Синтез и исследование олигомера на основе диметилолмочевины и ортофосфорной кислоты

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен синтез олигомера на основе диметилолмочевины и фосфорной кислоты, также изучены состав и структура синтезированного азот- и фосфорсодержащего олигомера с помощью ИК-спектроскопического анализа, который определил химические связи и функциональные группы.

ABSTRACT

The article discusses the synthesis of an oligomer based on dimethylolurea and phosphoric acid, and also studied the composition and structure of the synthesized nitrogen and phosphorus-containing oligomer using IR spectroscopic analysis, which identified chemical bonds and functional groups.

Ключевые слова: диметилолмочевина, ортофосфорная кислота, олигомер, ИК-спектроскопия, элементный анализ, структура.

Keywords: dimethylol urea, phosphoric acid, oligomer, IR spectroscopy, elemental analysis, structure.

Введение. Основные направления в развитии технологии антикоррозионных покрытий и огнестойких материалов направлены на получение полифункциональных полимеров, содержащих азот и фосфор для повышения эффективности строительных и промышленных композитов. Данная работа посвящена получению азот- и фосфорсодержащих олигомеров, обладающих свойствами эффективных ингибиторов коррозии и антипиренов. Поэтому получение новых олигомерных материалов, обладающих высокой термостойкостью и огнезащитной эффективностью, антикоррозионной активностью, стабилизацией полимеров, экологически безопасных и экономичных на сегодняшний день, является актуальной задачей.

В работах [5; 1] получены и предложены в качестве полифункциональных N-, S-, P-содержащих ингибиторов олигомерные антиоксиданты и ингибиторы коррозии, на основе которых было синтезировано более десяти новых продуктов: олигомерные производные госсипола, полиметилен (тио)амидофосфаты, олигомеры на основе эпихлоргидрина с ди(тио)амидофосфатами и олигомеры диметилтерефталата с полиэтиленом полиамина. Также полученные олигомерные антипирены НВ-6 [2] на основе мочевины, соединений фосфора и оксидов металлов имеют преимущество в повышении огнестойкости деревянных конструкций и полимерных материалов. Синтезированы фосфор, азот, бор и металлсодержащие олигомеры марки 17-А [3] и применены в качестве антипирена к древесным материалам, и определена огнезащитная эффективность синтезированного олигомера. Синтезированы сера-, азот- и фосфорсодержащие тиоколовые олигомеры на основе тетрасульфида натрия и полифосфата аммония для применения в качестве наполнителя для полиэтилена [4].

Экспериментальная часть.

Нами синтезировано олигомерное соединение на основе диметилолмочевины и ортофосфорной кислоты. В колбу, оборудованную механической мешалкой, термометром и обратным холодильником, загружают расчетное количество диметилолимочевины, ортофосфорной кислоты, перемешивают при 100–120 °С в течение 1–1,5 часа с одновременной отгонкой воды и низкокипящих компонентов в азотную атмосферу, затем – 110–130 °C в течение 3 часов и инкубируют в течение 1 часа при 130–145 °C. Полученное олигомерное соединение представляет собой активное основание, представляющее смесь аминоамидов и моноаммонийфосфатов.

Результаты и их обсуждение. Для получения олигомеров реакцию проводили при pH 8–9, соотношении диметилолмочевины, ортофосфорной кислоты = 1:1 и 80–100 °С. Структура и состав полученного олигомера подтверждены данными элементного и химического анализа, а также ИК-спектроскопией.

Рисунок 1. ИК-спектр полученного азот- и фосфорсодержащего олигомера

Строение этого соединения подтверждали ИК-спектральным и элементным анализом. ИК-спектры снимались на приборе IRTracer-100 ИК-Фурье спектрометра. Соединения содержат полосы при 3192, 2945 и 2873 см^–1, соответствующие свободным гидроксильным группам, и, соответственно, связь с этой группой NH наблюдалась при 1658, 1448 и 3192 см^–1, группа CH₂ имеет частоты валентных колебаний 1334, 1200 и 1115 см^–1, для группы P-O характерна полоса при 922 см^–1.

Изучено влияние различных технологических параметров на способ получения взаимодействия формальдегида с мочевиной: влияние соотношения реагирующих компонентов, температуры и природы растворителя. На основе исследований вырабатывается оптимальная схема взаимодействия.

Предварительно 200 мл 30 %-ной ортофосфорной кислоты, 132 г диметилолмочевины загружают в трехгорлую колбу вместимостью 0,5 л, снабженную холодильником и мешалкой, и кипятят при перемешивании 4 часа. Затем полученный продукт осаждают этиловым спиртом. Выход целевого продукта – 85–89 %. Полученный продукт хорошо растворяется в воде.

Полученное вещество имеет следующие характеристики: однородное стеклообразное вещество прозрачного цвета, нелетучее, содержание основного компонента – 99,2 %, примесей – 0,8 %. Плотность – 1,1821 г/см³.

Таблица показывает результаты взаимодействия диметилолмочевины с фосфорной кислотой в различных соотношениях. При эквимолярном соотношении выход полимера увеличивается, и в связи с этим молекулярная масса продукта (с точки зрения вязкости) незначительно увеличивается с 0,06 до 0,1 дл/г.

Таблица 1.

Влияние соотношения реагентов на состав продукта (Т = 373 К, τ + 4 с)

При синтезе азот- и фосфорсодержащих олигомеров в безводной среде сначала протекает реакция с образованием диметилолмочевины по следующей схеме:

Соотношение ортофосфорной кислоты и диметилолкарбамида составляет 1:2. Конденсацию проводят в расплаве диметилолкарбамида при температуре 135–140 °C.

Реакцию взаимодействия диметилолмочевины с ортофосфорной кислотой можно представить следующим образом:

Для получения полиамидофософата более высокой молекулярной массы очевидно эквимолярное соотношение реагентов.

Выводы. Таким образом, на основании проведенных исследований разработаны методы синтеза и синтезированы олигомеры многоцелевого назначения на основе ДМК + ФК с высоким выходом целевого продукта. Состав полученных продуктов и функциональные группы подтверждены методом ИК-спектроскопии. Синтезированный фосфор- и азотсодержащий олигомер может быть использован в качестве огнезащитного антипирена для древесины и антикоррозионного ингибитора для сталей в агрессивных водных средах.

Список литературы:

1. Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т. Изучение антикоррозионных свойств новых олигомерных ингибиторов коррозии // Композиционные материалы. – Ташкент, 2014. – № 3. – С. 20–24.
2. Джалилов А.Т., Бекназаров Х.С., Нуркулов Э.Н. Антипирены для защиты древесины от горения // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – № 1 (70).
3. Исследование и применение фосфор-, азот-, бор- и металлсодержащих антипиренов для повышения огнестойкости свойств древесины / Э.Н. Нуркулов, Х.С. Бекназаров, А.Т. Джалилов, Д.А. Набиев // Universum: технические науки: электрон. научн. журн. – 2020. – № 8 (77).
4. Исследование синтезированного азот- и фосфорсодержащего тиоколового олигомера / Б.А. Нормуродов, Х.Х. Тураев, Д.А. Набиев, Ж.Р. Суюнов [и др.] // Universum: химия и биология. – 2019. – № 11-1 (65).
5. Способ получения олигомерного ингибитора коррозии // Патент РУз. № IAP 03969. 19.09.2009 / Бекназаров Х.С., Джалилов А.Т., Жураев Т.Т., Султанов А.С. [и др.].