Лабораторна робота № 10

1. ТЕМА:?Поліконденсація фенолів з формальдегідом в кислому середовищі.

2. МЕТА: Синтезувати термопластичну (новолачну) фенолформальдегідну смолу способом поліконденсації в розчині, розрахувати її вихід на взяті мономери, визначити швидкість затвердження одержаного новолака уротропіном.

Фенолоальдегідні смоли належать до групи конденсаційних смол. Вони утворюються в результаті реакції альдегідів з фенолом або його похідними. У промисловості фенолоальдегідні смоли виробляють, головним чином із фенолу, крезолу і ксиленолу.

Із альдегідів найбільшого практичного використання набув формальдегід. Поряд з ним можуть застосовуватися фурфурол і оцтовий альдегід. Широке використання мурашиного альдегіду для виробництва конденсаційних смол пов'язане з певними властивостями даної сполуки. Передусім дана сполука проявляє високу реакційну здатність в реакціях конденсації з фенолами. По-друге формальдегід порівняно з іншими альдегідами, є дешевшим і виробляється в промисловості у великій кількості. Водночас в умовах реакції конденсації він не здатний вступати в побічні реакції.

Утворення конденсаційних смол зумовлено присутністю у фенолах активного водню (в орто- і пара- положеннях відносно фенольної ОН- групи). При синтезі таких смол відбуваються такі хімічні реакції:

1. Реакція приєднання сполуки, що містить метилольноактивні водень похідні

У випадку реакції приєднання залежно від функціональності фенолу (число активних воднів у молекулі), молярного співвідношення вихідних речовин, а також умов проведення реакції, можуть утворюватися одно- , дво- або більше метилольні похідні. Такі похідні отримали назву метилольиих похідних і здебільшого можуть бути виділені як окремі продукти.

Метилольнопохідні сполуки легко вступають в реакції поліконденсації (або конденсації у випадку монофункціональних сполук), утворюючи смолоподібні речовини. Поліконденсацію проводять до утворення на початку лінійних або розгалужених продуктів невисокої молекулярної маси (800-1000 в. о.) типу олігомерів. Далі отриманий на першій стадії продукт переводять в просторово зшитий стан і при цьому продукт стає нерозчинним в розчинниках. Розгалужені і зшиті полімери отримують у випадку, коли реакційна суміш містить вихідні речовини, які мають функціональність більшу ніж два.

Переважно готові вироби з конденсаційних смол - це зшиті продукти, тобто полімери просторово-зшитої будови. Виробництво конденсаційних виробів складається з двох основних операцій:

1.

2.

Затвердіння смоли настає під впливом подальшого нагрівання або дії відповідного каталізатора, а потім під впливом обох згаданих чинників одночасно. На практиці затвердіння проводять після надання смолі форми відповідного виробу (лакового шару).

Смолу просторово зшитої будови можна подати так:

Поряд з так званими метиленовими містками (-СН2-) в деяких смолах можуть знаходитися також двометиленові містки (-СН2-О~СН2-) що утворюються в процесі реакції поліконденсації. Реакцію поліконденсації прискорюють каталізатори (кислоти або основи). Варто однак, звернути увагу на те, що обидва типи каталізаторів активують тільки реакцію приєднання, тоді як реакцію конденсації, а також затвердіння прискорюють тільки кислі каталізатори. Основні каталізатори використовують для синтезу деяких типів смол.

Залежно від будови і молярного співвідношення вихідних речовин, а також умов проведення процесу, в результаті реакції фенолу з альдегідами можна отримувати два види фенолформальдегідних смол:

1)

2)

Новолачні смоли (новолаки) належать до термопластичних полімерів, тоді як резольні (резоли) - до термореактивних. Незалежно від типу отримуваних фенолоальдегідних смол першими продуктами реакції фенолу з формальдегідом є метилольні похідні:

В даній реакції фенол, завдяки присутності трьох активних атомів водню в орто- і пара- положеннях є трифункціональною сполукою. Залежно від кількості використаного формальдегіду можуть утворюватися одно-, дво- і триметилольні похідні фенолу.

Реакція приєднання мурашиного альдегіду до фенолу має екзотермічний характер і відбувається легко при 80-100 0С під впливом кислих і основних каталізаторів. Швидкість реакції прямо пропорційна концентрації водневих або гідроксильних іонів.

Отримані в результаті реакції приєднання метилольні групи надалі реагують між собою або з активними атомами водню бензоль?ого кільця з утворенням склоподібних продуктів:

Реакція поліконденсації також є екзотермічною. Вона відбувається в процесі нагрівання системи або при використанні каталізаторів. Каталізаторами даної реакції є продукти, що проявляють кислі властивості.

Процес отримання новолачної смоли проводять в кислому середовищі. При рН=7 швидкість реакції конденсації є значно більшою від швидкості реакції приєднання і тому утворюються продукти, що не містять метилольних груп. Метилольні групи в даному випадку переходять безпосередньо в метиленові містки.

Якщо в реакції конденсації бере участь виключно двофункціональний фенол, наприклад, п-крезол, то незалежно від співвідношення вихідних речовин (фенолу і формальдегіду), завжди утворюється термопластична смола, тобто новолачна. У промисловості отримують новолачні смоли з трифункціопального фенолу при їх значному надлишку. Такі смоли далі переводять у зшитий стан за допомогою уротропіну. Коли використати при синтезі такої смоли надлишок формальдегіду, новолак переходить у термореактивну смолу. Критичним мольним співвідношенням фенолу до формальдегіду в реакційній суміші при отриманні новолаку є 1:0,9 відповідно і не може бути нижчим.

Новолачна смола складається з молекул такої наближеної будови:

Зірочками позначені місця активних атомів водню, які не брали участі в реакції конденсації, але можуть вступати в реакцію з додатковою кількістю альдегіду або з уротропіном.

У процесі отримання новолачної смоли можна виділити декілька стадій, кожна з яких впливає на властивості синтезованого продукту. Реакційну суміш, що містить фенол, формалін і відповідний кислий каталізатор (найчастіше НС1), нагрівають певний час при 100 0С і стримують ступінь конденсації, при якому смола виділяється з реакційної маси у вигляді окремого шару. Момент розділення реакційної суміші на два шари умовно вважають закінченням стадії конденсації смоли. Наступною стадією є відгонка при пониженому тиску води. Конденсаційна вода є в даному випадку побічним продуктом. З водяною парою відганяється також і НСІ, що застосовується тут як каталізатор.

Кінцевою стадією процесу отримання новолаку є, так