Файл: Райт П. Полиуретановые эластомеры.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 09.04.2024

Просмотров: 110

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

количество димера с соответствующей потерей содержания эффектив­ ного изоцианата.

Тримеризацию можно катализировать аминами и различными рас­ творимыми солями металлов. Один из последних методов [7] основан на реакции спирта и ароматического изоцианата при высокой темпе­ ратуре в присутствии третичных аминов. Предполагается, что реак­ ция протекает с образованием промежуточных продуктов аллофаната и димеров, которые, взаимодействуя, дают изоцианурат.

Можно было бы предположить, что реакцией тримеризации объяс­ няется получение разветвленной структуры, однако Когон [8] пока­ зал, что эта реакция не может серьезно конкурировать с образованием аллофаната при комнатной температуре под действием катализатора. Эквимолекулярные количествафенилизоцианата и этилкарбанилата в присутствии кобальт-2-этилгексаната в качестве катализатора дают выход аллофаната 95,5% по сравнению с 0,84% фенилизоцианатного тримера.

Изоцианатные тримеры устойчивы при 150—200° С.

Образование карбодиимидов. При йагревании с некоторыми катализаторами, например фосфонилоксидами, изоцианаты превра­ щаются в карбодиимиды с выделением С 0 2 :

2RNCO —> RN = С = NR + С 0 2

(2.24)

Подобным же образом из диизоцианатов можно получить поликарбодиимиды ( R — N = C = N ) „ . Один из последних способов [9] состоит в использовании особых диизоцианатов с пространственными затруднениями для приготовления моно- и полимерных карбодиими­ дов:

 

/ R

R\

 

/ R

R \

 

 

^

^ - N C O + O C N - ^

/ - * \

/ — N = C = N — /

^ + С 0 2

 

 

/ = =

=

= \

/

 

 

 

R

R

 

R

R

 

(2.25)

 

 

 

 

 

 

 

 

Алкильные группы стабилизируют карбодиимид (и поликарбо-

диимид), предупреждая дальнейшую полимеризацию, а также,

делая

эти продукты более совместимыми с полимерами, содержащими

слож-

ноэфирные

группы.

 

 

 

 

 

 

Важное

значение карбодиимидов

связано

с их использованием

в полиуретанах сложноэфирного типа в качестве ингибиторов гидро­

лиза. Один

из продуктов

гидролиза сложных полиэфиров содержит

свободную

карбоксильную

группу. Предполагается, что эта

группа

в дальнейшем катализирует полный гидролитический распад.

Карбо­

диимиды легко взаимодействуют с карбоновыми кислотами,

образуя

относительно устойчивые

ацилмочевины:

 

 

R N = C = N R + R'COOH —> RNHCONCOR'

 

 

 

I

(2.26)

 

 

R

 


Предполагают, что именно благодаря такому удалению карбоновой кислотной группы карбодиимиды являются эффективными ста-; билизирующими агентами сложноэфирных полиуретанов.

Интересно также, что эти пространственно затрудненные карбо­ диимиды имеют весьма специфическую реакционную способность, так что введение их в реакцию образования полиуретанов не меняет механизма образования полимера и реакции сшивания.

Прочие реакции. Основные реакции изоцианатов, особенно свя­ занные с образованием полиуретанов, были описаны выше. Однако существует и ряд других реакций изоцианатов, которые могут пред­

ставлять определенный

интерес.

С о е д и н е н и я

с г р у п п о й SH. Изоцианаты взаимодей­

ствуют с серусодержащими соединениями так же, как с их кислород­ ными аналогами, хотя и с меньшей активностью. Например, серово­ дород реагирует так же, как вода:

 

2RNCO - f H2 S—>RNHCONHR + COS

(2.27)

Подобным же образом меркаптаны образуют

тиоуретаны:

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

II

 

(2.28)

 

 

RNCO + R'SH —-*• RNHCSR'

 

В

водных растворах изоцианаты реагируют с бисульфитами, обра­

зуя

водорастворимые

соли:

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

RNCO +

NaHS0 3

RNHCSOo

Na +

(2.29)

 

 

С о е д и н е н и я

с

г р у п п о й

Р Н . Фосфины реагируют с изо-

цианатами, особенно в присутствии третичных аминов, образуя про­ дукты присоединения, относительно стойкие к нагреванию и гидро­ лизу. Термодеструкция может происходить лишь при температуре выше 200° С:

3ArNCO + Р Н 3 — > (ArNHCO)3 P

(2.30)

Ферменты, в частности диэтилфосфит, образуют продукты при­

соединения в аналогичных

условиях:

 

 

 

(RO)a HPO +

R'NCO —> (RO)2 P (O)CONHR'

(2.31)

Р е а к ц и и

Ф р и д е л я — К р а ф т с а

и

Г р и н ь я р а .

В условиях, предусмотренных реакцией Фриделя—Крафтса, в при­ сутствии хлорида алюминия изоцианаты образуют амиды:

/ \

RNCO + І І ^ RNHCO


Взаимодействие с реактивами Гриньяра также протекает в до­ вольно обычных условиях:

н2 о

(2.33)

RNCO + R'MgX —> RNHCOR'

Н е н а с ы щ е н н ы е с о е д и н е н и я . Изоцианаты вступают во взаимодействие с такими ненасыщенными группами, как нитрозоили альдегидная группа. Промежуточный продукт присоединения имеет четырехчленное кольцо, которое распадается, выделяя при этом двуокись углерода:

 

120° СГ -

C e H 5 NCO+C 0 H B N O

Л C e H 5 N - - N C e H 6

0 =

(2.34)

 

О

 

1

C 6 H B N = N C e H 5 + С 0 2

^^ - N C O - I - ОСН-- ( — > - к ( с н з ) 2 ^ : я

X//

Ч _ - N — С Н -

-N ( С Н 3 ) 2

(2.35)

о=с—о

С 0 2

Г а л о г е н ы . Хлор и бром образуют с изоцианатами продукты присоединения, которые подвергаются перегруппировке и дают хло­ рированные хлорангидриды карбаминовой кислоты:

 

С1С1

 

 

NCO

N C = 0

 

NHCOC1

/ Ч /

/ ч /

/ ч /

(2.36)

 

 

 

\//

\//

У\//

 

 

С1

 

 

Хлористый водород затем отщепляется при высокой температуре:

/ Ч /

NHCOC1

NCO

 

/ ч

/

 

 

95° С

+ НС1

(2.37)

 

 

/\//

/\//

 

 

CI

С1

 

 

2?6


П о л и м е р и з а ц и я . Изоцианаты полимеризуются в при­ сутствии металлического натрия в диметилформамиде при темпера­ туре ниже О °С. Продукт полимеризации — найлон 1:

 

О

 

ArNCO Na

•N—С —

(2.38)

А г

Особым случаем является полимеризация винилизоцианата. Пер­ вый продукт— найлон 1, в котором винильная группа атома азота может реагировать дальше, замыкая кольцо:

 

О

 

О

 

 

II

 

II

 

 

С

 

с

 

 

\

/

\

/ \

/

 

 

N N

 

 

N

 

C H 2 = C H N = C = 0 -

СН

сн

сн

 

 

II

 

 

II

(2.39)

 

сн2

сн2

сн2

 

 

 

О

О

О

 

 

 

II

II

II

 

 

N N N N

2.3. Образование полимера

Полиуретановые эластомеры получают из мономерных, в основном, бифункциональных, исходных материалов путем ступен­ чатой реакции полиприсоединения. Таким образом, имеется возмож­ ность получать полимерную структуру в соответствии с заранее за­ данными свойствами. Действие повышенной температуры, следов ка­ тализатора, изменение скорости реакции могут помешать полностью осуществить эту возможность. Но все же в случае полиуретанов легче получить полимеры с желаемыми свойствами, чем для других каучуков.

При однородной структуре напряжение, действующее на полимер, распределяется равномерно по всей сетке и каждая поперечная связь в равной мере сшивает полимер. В более беспорядочных структурах напряжение концентрируется лишь в некоторых из таких связей, так что эти точки несут большую часть напряжения.

Идеально однородную структуру невозможно получить на прак- т ике по нескольким причинам. Так, молекулярновесовое распределе­ ние в основной цепи полиола уже вызывает некоторую неоднород­ ность. Сложная зависимость между скоростью роста цепи и попереч-


ной сшивкой также не позволяет точно контролировать реакцию. И все же механизм получения полиуретана таков, что позволяет полу­ чить более однородную структуру, чем в случае других каучуков, у которых механизм поперечного сшивания отличается беспорядоч­ ным характером. Кроме того, можно регулировать прочность поли­ уретанов соответствующим распределением поперечных связей. Можно еще более усовершенствовать структуру, создав цепь из слабо­ полярного материала, который будет аморфным в ненапряженном состоянии и кристаллическим — под напряжением.

Экономические соображения не позволяют применять эти полу­ идеальные полимеры на практике, однако данные, полученные при изучении их, неоценимы для более углубленного понимания и моди­ фикации материалов, имеющих практический интерес. Поэтому ис­ следование химии идеальных соединений носит отнюдь не чисто ака­ демический характер, а направлено на усовершенствование как са­ мого полимера, так и технологии его производства.

Системы

гидроксил-изоцианат. Разработка системы вулкол-

лан [10, 11]

проходила в соответствии с принципами, описанными

выше. В качестве гибкой полярной основной цепи был выбран полиэтиленадипинат, а в качестве жесткой поперечной сшивки — ИДИ . 1,4-Бутандиол со сравнительно короткой цепью был удлинителем цепи.

Первая стадия получения вулколлана представляет собой взаимо­ действие избыточного количества диизоцианата с полиэфиром, в ре­ зультате чего образуется «удлиненный» диизоцианат или изоцианатный преполимер.

НО

— О Н

НО

:

ОН

+

 

OCNRNCO

 

+

OCNRNCO

 

 

OCNRNCO

і

OCNRNCOO ~ OOCNHRNHCOO OOCNHRNCO

Этот последний можно затем превратить в полимер с длинной цепью с помощью так называемого удлинителя цепи. Как уже говори­ лось, удлинитель цепи представляет собой низкомолекулярный гликоль, который обладает способностью концентрировать жесткие диизоцианатные молекулы через некоторые интервалы вдоль основ­ ной цепи. Обозначив преполимер 0 = C = N ~ — • ~ N = C = 0 , получаем следующую стадию реакции:

OCN

NCO

+

OCN ~ ~ ~

NCO

+

OCN

-

NCO

+

 

 

 

 

 

 

HOR'OH

 

HOR'OH

 

HOR'OH

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

HOR'OOCNH

NHCOOR'OOCNH

NHCOOR'OOCNH ~

NCO

Если диизоцианат имеется в избытке относительно гидроксильных групп, то не весь преполимер будет использован для удлинения