Получение кремнийсодержащего диуретана

Введение. К полиуретанам относятся высокомолекулярные соединения содержащие в своем составе уретановую группу  (R это Н, алкилы, арил или ацил) независимо от строения остальной части молекул. В зависимости от исходных соединений в макромолекулах полиуретана могут присутствовать также простые эфирные, амидные, мочевинные и другие функциональные группы. Однако основные свойства полиуретана определяются наличием в них именно уретановых групп, обладающих высокими значениями энергии физических взаимодействий. Поэтому в полиуретане наряду с химической сеткой существует и физическая, способная под влиянием внешних воздействий (температуры, деформации) к перестроениям и определяющая специфику свойств полиуретана (износостойкость, теплостойкость, деформационно-прочностные свойства и другие) [4].

Полиуретаны относятся к полимерным материалам, имеющим большое промышленное значение. На их основе получают синтетические волокна, эластомеры, пеноматериалы, пластические массы, герметики, резины, клеи, лакокрасочные материалы [3; 4].

Традиционные способы получения полиуретана, имеющие промышленное значение, основаны на взаимодействия ди- или полиизоцианатов с соединениями, содержащими в молекуле не менее двух гидроксильных групп. Способ получения основан на применении диизоцианатов, которые являются высокотоксичными, сужают его пределы эксплуатации [2]. В последнее время проводятся поиски неизоцианатных путей синтеза полиуретанов. Это направление исследования является весьма актуальным в области химической технологии.

Исходя из этого, целью данной работы является синтез уретанового олигомера на основе мочевины, этиленгликоля и тетраэтоксисилана.

Экспериментальная часть: Получен уретановый спирт по реакции мочевины и этиленгликоля. Реакция протекает по нижеследующей схеме: 

В результате реакции образуется уретановый спирт – 2-гидроксиэтил карбамат [6].

Синтез уретанового спирта. В колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром помещают один моль мочевины, нагревают до 65-70 ^оС. При перемешивании добавляют один моль этиленгликоля, с избытком 10% от теоретически необходимого, с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы была не ниже 65 ^оС. При такой температуре реакцию проводят 30 мин. Далее поднимают температуру с 70 до 145 ^оС в течение 3 часов. При повышении температуры начинает выделяться аммиак. Выделение аммиака можно определить с помощью влажной лакмусовой бумаги. При достигнутой температуре реакция протекает в течение 2,5-3 часов, до прекращения выделения аммиака. После завершения реакции медленно снижают температуру до 70 ^оС и осуществляют выдержку тёмно-коричневой массы при температуре 60-70 ^оС в течение 30-40 минут. Не прореагировавшей этиленгликоль из реакционной массы удаляют в вакууме при 150 ^оС. 2-гидроксиэтил карбамат представляет собой вязкую коричневую жидкость [7].

Наличие кремния в молекуле диуретана повышает стойкость к истиранию, придает термическую и химическую устойчивость дальнейшего получаемого материала. Детали из кремнийсодержащих полиуретанов проявляют высокую механическую прочность. Большое значение имеют кремнийорганические полимеры в качестве жаростойких антикоррозийных покрытий для металлов, таких, как добавки для пластмассы, позволяющие работать при температуре от -60 до +550 ^оС, для изготовления дугостойких и теплостойких пластических масс и слоистых диэлектриков, а также в производстве точного (прецизионного) литья, не требующего механической обработки [1].

Синтез кремнийсодержащего диуретана. В колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником, капельной воронкой, ловушкой Дина-Старка и термометром, помещают два моля ранее полученного уретанового спирта, нагревают до 70 ^оС и при перемешивании наливают один моль тетраэтоксисилана по каплям. Реакция проведена с помощью оловоорганического катализатора. При такой температуре реакцию проводят 40-50 мин. В процессе реакции выделяется этиловый спирт в ловушке Дина-Старка. Полученный продукт представляет собой вязкую смолу коричного цвета.

Реакция протекает по нижеследующей схеме:

На рис.1 показано влияния температуры протекания реакции на выход продукта. Реакция проведена при температурах 30, 50, 70 ^оС. Видно, что наилучший выход реакции показывает при температуре 70 ^оС.

Рисунок 1. Влияние  длительность реакции на выход продукта. Реакция протекает при: 1 – 30 ^оС; 2 – 50 ^оС; 3 – 70 ^оС.

На рис. 2 показано влияние катализаторов на выход продукта при одинаковой продолжительности реакции. Из графика видно, что наилучший выход получается при использовании оловоорганического катализатора.

Выводы

В результате исследования получен новый кремнийсодержащий диуретан экологически безопасным и экономически эффективным методом на основе местных сырьевых ресурсов:

1. Получен уретановый спирт на основе мочевины и этиленгликоля.
2. Получен кремнийсодержащий диуретан по реакции переэтерефикации тетраэтоксисилана с полученным уретановым спиртом.
3. Установлено, что наилучший выход продукта проявляется при температуры 70 ^оС, а при использовании катализатора наилучший выход проявляет оловоорганический катализатор.