background image

 

 
 
 
 
 
 
 

 
 
 

S

YNTEZA PIANEK POLIURETANOWYCH 

 

 
 
 
 
Prowadzący:   

 

Piotr Jelonek 

 
Miejsce ćwiczenia: 

Zakład Chemii i Technologii 
Polimerów, sala 15 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

P

OLITECHNIKA 

Ś

LĄSKA

 

W

YDZIAŁ 

C

HEMICZNY

 

 

K

ATEDRA 

F

IZYKOCHEMII I 

T

ECHNOLOGII 

P

OLIMERÓW

 

L

ABORATORIUM Z 

K

ATALIZY 

H

OMOGENICZNEJ I 

H

ETEROGENICZNEJ

 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

I. 

CEL ĆWICZENIA 

Celem  ćwiczenia  jest  synteza  pianek  poliuretanowych  w  obecności  zasadowego  

katalizatora: 1,4-diazobicyklo(2.2.2)oktanu (DABCO).  

II.

 

WSTĘP,

 

PODSTAWY

 

TEORETYCZNE 

Poliuretany  (PU)  obecne  są  w  wielu  aspektach  współczesnego  życia.  Tworzywa 

sztuczne  oparte  na  tej  klasie  polimerów  znajdują  szerokie  zastosowanie  m.in.  w  medycynie 

(np.  syntetyczna  skóra)  oraz  różnych  dziedzinach  przemysłu,  w  tym  w  przemyśle 

samochodowym, meblowym, lakierniczym, włókienniczym i innych. 

PU  są  wielkocząsteczkowymi  związkami,  powstającymi  w  addycyjnej  polimeryzacji 

wielofunkcyjnych  izocyjanianów  z  dwu-  lub  więcej  funkcyjnymi  związkami  zawierającymi 

grupy wodorotlenowe, połączone z alifatycznymi atomami węgla (glikole, poliole). 

 

Łańcuchy  główne  PU  zawierają  ugrupowania  uretanowe,  powstałe  w  wyniku  przeskoku 

ruchliwego  atomu  wodoru  grupy  –OH  do  atomu  azotu  grupy  izocyjanianowej  

(schemat 1). 

 

 

 

 

O=C=N

R

NH

C

O

O

OH

O=C=N

R

NH

C

O

O

O

+

O=C=N

R

NH

C

O

O

O C

O

NH

R

NH

C

O

O

OH

OH

O=C=N

O C

O

NH

n

O=C=N

R

N=C=O

+ HO

OH

H

 

Schemat 1 

Ugrupowanie uretanowe 

N

C

O

O

 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

Reakcje  izocyjanianów  ze  związkami  wodorotlenowymi  znane  są  od  dawna,  jednakże 

przez  długi  czas  wykorzystywane  były  jedynie  w  syntezie  związków  małocząsteczkowych. 

Dopiero opracowana w 1937 roku  przez Dr Otto Bayera reakcja izocyjanianowej poliaddycji 

pozwoliła  na  rozwój  technologii  tworzyw  sztucznych  opartych  na  PU.  Efektem  tego  była  w 

2000 r. światowa produkcja PU na poziomie 5 milionów tron. 

Wspomniana  izocyjanianowa  poliaddycja  nie  ogranicza  się  jedynie  do  reakcji  z 

„hydroksylami”.  Izocyjaniany  reagują  z  praktycznie  wszystkimi  grupami  zawierającymi 

czynny  (labilny)  wodór.  Związki  charakteryzujące  się  tą  właściwością  to  oprócz  alkoholi 

m.in. kwasy, woda, mocznik, uretany, aminy oraz wiele innych.  

Reagentami wyjściowymi w przemysłowej syntezie PU są diizocyjaniany (alifatyczne i 

aromatyczne)  oraz    związki  polihydroksylowe,  w  tym  zakończone  conajmniej  dwoma 

grupami  hydroksylowymi  żywice  estrowe  i  eterowe,  zwane  oligoestrolami  i  oligoeterolami. 

Najczęściej  stosowanymi  izocyjanianami  aromatycznymi  są:  diizocyjanian  toluilenu  (TDI), 

będący  technicznie  mieszaniną  izomerów  2,4-  i  2,6-TDI  oraz  4,4’-diizocyjanian  difenylenu 

(MDI). 

 

 

 

Spośród diizocyjanianów alifatycznych oraz cykloalifatycznych na uwagę zasługują będące w 

użyciu:  diizocyjanian  heksametylenu  (HDI)  oraz  diizocyjanian  dicykloheksylometylenu 

(HMDI) i izoforonu (IPDI).  

Kolejne grupy stosowanych reagentów to wspomniane oligoeterole i oligoestrole, przy czym 

te  pierwsze  otrzymywane  są  w  reakcjach  tlenków  alkilowych  (tlenku  propylenu  lub 

mieszaniny  tlenku  propylenu,  tlenku  etylenu  oraz  tetrahydrofuranu)  z  alkoholami 

CH

3

NCO

NCO

 

CH

3

NCO

OCN

 

NCO

CH

2

OCN

 

  2,4-TDI                                        2,6-TDI                                                 MDI               

OCN

NCO

 

NCO

CH

2

OCN

 

NCO

H

3

C

H

3

C

H

3

C CH

2

NCO

 

   HDI                                                      HMDI                                             IPDI               

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

wielowodorotlenowymi.  Te  drugie  natomiast  (oligoestrole),  to  zakończone  grupami 

hydroksylowymi  alifatyczne  poliestry,  będące  produktami:  polikondensacji  kwasów  (lub  ich 

pochodnych)  z  alkoholami;  poliaddycji  bezwodników  kwasowych  do  tlenków  alkilowych; 

polimeryzacji z otwarciem pierścienia cyklicznych estrów laktonami.  

Celem  przyspieszenia  addycyjnej  polimeryzacji  wielofunkcyjnych  izocyjanianów  z 

związkami  wodorotlenowymi  stosuje  się  odpowiednie  katalizatory.  Wpływają  one  zarówno 

na  ogólną  szybkość  syntezy  polimeru  (PU),  jak  również  na  względną  szybkość 

poszczególnych  w  tym  procesie  reakcji.  Ukierunkowując  określone  reakcje,  sterując 

szybkością  wzrostu  łańcucha,  szybkością  spieniania  i  utwardzania  umożliwiają  one 

otrzymanie poliuretanów o optymalnych, pożądanych właściwościach. 

Katalizatory reakcji izocyjanianów dzieli się na dwie podstawowe grupy: 



 

aminy III-rzędowe, 



 

organiczne związki metali - głównie związki cyny dwu- i czterowartościowej. 

Cechą  katalizatorów  aminowych  jest  to,  iż  silniej  katalizują  reakcje  grup  –NCO  z  wodą, 

aniżeli  z  grupami  hydroksylowymi.  Wielokrotnie  silniej  niż  aminy  reakcje  grup  –OH  z 

izocyjanianami  przyspieszają  organiczne  związki  metali,  jednakże  ich  wadą  jest  to,  że 

pozostają  w  gotowym  polimerze,  podczas  gdy  aminy  wolniej  lub  szybciej  ulatniają  się  z 

niego. 

Najczęściej  stosowanymi  w  syntezie  PU  katalizatorami  są:  2-etyloheksanian  cyny  (SnOct

2

), 

potocznie nazywany oktanianem cyny oraz 1,4-diazobicyklo(2.2.2)oktan (DABCO).  

 

 

Dysponujący  „wolnymi”  parami  elektronowymi,  nukleofilowy  DABCO  wykazuje 

zdolność  wchodzenia  w  interakcje  z  posiadającymi  ładunek  dodatni  atomami.  Taka  sytuacja 

ma  miejsce  w  przypadku  dioli  (w  tym  oligoestroli  i  oligoeteroli),  gdzie  elektroujemny  tlen 

grup  hydroksylowych  ściąga  na  siebie  elektrony  wiązania  H–O,  powodując  powstanie 

cząstkowego ładunku dodatniego na końcowych atomach wodoru. Umożliwia to wspomnianą 

interakcję aminowego katalizatora z protonami diolu (schemat 2). 

N

N

 

O

O

O

O

Sn

2+

 

SnOct

2

 

DABCO 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

 

Jednocześnie otoczony elektronami tlen hydroksylowy chętnie reaguje z elektrofilem, którego 

rolę, w przypadku reakcji izocyjanianów ze związkami wodorotlenowymi, pełni węgiel grupy 

izocyjanianowej –N=C=O, sąsiadujący z dwoma elektroujemnymi atomami: O i N (schemat 

3).   

 

Obecny  w  powstałej  strukturze,  obdarzony  ujemnym  ładunkiem  atom  azotu,  poprzez  swoje 

dążenie  do  pozbycia  się  tegoż  ładunku,  decyduje  o  jej  nietrwałości.  Napędza  to  dalszy  etap 

procesu,  którym  jest  utworzenie  wiązania  pomiędzy  ujemnym  azotem,  a  wodorem  grupy 

hydroksylowej reagującego alkoholu, z równoczesnym odtworzeniem katalizatora:   

 

 

 

 

 

 

 

 

Schemat 2 

N

N

H

O

CH

2

CH

2

O

H

δδδδ

+

δδδδ    

-

N

N

H

O

CH

2

CH

2

O

H

+

 

N

N

H

O

CH

2

CH

2

O

H

δδδδ

+

δδδδ    

-

O

C

N

N

C

O

N

N

O

CH

2

CH

2

O

H

H

O

C

N

N

C

O

Schemat 3 

N

N

O

CH

2

CH

2

O

H

H

O

C

N

N

C

O

O

O

C

N

N

C

O

O

H

H

N

N

+

 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

Opisanej  addycji  izocyjanianów  ze  związkami  wodorotlenowymi  towarzyszą  reakcje 

uboczne,  zarówno  niepożądane  (przypadkowe),  jak  i  pożądane  –  wywołane  w  układzie 

celowo. Na uwagę zasługują tutaj reakcje spowodowane obecnością w mieszaninie reakcyjnej 

cząsteczek  wody.  Jak  już  zostało  napisane,  tego  typu  reakcjom  sprzyjają  szczególnie  

III-rzędowe aminy (w tym omawiane DABCO), które silniej katalizują reakcje grup –NCO z 

wodą, aniżeli z samymi  grupami hydroksylowymi. Mechanizm tych reakcji, podobnie jak w 

przypadku  reakcji  –NCO  z  –OH,  oparty  jest  na  oddziaływaniu  węgla  ugrupowania 

izocyjanianowego  z  dysponującym  wolnymi  parami  elektronowymi  tlenem,  tutaj 

pochodzącym od H

2

O. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Schemat  4  obrazuje  całościowy  przebieg  reakcji  –NCO  z  H

2

O,  w  wyniku  której  powstaje 

ostatecznie  ugrupowanie  aminowe  oraz  CO

2

.  W  przypadku  syntezy  pianek  PU  ten  ostatni 

O

C

N

H

O

H

O

H

O

C

N

H

 

N

H

C

O

O

H

N

C

O

O

H

H

 

Schemat 4 

Etap I 

Etap II 

N

H

C

O

O

H

N

H

H

+

C

O

O

 

Etap III 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

związek  pełni  rolę  czynnika  spieniającego.  Powstająca  natomiast  amina  ulega  dalszej  – 

gwałtownej  –  reakcji  z  obecnymi  w  układzie,  nieprzereagowanymi  izocyjanianami 

(schemat5).  

 

 

Przemiana  ta  jest  źródłem  wiązań  mocznikowych  w  gotowym  produkcie.  Ich  obecność  nie 

zmienia jednak znacząco jego właściwości. 

 

Kilka słów komentarza wymagają również stosowane w syntezie pianek PU czynniki 

spieniające.  Jednym  z  nich  jest  CO

2

,  powstający  w  przedstawionej  na  schemacie  4  reakcji. 

Ponadto zastosowanie w tej roli znajdują m.in.: 



 

niskowrzące  ciecze,  odparowujące  pod  wpływem  wydzielanego  w  syntezie  PU 

ciepła, 



 

sprężone powietrze, wprowadzane bezpośrednio do mieszaniny reakcyjnej. 

Dodać  należy,  iż  najbardziej  pożądanym,  jako  ekonomiczne  oraz  zachodzące  z  udziałem 

obojętnej dla środowiska wody, jest spienianie z zastosowaniem reakcji z H

2

0 (schemat 4). 

 

 

III.  WYKONANIE ĆWICZENIA 

Aparatura 

Kolba  trójszyjna  (500  ml),  chłodnica  powietrzna,  termometr  ze  szlifem,  pipety  szklane  

(1  ml,  2  ml,  5  ml  i  10  ml),  cylinder  miarowy  (50  ml),  biureta  analityczna  (50  ml),  kolba 

stożkowa  (300  ml),  bagietka  szklana,  zlewka  miarowa  (250  ml),  czasza  grzewcza,  waga 

analityczna. 

 

N

C

O

N

H

H

N

C

O

N

H

H

N

H

C

O

N

H

 

Ugrupowanie mocznikowe 

Schemat 5 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

Odczynniki 

- kwas adypinowy, 

- glikol etylenowy, 

- kwas p-toluenosulfonowy, 

- HDI,  

- DABCO, 

- glikol polietylenowy, Mn = 500 g/mol (PEG500), 

- glikol polietylenowy, Mn = 1000 g/mol (PEG1000), 

- glikol polietylenowy, Mn = 2000 g/mol (PEG2000), 

- 0,1 n KOH  w C

2

H

5

OH, 

- odczynnik do liczby kwasowej ( etanol : benzen w stosunku objętościowym 1:2), 

- fenoloftaleina. 

 

Synteza 

W  kolbie  trójszyjnej,  zaopatrzonej  w  termometr  i  chłodnicę  powietrzną,  umieścić  0,2  mol 

kwasu  adypinowego,  0,2  mol  glikolu  etylenowego  i  0,2  g  kwasu  p-toluenosulfonowego. 

Zawartość  kolby  ogrzać  do  160 

o

C,  a  następnie  utrzymując  temperaturę  w  granicach  

160 – 180 

o

C kontynuować reakcję przez 2 h. Po tym czasie oznaczyć liczbę kwasową (LK) 

otrzymanego produktu (poliestru). 

 20  g  otrzymanego  poliestru  odlać  do  zlewki,  do  której  wprowadzić  0,8  ml  katalizatora  - 

DABCO. Całość dokładnie mieszać bagietką szklaną przez 5 min, a następnie do mieszaniny 

reakcyjnej dodać 1,5 ml H

2

O oraz odpowiednią ilość HDI - obliczoną w oparciu o zmierzoną 

wcześniej wartość LK poliestru. Całość ponownie mieszać przez około 3 min. Reakcję, która 

powinna  przebiegać  z  wydzielaniem  produktów  gazowych  (CO

2

)  i  tworzeniem  pianki  PU, 

uważa  się  za  zakończoną  w  momencie  zaniku  efektu  egzotermicznego  i  dalszego  wzrostu 

pianki.  Otrzymany  materiał  polimerowy  wyjąć  z  naczynia  szklanego  i  ewentualnie 

stabilizować  przez  zanurzenie  w  wodzie  destylowanej  na  czas  24  h.  Polimer  wysuszyć  i 

zważyć. Obliczyć wydajność. 

 

W  analogiczny,  do  wyżej  opisanego,  sposób  przeprowadzić  syntezę  pianki  PU  z  użyciem  

glikolu polietylenowego wskazanego przez prowadzącego ćwiczenia. 

 

 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

IV 

OPRACOWANIE

 

WYNIKÓW 

1. Liczbę kwasową (LK) zsyntezowanego poliestru obliczyć zgodnie z wzorem: 

 

m

f

v

v

LK

o

m

=

61

,

5

)

(

 

 

gdzie: 

v

o

 – objętość KOH zużytego na miareczkowanie ślepej próby [ml], 

 

v

m

 – objętość KOH zużytego na miareczkowanie próby właściwej [ml], 

 

c – naważka [g], 

 

– faktor (przyjąć 1). 

2. Ilość HDI potrzebną do syntezy pianek PU obliczyć zakładając:  



 

obecnośc  jednej  końcowej  grupy  hydroksylowej  w  łańcuchu  zsyntezowanego 

poliestru, 



 

obecnośc dwóch końcowych grup hydroksylowych w łańcuchu PEG. 

 

V. 

ZAGADNIENIA TEORETYCZNE 

- polimeryzacja łańcuchowa i stopniowa,  

- architektura makrocząsteczek, 

- polikondensacja, 

- poliaddycja, 

- synteza poliuretanów,  

- czynniki spieniające, 

- mechanizm reakcji, 

- kataliza homogeniczna i heterogeniczna, 

- mechanizm działania katalizatora. 

 

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 1996. 

4.

 

R. T. Sikorski, 

Podstawy Chemii i Technologii Polimerów, PWN, Warszawa 1985. 

background image

SYNTEZA

 

PIANEK

 

POLIURETANOWYCH 

10 

5.

 

J. McMurry, Chemia Organiczna, PWN, Warszawa 2003. 

6.

 

R. T. Morrison, R. N. Boyd, Chemia Organiczna, tom I, PWN, Warszawa 1985. 

7.

 

R. T. Morrison, R. N. Boyd, Chemia Organiczna, tom II, PWN, Warszawa 1985. 

8.

 

R. A. Jackson, Mechanizmy Reakcji Organicznych, PWN, Warszawa 2007.