Лабораторна робота № 5.

1. ТЕМА: Одержання карбамідної смоли гарячим способом.

2. МЕТА: Вивчити процес поліконденсації карбаміду і формальдегіду на прикладі одержання карбамідної смоли, визначити вихід смоли і розрахувати матеріальний баланс.

Протікання взаємодії карбаміду з формальдегідом залежить від рН середовища і співвідношення реагентів. В нейтральному або слабо лужному середовищі (при рН=7-8) на першій стадії утворюються кристалічні моно- і диметилол карбаміди

При взаємодії молекул монометилолкарбаміду між собою утворюються поліметилол карбаміди

Це розчинні продукти розгалуженої будови, нездатні самостійно переходити в неплавкий і нерозчинний стан.

Диметилольні похідні карбаміду, вступаючи в реакцію між собою, утворюють розчинні поліметилолкарбаміди циклолінійного походження

при нагріванні карбаміду з формальдегідом в нейтральному або слабокислому середовищі (рН=5-7) утворюються смолоподібні гідрофільні продукти, які після обезводнення переходять в неплавкий склоподібний стан. Спочатку продукти конденсації можливо мають лінійну будову. В сильнокислому середовищі (при рН=3) карбамід реагує з формальдегідом із утворенням монометилен- і диметиленкарбаміду

При полімеризації цих сполук утворюється нерозчинний у воді, неплавкий, аморфний полімер. Тому утворення метиленкарбамідів небажане. Таким чином при реакції карбаміду з формальдегідом утворюється суміш поліметилол- і поліметиленкарбамідів лінійної, циклічної та просторової будови.

В залежності від умов реакції переважає той чи інший тип будови.

Карбамідоформальдегідні смоли, що не затверділи, розчинні у воді і утворюють колоїдні розчини. В процесі твердіння утворюється желетиноподібна маса, яка переходить поступово в тверде склоподібне тіло. Каталізаторами твердіння є органічні кислоти (щавелева, мурашина і ін.), мінеральні кислоти (соляна, фосфорна і ін.), або солі (хлорид амонію, хлорид цинку і ін.).

В промисловості карбамідоформальдегідні смоли одержують на установках періодичної або безперервної дії, при перемішуванні, зі зворотним холодильником, в слаболужному середовищі, з постійним контролем рН у зв'язку з чутливістю реакції до кислотності середовища. Внаслідок здатності карбаміду утворювати солі з кислотами додавання його до розчину формаліну призводить до зниження рН реакційної маси, але при конденсації по мірі затрат карбаміду кислотність середовища підвищується, що необхідно враховувати. Водні конденсаційні розчини стійкі при рН=7. В цих умовах вони можуть витримати порівняно тривале зберігання. При зберіганні з розчину поступово випадають кристалічні метилольні похідні карбаміду. Добавки етилового спирту, полівінілового спирту, простих ефірів целюлози, поліметилвінілового ефіру стабілізують розчини.

Одержання розчинних у воді продуктів конденсації карбаміду з формальдегідом здійснюється при мольному співвідношені вихідних речовин 1:2,7; рН=7,6-7,8; t=90-95 °С, на протязі 3-4 годин до рН=5,0-4,6. Процес проводять в реакторі зі зворотнім холодильником.

Водні розчини олігомерів — початкових продуктів конденсації і полімерів, так званих конденсаційних розчинів, можна використовувати для просочування наповнювачів і виготовлення клею. Для одержання твердих смол конденсаційні розчини випарюють у вакуумі.

Сечовиноформальдегідні смоли використовуються для виготовлення прес-порошку, розшарованих пластиків, клеїв гарячого і холодного твердіння, лаків, пінопластів, апретивів для обробки тканин і паперу з метою надання їм водостійкості, незмивання і інших специфічних властивостей.

Продукти конденсації прозорі і дуже світлостійкі, що дозволяє одержувати на їх основі прозорі або опалесцентні вироби, забарвлені в пастельні тони.

3. РЕАКТИВИ І ОБЛАДНАННЯ

3.1. Формалін, аміачна вода, етиловий спирт.

3.2. Обладнання: установка для синтезу карбамідних смол (рис. 1), фарфорова чашка, термостат, азбестова сітка.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕННЯ РОБОТИ

В тригорлу колбу 1 зі зворотним холодильником 4 установки (Рис. 1) через крапельну лійку 2 вливають формалін і аміачну воду. Перевіряють рН, який повинен бути в межах 7,6-7,8. Якщо рН менше 7,6, додають ще деяку кількість аміачної води і доводять рН до норми.

Колбу з сумішшю нагрівають 30 хв. на киплячій водяній бані 6 при працюючій мішалці 7. Якщо при цьому випадають (утворюються) сполуки гідроксиду заліза(ІІІ) (що відбувається, коли формалін був недостатньо чистим і містив залізо), то розчин в гарячому стані фільтрують через складчастий фільтр.

Рис. 1. Установка для синтезу карбамідних смол:

1- тригорла колба;

2- крапельна лійка;

3 - термометр;

4 - зворотній холодильник;

5 - мотор;

6 - водяна баня;

7 - мішалка.

До фільтрату додають спочатку біля половини кількості карбаміду і нагрівають суміш З0 хв. на киплячій водяній бані. Потім в колбу доливають етиловий спирт, вносять решту карбаміду і суміш нагрівають 3-4 години, поки значення рН суміші не стане рівним 5,0-4,6. В процесі реакції заміряють рН середовища. Продукт конденсації повинен мати вигляд прозорого рідкого сиропу. Іноді продукт одержують мутним від присутності більш або менш значної кількості нерозчинених у можуть утворюватися в процесі реакції, якщо середовище стає слабокислим. В цьому випадку розчин слід профільтрувати в гарячому стані через складчастий фільтр або через вату.

Профільтрований продукт конденсації випарюють до консистенції густого сиропу у вакуум-сушці при 70-80 °С і тиску 6,7-9,3 кПа або при нормальному тиску і температурі 105-110 °С в фарфоровій чашці на азбестовій сітці при енергійному переміщуванні.

Упарений продукт заливають в скляні пробірки або фторопластові форми і нагрівають на водяній бані або в термостаті спочатку при 40-50 °С на протязі 2-3 год, а потім підвищують температуру до 50-55 °С і підтримують її на цьому рівні до кінця затвердіння.

Нагрівання закінчують, коли зразки стануть зовсім твердими і будуть легко відставати від стінок форми.

Одержують безбарвний прозорий склоподібний продукт. Для одержання забарвлених виробів в продукт конденсації перед упарюванням вводять барвник, який розчиняється у воді. Барвник повинен бути стійким до агресивних середовищ (формальдегіду і мурашиної кислоти) і нагріванню вище 100 °С.

Одержаний продукт необхідно зважити, визначити його вихід і скласти матеріальний баланс процесу поліконденсації.

Література

1. Лабораторний практикум з хімії та технології полімерів. Навчальний посібник для вузів (Під ред. І. Славіковської – Варшава: Вид. Варшавської політехніки, 1999.

2. Охрименко