Характеристика метакрилата

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обзор литературы

метакрилат полимер получение лабораторный

1.1 Характеристика метакрилата

Метакрилаты имеют общую химическую формулу:

CH₂ -- (СН_з)ССООR.

1) Свойства метакрилата:

Низшие гомологи метакрилата -- бесцветные летучие (R до С₄) и нелетучие

R = С₅ -- С₁₂

легкогорючие жидкости с резким запахом; пары раздражают слизистые оболочки глаз. Высшие гомологи -- твердые вещества. Все метакрилаты хорошо растворимы в органических растворителях и практически нерастворимы в воде (за исключением метилметакрилата, окси- и аминопроизводных метакрилата) [1].

2) Физические свойства метакрилата:

Температура кипения равна 100,6°С. Плотность при 20°С составляет 0,9440 г/см3. Температура плавления: -48,2°С. Температура вспышки 12,8°С. Теплота испарения 360,3 Дж/г. Вязкость составляет 0,588 мнсек/м2 при 22°С [2].

3) Химические свойства метакрилата:

Температура плавления: -48,2°С. Температура вспышки 12,8°С. Теплота испарения 360,3 Дж/г. Вязкость составляет 0,588 мнсек/м2 при 22°С [2].

Метакрилаты легко подвергаются омылению (в кислой и щелочной средах) и переэтерификации под действием кислотных катализаторов. В присутствии сильных оснований (алкоголяты, феноляты и др.). Метакрилаты присоединяют по двойной связи галогены, галогеноводороды, спирты, меркаптаны, фенолы, алифатические нитросоединения, аммиак, амины, амиды кислоты и др. Метилметакрилат - диенофильный компонент в диеновом синтезе [3].

4) Получение метакрилата:

В лаборатории метакрилаты получают этерификацией метакриловой кислоты или переэтерификацией ее низших эфиров (для получения высших эфиров) соответствующими спиртами в присутствии сильных кислотных катализаторов.

В промышленностисти метакрилаты получают в одну или две стадии из ацетонциангидрина [4]:

Перспективен еще не освоенный промышленностью способ синтеза метакрилата, заключающийся в окислении изобутилена смесью HNO₃ и N₂О₄ до метакриловой кислоты, которую затем переводят в эфир обработкой соответствующим спиртом [5].

1.2 Свойства полиметакрилатов

Химическая формула полиметакрлата:

1) Свойства. Полиметакрилаты с н-алкильным радикалом R от С₁ до С₃ -- жесткие прозрачные пластики, с R от С₂ до С₁₄ -- клейкие каучук подобные соединения, с R > С₁₄ -- воскообразные хрупкие непрозрачные вещества. Полиметакрилаты цикличных спиртов -- жесткие полимеры, полиметакрилаты ненасыщенных спиртов -- хрупкие стекловидные трехмерные полимеры. Полиметакрилаты отличаются от полиакрилатов, содержащих аналогичные радикалы, более высокими температурами стеклования и твердостью. У метила температура стеклования составляет 104-105°С, у актичных полимерах и 43-55°С у изоактичных полимерах [6].

Механические свойства полиметакрилата определяются природой и размером радикала R. С увеличением длины радикала от С₁ до С₁₀ уменьшаются прочность, плотность и твердость, возрастает эластичность.

Полиметакрилаты растворимы в собственных мономерах, в хлорированных и ароматических углеводородах, сложных эфирах; устойчивы к действию воды, разбавленных растворов кислот и щелочей [7].

Зависимость между характеристической вязкостью и мольной массой выражается уравнением Марка -- Хувинка, константы которого для ряда полиметакрилатов приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Константы в уравнении Марка--Хувинка =КМ^а для полиметакрилатов

1.3 Суспензионный метод полимеризации

Синтез - соединение различных элементов, сторон предмета в единое целое (систему), которое осуществляется как в практической деятельности, так и в процессе познания. В этом значении синтез противоположен анализу (разложению предмета на его составляющие), с которым он неразрывно связан [8].

Суспензионная полимеризация. Известны два метода полимеризации диспергированных в воде мономеров: суспензионная (капельная) и эмульсионная (латексная).

Основное преимущество проведения полимеризации в эмульсии (как и в суспензии) заключается в возможности использования дисперсионной среды для регулирования отвода тепла, выделяющегося при полимеризации. Однако механизмы протекания полимеризационных процессов в эмульсии и суспензии существенно различны, поэтому образуются продукты с разными свойствами. Неодинаков и характер получаемых водных дисперсий полимеров [9].

При суспензионной полимеризации мономер суспендируется в воде в виде капелек и поддерживается в таком состоянии благодаря интенсивному перемешиванию и стабилизации водорастворимыми высокополимерами (поливиниловым спиртом, полиоксиэтиленом, полиакриловой или полиметакриловой кислотой), защитными коллоидами (белковыми продуктами) или твердыми эмульгаторами (гидрофильными порошками). Защитный коллоид не должен совмещаться с мономером и полимером и переходить в масляную фазу. Инициирование и рост цепи происходят в каплях мономера, поэтому используют инициаторы, растворимые в мономере, а не в воде: перекись бензоила и др. За счет хорошего теплообмена при таком оформлении процесса удается довести превращение мономера до очень высокой степени. Однако при суспензионной полимеризации трудно регулировать размер частиц образующейся полимерной дисперсии, который зависит от концентрации защитного коллоида, его природы, интенсивности перемешивания и других параметров процесса. Размеры частиц таких дисперсий велики: обычно в пределах 20-150 мк. Суспензионную полимеризацию трудно проводить как непрерывный процесс [10].

2. Экспериментальная часть

2.1 Характеристики исходного сырья

1) Вода дистиллированная

Дистиллированная вода -- очищенная вода, практически не содержащая примесей и посторонних включений. Получают перегонкой в специальных аппаратах -- дистилляторах.

Удельная электропроводность дистиллированной воды, как правило, менее 5 мкСм/см. При необходимости использования более чистой воды используют деионизированную воду. Удельная электропроводность деионизованной воды может быть менее 0,05 мкСм/см.

pH дистиллированной воды составляет 5,4- 6,6.

Будучи очень чистой, в отсутствие посторонних механических включений может быть перегрета выше точки кипения, или переохлаждена ниже точки замерзания без осуществления фазового перехода. Фазовый переход интенсивно происходит при введении механических примесей или встряхивании [11].

2) Перекись бензоила

Бензоилпероксид представляет собой бесцветные кристаллы с орторомбической решёткой. Растворяется в простых и сложных эфирах, хуже растворяется в керосине, не растворяется в диэтиленгликоле и кремнеорганических жидкостях. Пероксид бензоила подвергается термическому распаду с образованием радикалов.

Чистый пероксид бензоила способен быстро воспламеняться и гореть с большой интенсивностью; горение его больших количеств переходит во взрыв. Он также взрывается при нагревании, ударе и трении. Однако смесь бензоилпероксида с водой с содержанием последней выше 20 % устойчива. Органические вещества способны воспламеняться при соприкосновении с бензоилпероксидом. Бензоилпероксид воспламеняется при действии минеральных кислот [12].

3) Поливиниловый спирт (ПВС)

Поливиниловый спирт является превосходным эмульгирующим, адгезионным и пленкообразующим полимером. Он обладает высокой прочностью на разрыв и гибкостью. Эти свойства зависят от влажности воздуха, так как полимер адсорбирует влагу. Вода действует на полимер как пластификатор. При большой влажности у ПВС уменьшается прочность на разрыв, но увеличивается эластичность. Температура плавления находится в области 230 °C (в среде азота), а температура стеклования 85 °C для полностью гидролизованной формы. На воздухе при 220 °C ПВС необратимо разлагается с выделением СO, CO₂, уксусной кислоты и изменением цвета полимера с белого на темно-коричневый. Температура стеклования и температура плавления зависят от молекулярной массы полимера и его тактичности. Так, для синдиотактического ПВС температура плавления лежит в области 280 °C, а температура стеклования для сополимера ПВС-ПВА с содержанием звеньев ПВА 50-моль% находится ниже 20 °C. ПВС не имеет характерной эндотермической области отвечающей за плавление кристаллической фазы, однако его термическое разложение идентично ПВС полученному классическим способом.

Поливиниловый спирт стабилен в отношении масел, жиров и органических растворителей.

2.2 Свойства растворителей

1) Этанол

Этанол - одноатомный спирт с формулой C₂H₅OH, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость.

2) Толуол

Бесцветная подвижная летучая жидкость с резким запахом. Смешивается в неограниченных пределах с углеводородами, многими спиртами и эфирами, не смешивается с водой. Показатель преломления света 1,4969 при 20 °C. Горюч, сгорает коптящим пламенем.

3) Уайт-спирит

Это прозрачная маслянистая жидкость с характерным запахом керосина, уайт-спирит используется в качестве растворителя жирных алкидов, некоторых каучуков и полибутилметакрилата.

4) ДМФА

Бесцветная довольно вязкая жидкость со слабым специфическим «рыбным» запахом из-за наличия продукта разложения - диметиламина. В чистом виде практически без запаха.

5) Ацетон

Простейший представитель кетонов. Бесцветная легкоподвижная летучая жидкость с резким характерным запахом. Он полностью смешивается с водой и большинством органических растворителей. Ацетон хорошо растворяет многие органические вещества, а также ряд солей [13].

2.3 Посуда и аппаратура

Проведение синтеза полибутилметакрилата проводилось на установке для суспензионной полимеризации, которая представлена на рисунке 1 [14].

1 - стеклянная пропеллерная мешалка; 2 - обратный холодильник; 3 - реакционная смесь; 4 - водяная баня; 5 - колба трехгорлая; 6 - штатив.

Рисунок 1. - Схема лабораторной установки для суспензионной полимеризации

1) Стеклянная пропеллерная мешалка

Пропеллерные мешалки предназначены для быстрого перемешивания жидкостей с вязкостью до 4000 спз, приготовления однородных водных растворов реагентов, создания маловязких эмульсий, растворения или химической реакции в жидкой среде, гомогенизации легко подвижных жидкостей [15].

2) Обратный холодильник

Холодильник - лабораторный прибор для конденсации паров жидкостей при перегонке или нагревании (кипячении). Используют для отгонки растворителей из реакционной среды, для разделения смесей жидкостей на компоненты (Фракционная перегонка) или для очистки жидкостей перегонкой.

3) Водяная баня

Водяная баня -- устройство для нагревания веществ, когда требуемая температура составляет до 100 °C при нормальном атмосферном давлении.

Водяная баня представляет собой нагреваемое тело (например, сосуд с веществом, такой как колба, пробирка, или иное тело), помещённое в более крупную ёмкость с водой. Вода нагревается, и от неё нагревается тело. Вода не может нагреться выше своей температуры кипения (при данном атмосферном давлении), тем самым достигается автоматическое ограничение максимальной температуры нагрева тела. В тех случаях, когда требуется меньшая температура, применяются электрические водяные бани (термостаты) с автоматическим регулированием нагрева. Разновидностью водяной бани является роторный нагреватель, обеспечивающий за счёт вращения колбы более высокие интенсивность испарения и равномерность нагрева [16].

4) Колба трехгорлая

Трехгорлые колбы (реакторы) широко используются в органическом синтезе, а также для целого ряда других химических работ.

Обратные, или восходящие, холодильники используются при проведении реакции при температуре кипения реакционной смеси, но без отгонки жидкости; они обеспечивают конденсацию паров и стекание конденсата обратно в реактор по стенкам холодильника.

5) Термометр

Термометр - прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее.

Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.

6) Воронка Бюхнера

Воронка - приспособление для переливания жидкостей.

Воронка Бюхнера предназначена для фильтрования под вакуумом, традиционно выполняется чаще всего из фарфора, реже -- из металла или пластмасс. Верхняя часть воронки, в которую наливают жидкость, пористой или перфорированной перегородкой отделена от нижней части, к которой подведён вакуум. На перегородку может быть наложен съёмный слой фильтрующего материала -- фильтровальная бумага, вата, трековый фильтр и т. п. материал [17].

2.4 Методика эксперимента

Для получения полибутилметакрилата суспензионной полимеризацией в лабораторных условиях взвешивают бутилметакрилат и растворяют в нем перекись бензоила. Затем поливиниловый спирт растворяют в дистиллированной воде. Сливают оба раствора в пробирку с тубусом, снабженную механической мешалкой и обратным холодильником. Перемешивание ведут с такой скоростью, чтобы капли мономера распределялись равномерно по всему объему жидкости.

Содержимое пробирки нагревают на водяной бане до 80°С и поддерживают эту температуру в течении 6 часов.

Конец реакции устанавливают по увеличению плотности полимера, которая постепенно становится больше плотности среды.

Полученные гранулы отфильтровывают на воронке Бюхнера, промывают холодной водой и высушивают на воздухе.

2.5 Методика определения вязкости полимера

Вискозиметрический метод наиболее простой и доступный метод определения молекулярной массы полимеров в широкой области значений молекулярных масс. Этот метод является косвенным и требует определения констант в уравнении, выражающем зависимость вязкости от молекулярных весов.

Для определения вязкости раствора полимера измеряют время истечения, равных объемов растворителя и раствора через капилляр вискозиметра при заданной постоянной температуре. Концентрацию раствора (С) обычно выражают в граммах на 100 мл растворителя; для измерения вязкости используют растворы с концентрацией менее 1 г/100 мл.

Относительная вязкость з_отн представляет собой отношение времени истечения раствора к времени истечения растворителя:

Удельной вязкостью з_уд называют отношение разности вязкостей раствора и растворителя к вязкости растворителя:

Приведенной вязкостью (з_пр) называют отношение удельной вязкости раствора полимера к его концентрации:

Характеристической вязкостью [з] называют предельное значение отношение при концентрации раствора, стремящемся к нулю. Характеристическую вязкость определяют путем графической экстраполяции значений полученных для нескольких концентраций, к нулевой концентрации.

Относительная и удельная вязкости - безразмерные величины, а приведенная и характеристическая вязкости имеют размерности, обратные концентрациям.

В настоящее время для определения молекулярной массы пользуются нелинейным уравнением Марка - Хувинка, выражающим зависимость характеристической вязкости от молекулярной массы:

где K и б - константы для данной системы полимер-растворитель при определенной температуре.

Измерения выполняют при определенной температуре с помощью капиллярного вискозиметра. Сначала измеряют время истечения чистого растворителя от верхней до нижней метки измерительного шарика (t₀). Время истечения измеряют не менее трех раз. Затем заливают растворитель из вискозиметра, помещают в него исходный раствор полимера и измеряют его время истечения. Последующие измерения вязкости проводят с разбавленными растворами, добавляя определенное количество чистого растворителя. Всего выполняют не менее трех разбавлений и измерений t для разбавленных растворов. В конце работы снова измеряют время t_0.

3. Результаты и их обсуждение

В соответствии с методикой проведения эксперимента, приведенной в пункте 2.3, проводили синтез полибутилметакрила методом суспензионной полимеризации. На рисунке 2 представлен внешний вид синтезируемого полимера. Полученные данные занесли в таблицу 2.

Рисунок 2. - Фото полибутилметакрилата

Таблица 2. - Характеристики начальных загрузок на синтезируемый полимер

Полученные образцы полимеров проверяли на способность к растворению в различных растворителях. Данные занесли в таблицу 3.

Таблица 3. - Способность к растворению полученного полимера в различных растворителях

Из данных таблицы 3 можно сделать вывод, что полученный нами полимер растворяется не во всех растворителях. Полимер хорошо растворяется в толуоле, ацетоне и уайт-спирите.

Для нахождения молекулярного веса синтезируемого полимера используем уравнением Марка - Хувинка. И по методике, описанной в пункте 2.4 проверили полученный полимер на вязкость.

Данные по изучению вязкости занесены в таблице 4 и таблице 5.

Таблица 4. - Результаты по изучению вязкости полимера

Таблица 5. - Результаты по изучению вязкости полимера

По данным таблиц 4 и 5 строим график зависимости вязкости от концентрации растворов. И по графикам находим характеристическую вязкость полученного полимера.

Размещено на Allbest.ru