Добрый день, уважаемые читатели. Сегодня мы поговорим с вами о процессе поликонденсации карбамида (мочевины) с формальдегидом т.е. о карбамидоформальдегидных (мочевиноформальдегидных) смолах.

Итак, карбамидоформальдегидные смолы — это синтетические смолы из группы аминопластов, являющиеся продуктом поликонденсации карбамида (мочевины) с формальдегидом.

Синтетические смолы данного класса нашли широкое применение в различных сферах производства и строительства. Так, например, их используют при производстве пенопласта, ДСП и фанеры; при производстве влагостойкого картона и бумаги; при производстве ряда клеев горячего и холодного отверждения, лаков и композитных материалов.

Существует 2 основных способа конденсации карбамида с формальдегидом: горячий способ и холодный. Но можно ли получить подобные продукты поликонденсации самостоятельно хотя бы одним из способов?! — оказывается можно и именно этим мы сейчас и займёмся. Мы в своих экспериментах будем использовать холодный способ, как более простой в реализации.

Итак, для проведения поликонденсации необходимо налить 140 г. формалина в колбу объёмом 500 мл и нагреть до температуры 30-35 градусов Цельсия. Далее при постоянном перемешивании в раствор необходимо добавить 4 г. уротропина в виде 20-30% водного раствора. Через 5-7 минут в раствор небольшими порциями добавляется 60 г. карбамида до его полного растворения. По окончанию растворения карбамида температуру раствора стабилизируют в диапазоне 30-35 градусов Цельсия и добавляют 0.3 г. щавелевой кислоты в виде 20% раствора. При этом pH раствора будет около 7.5-8.

Теперь остаётся только ждать и контролировать температуру раствора… В растворе протекает процесс поликонденсации. Его необходимо проводить до pH равного 6, что примерно соответствует 10-15% свободного формальдегида в полученном растворе полимера.

На первой стадии процесса образуются кристаллические моно- и диметилолкарбамиды, а при их взаимодействии друг с другом — полиметиленкарбамиды.

Далее при взаимодействии диметилольных производных карбамида между собой образуется растворимый полиметиленкарбамид цикло-линейного строения.

При нагревании раствора карбамида с формальдегидом образуются смолообразные гидрофильные продукты, а первичные продукты конденсации, возможно, имеют линейное строение.

На следующем этапе поликонденсации образуются метиленовые мостики либо эфирные связи между соседними макромолекулами — образуется пространственная структура полимера.

Таким образом по итогу образуется смесь из полиметилол- и полиметиленкарбамидов линейного, цикло-линейного и пространственного строения. В зависимости от условий реакции (соотношения компонентов раствора, pH среды, температуры) могут преобладать те или иные соединения.

Итоговый продукт конденсации должен иметь вид прозрачного жидкого сиропа. Иногда продукт получается мутным из-за присутствия некоторого количества нерастворимого в воде метиленкарбамида, который может образоваться в процессе реакции, если среда стала слабокислой.

К аналогичной ситуации может привести повышение температуры во время поликонденсации выше 35 градусов Цельсия, что связано с протеканием экзотермической реакции с образованием твердых нерастворимых продуктов реакции. Именно это у нас и произошло практически на завершающем этапе эксперимента…

В независимости от причины помутнения раствора его можно профильтровать в горячем виде через складчатый фильтр или через вату. Впрочем, мы раствор фильтровать не стали т.к. небольшая примесь нерастворимой фракции не сильно повлияет на наши дальнейшие эксперименты.

1. Для первого эксперимента необходимо отлить 30-50 мл полученного раствора в отдельную тару, добавить 3% по массе хлорида аммония в качестве отвердителя, тщательно перемешать до полного его растворения. Теперь можно вылить полученную массу в заливочную форму — с этого момента начинается процесс отверждения полученной смолы.

Отверждение мы проводили в 3 этапа: на первом этапе при комнатной температуре — до перехода массы в желеобразное состояние, далее при температуре 60 градусов Цельсия — 4 часа, на последнем этапе при комнатной температуре — ещё 20 часов для окончательного набора прочности.

По итогу у нас получилась плотная однородная молочно-белая масса.

По внутренней структуре и характеру излома полученная пластмасса напоминает фарфор с тонким слоем прозрачной глазури сверху. При этом пластмасса не растворима в ацетоне и диметилформамиде (и подобных растворителях), но постепенно охрупчивается и растрескивается при длительном контакте. Но почему же так произошло? Разве смола после отверждения не должна быть прозрачной стеклообразной массой?

Дело в том, что в сильнокислой среде карбамид реагирует с формальдегидом с образованием моно- и диметиленкарбамидов.

При полимеризации этих соединений образуются нерастворимые в воде, неплавкие, аморфные полимеры. В нашем эксперименте такие полимеры стали своеобразным армирующим наполнителем. При этом кислая среда создаётся отвердителем — хлоридом аммония.

Если бы изначальный раствор был отфильтрован, а вместо 3% отвердителя использовалось около 0.5%, то итоговая пластмасса получилась бы в виде прозрачной стеклообразной массы.

2. Для второго эксперимента необходимо отлить 30-50 мл полученной смолы в отдельную тару, добавить 10% глицерина по массе в качестве пластификатора и 0,5% по массе хлорида аммония в качестве отвердителя, тщательно перемешать все компоненты до полного растворения. Теперь можно вылить полученную массу в заливочную форму — с этого момента начинается процесс отверждения полученной смолы.

Отверждение так же проводили в 3 этапа: на первом этапе при комнатной температуре — до перехода массы в желеобразное состояние, далее при температуре 60 градусов Цельсия — 10 часов, на последнем этапе при комнатной температуре — ещё 14 часов для окончательного набора прочности.

По итогу у нас получилась практически прозрачная однородная масса.

По внутренней структуре и характеру разрыва полученная пластмасса напоминает желе. При этом пластмасса совсем незначительно растворима и набухает в ацетоне и диметилформамиде (и подобных растворителях) при длительном контакте.

3. Для третьего эксперимента необходимо отлить 30-50 мл полученной смолы в отдельную тару, добавить 10% пропиленгликоля по массе в качестве пластификатора и 0,5% по массе хлорида аммония в качестве отвердителя, тщательно перемешать все компоненты до полного растворения. Теперь можно вылить полученную массу в заливочную форму — с этого момента начинается процесс отверждения полученной смолы.

Отверждение так же проводили в 3 этапа: на первом этапе при комнатной температуре — до перехода массы в желеобразное состояние, далее при температуре 60 градусов Цельсия — 10 часов, на последнем этапе при комнатной температуре — ещё 14 часов для окончательного набора прочности.

По итогу у нас также получилась практически прозрачная однородная масса.

По внутренней структуре и характеру разрыва полученная пластмасса достаточно сильно похожа на предыдущую. Единственное отличие — она получилась более упругой и гибкой. При этом пластмасса тоже незначительно растворима и набухает в ацетоне и диметилформамиде (и подобных растворителях) при длительном контакте.

4. Для последнего эксперимента необходимо приготовить раствор, аналогичный первому эксперименту. После этого полученным раствором нужно пропитать стопку ватных дисков, а так же свёрнутый в рулон бинт. В данном случае они будут выполнять роль армирующего материала. После пропитки сушка проводилась полностью аналогично первому эксперименту.

По итогу у нас получилось 2 образца композиционных материалов.

По своему характеру на излом образцы композитов достаточно прочны, трудно поддаются выкусыванию кусачками, а разрушение происходит путём выкрашивания с разрывом волокон. Хорошо видно, что, свойства полученных материалов достаточно сильно отличаются от свойств пластмассы, полученной в первом эксперименте.

Таким образом сегодняшние эксперименты подходят к концу. Думаем проведённые эксперименты были интересны и наглядны.

А на этом на сегодня всё. Спасибо, что дочитали до конца!

Список использованной литературы:

1.  О поликонденсации карбамида с формальдегидом

2. Феноло-альдегидные смолы // Российский энциклопедический словарь / глав. ред. А. М. Прохоров. — М.: «Большая российская энциклопедия», 2000. — Книга 2. — С. 1663.

3. Барг Э. И. Технология синтетических пластических масс. — Госхимиздат. — Л., 1954. — 656 с.

4. Кабанов, В. А. Энциклопедия полимеров. Т. 3 / В. А. Кабанов (гл. ред.). — М.: Сов. Энциклопедия, 1977. 

5. Кноп А. Фенольные смолы и материалы на их основе / А. Кноп, В. Шейб; Пер. с англ. А. М. Василенко, Г. М. Восканянца; Под ред. Ф. А. Шутова. — М. : Химия, 1983. — 280 с

6. Григорьев А.П., Федотова О.Я. Лабораторный практикум по технологии пластических масс. В двух частях. Часть 1. Полимеризационные пластические массы/учеб. пособие для химико-технол. вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1977. — 248 с.

7. Григорьев А.П., Федотова О.Я. Лабораторный практикум по технологии пластических масс. В двух частях. Часть 2. Поликонденсационные и химически модифицированные пластические массы/учеб. пособие для химико-технол. вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1977. — 264 с.