообразный формальдегид относительно стабилен при температурах ниже 80-100 ⁰С. При температурах ниже 80 ⁰С медленно полимеризуется. Хорошо растворим в воде, спиртах и др. полярных растворителях. При низких температурах смешивается с неполярными растворителями.

- катализатор NaOH. М = 39,99 г/моль, Т_{пл =} 323 ⁰С.

Кристаллическое вещество, токсичное. Сильное основание, относится к щелочам. Вызывает тяжелые ожоги кожи и слизистых оболочек.

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

Ход работы:

1. В круглодонную колбу 250 мл, снабженную обратным холодильником и мешалкой вносим 6,2 г фенола, 3,2 мл дистиллированной воды и 0,2 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 (~90 ⁰С) реакционной смеси. Раствор кипятим в течение 10 -15 минут, затем охлаждаем до 50 ⁰С.

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

5. Полученную смолу выливаем на лист жести и охлаждаем.

Из-за перегрева раствора, смола стала мутной. Мы получили резол, который находится в вязкотекучем состоянии.

6. Далее мы поместили смолу в термокамеру, нагретую до 75⁰С, на час. После извлечения смолы, мы заметили, что смола затвердела, стала хрупкой. Полученный полимер – резит.

Обсуждение результатов.

ФЕНОЛО-ФОРМАЛЬДЕГИДНЫЕ СМОЛЫ, жидкие или твердые аморфные олиго- и полимерные продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом или его производными.

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.

Поликонденсация фенолов с CH2O - сложный многостадийный экзотермич. процесс, сопровождающийся выделением в качестве побочных продуктов воды и(или) формальдегида.

Основные стадии образования феноло-формальдегидных смол: 1) Взаимод. CH2O с фенольными ядрами по активным атомам водорода с образованием фенолов, содержащих гид-роксиметилъные (метилольные) группы. 2) Конденсация этих групп между собой или с активными атомами водорода фенольных ядер с образованием метиленовых или диметилен-оксидных мостиков.

Кислотные катализаторы резко ускоряют обе стадии процесса, а основные (щелочные) - только первую стадию, замедляя р-ции конденсации. Повышение т-ры увеличивает скорость всех р-ций, протекающих при образовании феноло-формальдегидных смол.

Технология получения и переработки феноло-формальдегидных смол всегда двух-или многостадийная. На первых стадиях осуществляется синтез исходных, смол, их хим. модификация или сочетание с др. материалами, а на последних стадиях - превращение их в отвержденные густосетчатые полимеры. При этом возможны (и практически реализуются) два пути синтеза феноло-формальдегидных смол: 1) при молярном избытке CH2O (п1) с образованием реакцион-носпособных (термореактивных) метилолфенолов (ф-ла I) и(или) олигомерных метилольных производных ф-л II и III; 2) при недостатке CH2O (п < 1) образуются аналогичные производные, не содержащие метилольные группы и не способные к дальнейшим р-циям поликонденсации без введения дополнит, кол-ва CH2O или др. реакционноспособ-ных в-в.

Процесс отверждения включает в себя три стадии смол:

Стадия А – резольная – смола плавится и растворяется в щелочах, спирте и ацетоне. Резол – нестойкий продукт, при нагревании переходит в неплавкое и нерастворимое состояние. При дальнейшем нагревании резола увеличивается молекулярная масса, и появляются разветвленные структурные образования.

Стадия В – полимер называется резитолом, частично растворяется в спирте и ацетоне, не плавится, способен размягчаться, при нагревании переходит в высокоэластичное состояние, в растворителях набухает.

Стадия С – конечная стадия отвердения - полимер называется резитом, представляет собой неплавкий и нерастворимый продукт, который не размягчается при нагревании и не набухает в растворителях.

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.

Реакция в щелочной среде:

А)

Б)

В)

Резол

Реакция в кислой среде:

а)

б)

в)

Выводы:

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

2. Мы получили полимер, который является резолом (растворяется в щелочах, при нагревании плавится и находится в вязкотекучем состоянии).

3. Изучили метод получения фенол-формальдегидной смолы поликонденсацией.

Список литературы:

1. Кулезнёв В. Н., В. А. Шершнёв. Химия и физика полимеров, «Высшая школа», Москва, 1988 г.

2. Догадкин Б. А., Донцов А. А., Шершнёв В. А., Химия эластомеров, «Химия», Москва, 1981 г.

3. http://www.xumuk.ru/

12