Otrzymywanie żywic epoksydowych

1
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
POLITECHNIKA ŚLĄSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA FIZYKOCHEMII I TECHNOLOGII POLIMERÓW
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
Prowadzący: Przemysław Ledwoń
Miejsce ćwiczenia: Czerwona Chemia, sala nr 015
LABORATORIUM Z KATALIZY HOMOGENICZNEJ I
HETEROGENICZNEJ
2
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
I. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem otrzymywania żywic epoksydowych.
Jednocześnie, ćwiczenie ma na celu zapoznanie się z rolą katalizatora na przebieg reakcji.
II. WSTĘP TEORETYCZNY
Pierścień epoksydowy jest to silnie naprężony trójczłonowy pierścień heterocykliczny,
składający się z atomu tlenu i dwóch atomów węgla. Taka budowa powoduje, że łatwo ulega
różnym reakcjom chemicznym.
Żywice epoksydowe są to związki zawierające w swojej budowie co najmniej dwie grupy
epoksydowe. Mają stosunkowo niewielki ciężar cząsteczkowy, nie przekraczający 4000.
Zazwyczaj są to ciecze lub łatwo topliwe ciała stałe. W obecności utwardzacza i katalizatora
przechodzą w stan nietopliwy i nierozpuszczalny.
Substratami najczęściej wykorzystywanymi do syntezy tego typu polimerów są
epichlorohydryna i di lub wielowodorotlenowe fenole.
Tworzenie liniowych żywic epoksydowych obejmuje reakcje addycji grup wodorotlenowych
dianu z grupą epoksydową epichlorohydryny, odszczepienie się chlorowodoru i tworzenie się
nowej grupy epoksydowej, dalsze reakcje addycji i kondensacji z tworzeniem się liniowych
żywic epoksydowych.
W pierwszym etapie ogrzewa się ich mieszaninę w obecności NaOH. W reakcji addycji NaOH
działa jak katalizator, a w reakcji dehydrohalogenacji reaguje stechiometrycznie. W zależności
od stosunku stechiometrycznego substratów otrzymuje się różne produkty.
Przykładowa reakcja epichlorohydryny z bisfenolem A:
HO
OH
HO
+
O
OH
Cl
O
Cl
Cl
HO
O
OH
+ NaOH
HO
+ NaCl +
O
O
NaOH
OH
O
O
O
O
O
n
O
H2O
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
3
Żywice epoksydowe sieciują w wyniku reakcji grup epoksydowych ze środkiem sieciującym.
Do utwardzania żywic epoksydowych najczęściej wykorzystywane są aminy pierwszo- i
drugorzędowe oraz bezwodniki kwasów organicznych.
III. WYKONANIE ĆWICZENIA
Aparatura:
Kolba trójszyjna (250 ml), chłodnica powietrzna, termometr, mieszadło, wkraplacz.
Odczynniki:
Ćwiczenie 1:
- Żywica epoksydowa ,
- Epidian 5,
- Dian techniczny,
- Trietanoloamina
Ćwiczenie 2:
- Dian techniczny
- Epichlorohydryna,
- Wodorotlenek sodu,
- Kwas octowy.
Oznaczenie liczby epoksydowej:
- HCl w dioksanie
- Fenoloftaleina
- Wodorotlenek potasu
Pomiary:
Ćwiczenie 1:
Do kolby trójszyjnej o poj. 250 ml zaopatrzonej w termometr, mieszadło, chłodnicę powietrzną
(50 cm) wprowadzić odważony dian i żywicę epoksydową Epidian 5 oraz katalizator
trietanoloaminę. Zawartość kolby ogrzać do temperatury 150 °C. Oznaczać liczbę epoksydową
w odstępach 1 godzinnych. Reakcję uważa się za zakończoną gdy liczba epoksydowa osiągnie
założoną wartość. Po reakcji gorącą żywicę wylać na metalową tacę.
Ćwiczenie 2:
Do kolby trójszyjnej o poj. 250 ml zaopatrzonej w termometr, mieszadło, wprowadzić dian
techniczny oraz epichlorohydrynę. Po uruchomieniu mieszadła substraty ogrzać do temperatury
40 °C, po czym rozpocząć wkraplanie 10 % wodnego r-ru NaOH. Wkraplanie prowadzić przez
40 min. zwiększając stopniowo temperaturę do 80 °C (reakcja przebiega egzotermicznie).
Następnie temperaturę podnieść do 95 °C i prowadzić dalszą kondensację przez 2 godziny.
Żywica zaczyna się wytrącać po 30 - 40 min. kondensacji. Początkowo jest ona płynna, pod
koniec reakcji staje się gęsta, ciastowata. Po zakończeniu kondensacji odciągnąć górną, wodną
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
4
warstwę ługów poreakcyjnych. Surową żywicę przemyć porcjami czystej, wrzącej wody. Do
pierwszej porcji wody dodać kilka ml kwasu octowego w celu zobojętnienia nadmiaru NaOH. Z
kolby wyciągnąć stałą żywicę. Zbadać liczbę epoksydową.
Oznaczenie liczby epoksydowej:
Do kolby stożkowej o pojemności 100 ml naważa się na wadze analitycznej 0.1 – 0.5 g badanej
substancji i dodaje 25 ml odczynnika do oznaczenia LE (16 ml st. HCl w 1 l dioksanu). Po 1
godzinie miareczkuje się zawartość roztworem 0,2 molowym KOH w alkoholu etylowym
względem czerwieni krezolowej lub fenoloftaleiny. Jednocześnie wykonuje się ślepą próbę.
IV. Obliczenia
Ćwiczenie 1:
Obliczyć skład surowcowy zakładając, że:
1. Należy otrzymać 100 g żywicy epoksydowej twardej, straty wynoszą 5 %.
2. Liczba epoksydowa żywicy Epidiam 5 wynosi 0,48.
3. Należy otrzymać żywicę epoksydową twardą o liczbie epoksydowej 0,12.
4. Dodatek katalizatora trietanoloaminy wynosi 0,3 % wag. licząc na wsad.
Ćwiczenie 2:
Obliczyć skład surowcowy zakładając, że:
1. Należy otrzymać 100 g żywicy epoksydowej twardej, straty wynoszą 5 %.
2. Stosunek molowy dian/epichlorohydryna / NaOH wynosi 1 / 1,2 / 1,6
Oznaczenie liczby epoksydowej:
Liczba epoksydowa (LE) jest to ilość grup epoksydowych zawarta w 100 g próbki. LE obliczana
jest ze wzoru:
gdzie:
V – różnica objętości KOH w ślepej i właściwej próbie
n – normalność roztworu KOH
f – faktor
m – naważka
V. PYTANIA KONTROLNE
1. Wymienić surowce stosowane do otrzymywania żywic epoksydowych.
2. Opisać mechanizm reakcji dianu z epichlorohydryną ze szczególnym uwzględnieniem roli
katalizatora.
3. Wymienić rodzaje utwardzaczy żywic epoksydowych, omówić ich wpływ na reakcję
sieciowania, podać przykłady.
OTRZYMYWANIE ŻYWIC EPOKSYDOWYCH
5
VI. LITERATURA
1. Praca zbiorowa pod redakcją Z. Floriańczyka i S. Penczka, Chemia Polimerów, tom I,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.
2. Praca zbiorowa pod redakcją Z. Floriańczyka i S. Penczka, Chemia Polimerów, tom II,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.
3. W. Szlezyngier, Tworzywa Sztuczne, tom I, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej,
Rzeszów 1999.
4. J. Pielichowski, P. Czub, P. Peneczek, Z. Bończa-Tomaszewski, Chemia i technologia żywic
epoksydowych, Wydawnictwo WNT, 2002.