Получение и свойства термостойких кремнийорганических олигомеров на основе мочевиноформальдегидной смолы и тетраэтоксилана

АННОТАЦИЯ

В статье обсуждается условия синтеза олигомера на основе кремнийорганических соединений, влияния соотношений веществ и других параметров. Исследована зависимость молекулярных масс и термической стабильности от количества термостойкого олигомера, полученного образцами олигомера при различных температурах. Также обоснуется, что квантово-химические расчеты используемых и синтезируемых соединений, химические свойства молекул и их способность вступать в реакцию связаны с их электронной структурой и энергетическими характеристиками.

ABSTRACT

The article discusses the conditions for the synthesis of oligomer based on organosilicon compounds, the ratio of substances. The dependence of molecular weights and thermal stability on the amount of refractory oligomer obtained by oligomer samples at various temperatures was studied. It will also be justified that quantum-chemical calculations of the compounds used and synthesized, the chemical properties of molecules and their ability to react are related to their electronic structure and energy characteristics.

Ключевые слова: олигомер, мочевина, состав, вязкость, измельчение, синтез, соотношение, древесина, сухой остаток, термостойких, композиция, сырье, дифференциально-термический анализ, кванто-химический метод.

Keywords: oligomer, urea, composition, viscosity, mill, synthesis, ratio, wood, dry residue, heat resistant, composition, raw materials, differential thermal analysis, quantum chemical method.

Теоретическая часть. В настоящее время в мире большое внимание уделяется созданию средств противопожарной защиты на основе современных технологий и их использованию для повышения огнестойкости строительных конструкций и материалов.

В этой области, в частности, проводится ряд исследований по созданию устройств противопожарной защиты, обеспечивающих огнестойкость строительных конструкций и материалов на основе местного сырья, методам пожаротушения и повышению качества технических средств.

Их применение в ряде областей позволяет получать материалы, обладающие уникальными эксплуатационными свойствами, сочетающие высокие физико-механические характеристики, устойчивые к неблагоприятным атмосферным факторам и проявляющие высокую термостойкость. Однако следует отметить, что большинство полимеров и полимерных композиций, используемых в настоящее время в промышленности, не соответствуют перечисленным выше требованиям, поскольку под воздействием неблагоприятных факторов они претерпевают разрушительные процессы, приводящие к снижению прочности [1-2].

Экспериментальная часть. В качестве нового компонента местное сырье сначала смешивают с мочевиной и формальдегидным связующим (тетраэтоксилан Si(OCH₂CH₃)₄) до тех пор, пока оно не станет смолистым. Исходные материалы переносили в реактор при температуре 25°С в разных пропорциях. В этом случае мочевина сначала образуется в форме монометилола с формальдегидом [3].

Если взять большое количество формальдегида, смола образуется в форме диметилолмочевины.

Свойства карбамидоформальдегидных смол, в частности их стабильность, могут быть улучшены путем добавления некоторых добавок. Это позволяет получать смолы с указанными свойствами [4].

Решающими факторами для проведения реакции конденсации между мочевиной и формальдегидом в водном растворе являются:

- начальное соотношение реагентов;

- время реакции и температура.

Также были изучены соотношение реагентов в сополиконденсации мочевины, продолжительность реакции и влияние температуры. Проанализирована зависимость указанных параметров от молекулярной массы олигомера. Было установлено, что вещества реагируют по следующей схеме.

Их относительные вязкости были изучены, чтобы дать представление о линейности, разветвленности, пространственной структуре и размере частиц синтезированного олигомера. Относительную вязкость изучали при 20, 30, 40 и 50°С на вискозиметре ВПЖ-1 [5].

Также было обнаружено, что растворимость и вязкость олигомера изменялись с увеличением количества связующего реагента и степени сшивания [6-7].

Поскольку синтезированный олигомер растворим только в органических растворителях, его используют в мельнице при измельчении до дисперсного состояния. Состав композиции был разработан для получения теплоизоляционного покрытия.

Проведен дифференциально-термический анализ кремнийорганичес-кого олигомера на основе карбамидоформальдегида и тетраэтоксилана. Образец теряет вес без видимых тепловых процессов в диапазоне температур 20–322°C - это вероятно, связано с постепенной потерей влаги. При 322°C наблюдается сильное экзотермический эффект, близкое к значению температуры разложения чистого олигомера. Общая потеря веса образца в измеренном диапазоне составляет 27,4%.

Таблица 1.

Зависимость наступления термостабильного состояния от количества термостойкого олигомера, полученного на основе карбамидоформальдегидной смолы и тетраэтоксилана

В таблице 1 представлены результаты исследования изменений тепловых свойств кремнийорганического олигомера в результате увеличения его массы древесины. Результаты показывают, что увеличение количества олигомера предотвращает абсорбцию олигомера на поверхности древесины в результате увеличения вязкости, и расход олигомера по отношению к древесине составляет около 4-5%, но это приводит к высокому расходу олигомера.

Активность молекулы в любой реакции зависит главным образом от ее структуры и энергетических свойств. С развитием квантово-химических методов расчета химики смогли планировать экспериментальные работы и проводить целенаправленный синтез продуктов и получать вещества с заданными свойствами. Изучена электронная структура применяемых и синтезированных соединений, проведены квантово-химические расчеты.

Полученные результаты были получены для пространственной геометрии и электронной структуры исходных материалов мочевина, формальдегида и тетраэтоксилана, полученных полуэмпирическими методами РМЗ и АМ1.

Распределение зарядов в атомах в исследуемых молекулах показывает, что, исходя из распределения отрицательных и положительных зарядов молекул исходных веществ, их реакционная способность высока, и они могут реагировать с различными соединениями.

Рисунок 1 (а, б). Распределение энергии и электронов в молекуле тетраэтоксиксана

Исходя из вышеизложенного, электронная структура и распределение заряда изучались в наших экспериментах с учетом того, что добавление тетраэтоксилана к производному монометилола, образованному мочевиной с формальдегидом, является промежуточным состоянием (рис. 2).

Рисунок 2. Промежуточным состоянием, образованным монометилолочевиной с тетраэтоксиланом, является распределение заряда электрона

Таблица 2.

Квантово-химические расчеты используемых соединений

Были изучены квантово-химические расчеты веществ, отобранных для синтеза кремнийорганических веществ, и полученные результаты приведены в таблице 2. Электронная структура и энергетические свойства выбранных молекул (полная энергия, энергия образования, теплота образования, энергия электронов, ядерная энергия, дипольный момент, заряд атома кислорода) и их реакционный центр могут быть определены заранее [8].

Анализируемая полная энергия, энергия образования, теплота образования, энергия электрона, энергия ядра, дипольный момент, значения заряда атома кислорода также указывают на то, что полученные результаты согласуются с общими законами.

Выводы: были проведены исследования для получения огнестойких и теплоизоляционных наполнителей с высокой дисперсией на основе органических соединений карбамидоформальдегидной смолы, тетраэтоксилана, а также для повышения огнестойкости древесины и строительных материалов и их многоступенчатой огнезащиты.

Список литературы:
1. Borais R., Georlette P. Полимерные антипирены. Требования и рынок. //Kunststoffe. 2004. Т.94. №9. С.256-260.
2. Касьянова А.А., Добрынина Л.Е. Лабораторный практикум по физике и химии высокомолекулярных соединений.- М.: Легкая индустрия. 1979.- 97 с.
3. В.Н.Ахмедов, Л.Н.Ниязов, К.Э.Рузиева. Ф.Ф. Рахимов, Паноев Н.Ш. Гидрофобизация в строительстве. (монография).- Издательство Бухара, Дурдона, 2018. C 160.
4. В.Н Ахмедов, К.Э Рўзиева, М.С Рахматов, Н.Ш.Паноев, Ҳ.Р Рўзиев, С.М Муроджонов. Гидрофоб цемент олишнинг баъзи аспектлари // Фан ва технологиялар тараққиёти. Илмий-техникавий журнал, Бухоро, 2018 №1. 69-73б.
5. Akmedov V.N., Niyozov L.N., Panoyev N.Sh., Vakhmudjonov S.M. Production and application of hudrophobizing polimer compositions // International journal of advanced research in science, Engeneering and Technology, India, Vol. 5, Issue 11, November 2018. Page 7340-7345.
6. В.Н.Ахмедов и др. Экспериментальное определение критического структурного дефекта в полимерных композитах механическим методом. Журнал. Развитие науки и технологии. 2015. №4, С.142-
7. Ахмедов В.Н., Рахматов М.С. Исследование термоокислительной деструкции поливинилэтинилдигидроксихлорсилана. IV international scientific conference of young researches Proceedings 1 book. – Baku, Azerbaijan: 2016, C. 205-206.
8. Б. Собиров, В.Н Ахмедов, Н.Ш.Паноев. Влияние параметры на выход кремнийорганическых мономеров // Сборник трудов международной научно-технической конференции студентов, магистрантов на тему Молодежь-залог будущего великой страны. Шымкент, 2019. С 294-296.