[QO3]_Práctica_6_Síntesi_Polímeros_Termofijos

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III

PRÁCTICA 6 POLÍMEROS TERMOFIJOS

Grupo N° GJ5

Integrantes: Fierro Karen Jibaja Dennise Ruiz Mateo López Erick Semestre: Tercero Paralelo: 2

Docente: Ing. Ullrich Stahl Ayudante de Catedra: Richard Núñez

Fecha de entrega: 2018/12/05

QUITO – ECUADOR ECUADOR 2018-2019

Ayudante: Richard Núñez

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RESUMEN Obtención de polímeros termofijos por el método de polimerización por condensación, e identificación cualitativa de las propiedades físicas de los mismos. Se hizo reaccionar dos compuestos orgánicos, con grupos funcionales reactivos, amino y aldehído en medio ácido y medio básico como catalizadores, para la síntesis del polímero requerido, de igual forma se hizo reaccionar dos compuestos orgánicos con grupos funcionales reactivos, fenólico y aldehído en medio ácido y medio básico, aumentando las proporciones tanto del reactivo fenólico con respecto al aldehído y viceversa, para sintetizar el polímero requerido. Se obtuvo polímeros con características físicas distintas, color, textura y consistencia. Se concluye que las características físicas cualitativas de las resinas dependen de las concentraciones de los reactivos y a su vez del catalizador usado en la reacción.

PALABRAS CLAVE POLÍMEROS_TERMOFIJOS/ POLIMERIZACIÓN_POR_CONDESACIÓN/CATALIZADORES/MEDIO_BÁSICO_Y MEDIO_ÁCIDO


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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III 1. OBJETIVOS 1.1. Obtener baquelita por el método de polimerización por condensación. 1.2. Obtener urea-formaldehido por el método de polimerización por condensación. 1.3. Analizar cualitativamente las propiedades físicas de los polímeros termofijos obtenidos. 1.4. Identificar la influencia del medio de reacción en el polímero sintetizado. 2. TEORÍA 2.1. Polímeros termofijos Los polímeros termo fijos se distinguen por su estructura tridimensional de alto encadenamiento transversal. En efecto, la parte formada (por ejemplo, el mango de una olla o la cubierta de un interruptor), se convierte en una gran macro molécula. Los termo fijos son siempre amorfos y no exhiben temperatura de transición vítrea. En esta sección examinaremos las características generales de los plásticos TS e identificamos los materiales más importantes en esta categoría. (Groover, 1997). (p.204). 2.2. Resina Una resina sintética consiste en una red de radicales hidrocarburos a los cuales están unidos grupos funcionales isónicos solubles. Las moléculas de hidrocarburos están unidas transversalmente formando una matriz tridimensional que impide una insolubilidad y tenacidad global a la resina. La extensión, o grado de reticulación, determina la estructura porosa interna de la resina, y ésta no debe ser tan grande que restrinja el movimiento libre de los iones cambiables. Como los iones deben difundir dentro y fuera de la resina para que ocurra el intercambio, los iones de un tamaño superior a uno dado pueden ser excluidos de la reacción mediante una selección adecuada del grado de reticulación. (Weber, 1979). (p.275). 2.3. Baquelita El primer plástico sintético de interés comercial (1909) fue una sustancia denominada baquelita, llamada así en honor de su inventor, el químico americano nacido en Bélgica L. Baekland. Se sintetizó a partir de los monómeros abundantes y baratos, el fenol y el formaldehido, que pueden condensarse fácilmente en presencia de una base. Las primeras aplicaciones de la baquelita fueron como aislante eléctrico y más tarde empezó a utilizarse en la construcción de accesorios plásticos para industrias del automóvil y de la radio. Fue el precursor de gran cantidad de plásticos del tipo fneol-formaldehido. De hecho, el propio Baeckeland registró más de 400 patentes durante la investigación y el desarrollo de la baquelita. (Weininger, 1988). (p.995) 2.3.2. Reacción de síntesis Figura 1. Síntesis de baquelita y formación del polímero entrecruzado

Fuente: Weininger , J(1988). Química General, Ed. Reverté. Ayudante: Richard Núñez

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III 2.4. Urea-formaldehido 2.4.1. Historia y usos. La urea-formaldehído, o también llamado urea-metanal y urea-formol, es un tipo de resina o adhesivo cuya principal propiedad es que, una vez moldeada, no se ablandan con el calor sino que se endurecen debido a su estructura interna. Estas resinas se utilizan en adhesivos, acabados, tableros de densidad media y objetos moldeados. Las resinas de urea son polímeros, clasificados dentro del grupo de los plásticos termoestables o termofraguantes ya que no sufren demasiadas deformaciones con el calor debido a que poseen en sus moléculas una gran cantidad de enlaces cruzados que les aportan gran estabilidad. (Dunky, 1994) (p.98) 2.4.2. Reacción de síntesis —

Figura 1. Síntesis de urea-formaldehido y formación del polímero

Fuente: Weininger , J(1988). Química General, Ed. Reverté

3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiales y Equipos 3.1.1. Vasos de precipitación 3.1.2. Agitadores 3.1.3. Balanza de precisión 3.1.4. Termómetro 3.1.5. Pipeta 3.1.6. Probeta 3.1.7. Baño María

R: [0-500] mL

Ap:∓ 25 mL

R: [0-2000] g R: [-20-110] ℃ R: [0-25] mL R: [0-10] mL

Ap:∓ 0.0001 g Ap:∓ 1 ℃ Ap:∓ 0.1mL Ap:∓ 0.2 mL

3.2. Sustancias y reactivos CH4 N2O(s) 3.2.1. Urea C6H6O (l) 3.2.2. Fenol CH2O (ac) 3.2.3. Formaldehído CH3COOH (l) 3.2.4. Ácido Acético Glacial 3.2.5. Ácido Clorhídrico (concentrado) HCl (ac) Ayudante: Richard Núñez

37% p/p 80% v/v 4

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III 3.2.6. Ácido Sulfúrico (concentrado) 3.2.7. Hidróxido de Sodio 3.2.8. Agua Destilada

H2SO4 (ac) Na(OH)(S) H2O(l)

[1.0 M]

3.3. Procedimiento PARTE A: OBTENCIÓN DE RESINA UREA-FORMALDEHIDO (MEDIO ÁCIDO) 3.3.1. Colocar en un vaso de precipitación 1.3 g de urea con 2.5 mL de formaldehído y agitar con precaución para homogenizar la solución. 3.3.2. Agregar 0.5 mL de ácido sulfúrico concentrado de manera gradual con el uso de un gotero, mientras se mantiene agitación constante. 3.3.3. De manera repentina aparecerá un sólido de color blanco en el vaso de precipitación. 3.3.4. Cuando la reacción se haya dado por completo, lavar el sólido con agua y dejar secar el producto en la estufa hasta que el agua haya sido evaporada por completo. PARTE B: OBTENCIÓN DE RESINA UREA-FORMALDEHIDO (MEDIO BÁSICO) 3.3.5. Colocar en un vaso de precipitación 2.8 mL de formaldehído y ajustar el pH entre 7.0 y 7.5 con la adición de una solución de hidróxido de sodio 1.0 M, verificando el cambio con tiras indicadoras de pH. 3.3.6. Agregar 1.0 g de urea a la solución anterior, mientras se mantiene agitación constante. 3.3.7. Mantener la agitación mientras se observa la formación de las burbujas, mismas que denotan el inicio de la reacción exotérmica. 3.3.8. Calentar ligeramente el vaso de precipitación hasta que termine la reacción, cuando no se produzcan más burbujas. 3.3.9. Dejar secar el producto en la estufa hasta que el agua haya sido evaporada. PARTE C: OBTENCIÓN DE RESINA FENOL-FORMALDEHIDO (BAKELITA NOVALAK) 3.3.10. Colocar en un vaso de precipitación 2.5 mL de ácido acético glacial y 1.3 mL de formaldehído al 37% y agitar para fomentar el contacto entre ambos líquidos. 3.3.11. Añadir 1.0 g de fenol y agitar mientras se adiciona cuidadosamente (por gotas) 1 mL de ácido clorhídrico concentrado al vaso con la solución anterior. 3.3.12. Calentar a baño María aproximadamente a 70 °C y mantener agitación constante durante 5 minutos. PRECAUCIÓN: LA REACCIÓN PUEDE SER ESPONTÁNEA Y VIOLENTA. 3.3.13. Se formará una masa de color rosado que de ser posible debe ser llevada a un molde para darle forma. 3.3.14. Lavar el sólido con agua y dejar secar el producto en la estufa hasta que el agua haya sido evaporada por completo. PARTE D: OBTENCIÓN DE RESINA FENOL-FORMALDEHIDO (BAKELITA RESOL) 3.3.15. Colocar en un vaso de precipitación 1.0 g de fenol, 0.3 mL de una solución de sosa caustica 2.0 N y 4 mL de formaldehído al 37%. 3.3.16. Llevar a calentamiento ligero para derretir el fenol mientras se mantiene la agitación para lograr una solución homogénea. 3.3.17. Calentar a baño María aproximadamente a 70 °C y mantener agitación constante durante 15 minutos. PRECAUCIÓN: LA REACCIÓN PUEDE SER ESPONTÁNEA Y VIOLENTA. 3.3.18. Lavar el producto con agua y dejarlo secar en la estufa hasta que el agua haya sido evaporada por completo.


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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III 4. PROCESAMIENTO DE DATOS 4.1. Datos Experimentales Tabla 1 Resultados del polímero obtenido

Polímero UreaFormaldehído (Medio Ácido) UreaFormaldehído (Medio Básico) Baquelita (Novalak)

Consistencia

Tiempo de polimerización, min

Moldeable

5

amarillo

Blanco opaco

Rígida

15

Blanco

Blanco amarillento

Viscoza

8

Transparente blanquecino

Rosado claro

Rígida

20

Transparente

Café opaco

Baquelita (Resol)

Coloración Inicial

Coloración Final

4.2. Métodos de procesamiento de datos 4.2.1. Diagrama de flujo Parte A: Obtención de resina Urea- Formaldehido (medio ácido) 1,3 g CH4 NO2 2,5 mL CH2O REACTOR

A ∞

0,5 mL H2SO4 REACTOR

B∞

EVAPORADO

Polímero

C

Parte B: Obtención de resina Urea- Formaldehido (medio básico) 2,8 mL CH2O NaOH 1M 1,0 g CH4 NO2 REACTOR

pH=7,0-7,5 A

REACTOR

∞ ∆ B

EVAPORADO

Polímero

C

Parte C: Obtención de resina Fenol- Formaldehido (Bakelita Novalak) 2,5 mL CH3COOH 1 g C6H6O 1,3 mL CH2O 1 mL HCl REACTOR

∞

A

REACTOR

∞ ∆ 70° B


EVAPORADO

Polímero

C 6


Parte D: Obtención de resina Fenol- Formaldehido (Bakelita Resol)

1 g C6H6O

0,3 mL NaoH 4 mL CH2O REACTOR

∞

A

REACTOR

∞ 15  ∆ 70° B

EVAPORADO

Polímero

C

4.2.2. Observaciones

Procedimiento

Parte A

Parte B

Parte C

Parte D

Tabla 2 Observaciones Experimentales Nomenclatura Observación Se observó que la urea se solubilizaba con el formaldehido A homogenizándose y tomando un color blanquecino Al ir agregando de manera gradual el ácido se observó la B formación de pequeños cristales blancos Al lavar y dejar secar el precipitado, se pudo observar C una apariencia viscosa., media elástica. Al colocar formaldehido e hidróxido se pudo regular el pH A con ayuda de tiras indicadoras Al agregar urea y con ayuda de agitación se observó la B formación de pequeñas burbujas Se colocó en un molde el líquido viscoso medio elástico C obtenido esperando a que se evapore el agua presente en el mismo obteniendo su polímero La mezcla comenzó a compactarse al mantener una A agitación constante Al agregar poco a poco el ácido se pudo observar un B color medio rosáceo, al terminar de añadir todo el ácido se observó la formación de una masa de color rosa-violeta Inmediatamente se colocó en el molde, se lavó el sólido C y se llevó a secado para que toda el agua presente se evapore y se obtenga finalmente el polímero. Al mezclarse los reactivos se observó un ligero color A blanquecino y pequeños cristales El calentamiento permitió que los cristales se desvanezcan por completo y se observó que la mezcla se iba volviendo B viscosa, al volverse viscosa se procedió a colocar en el molde C Se lo llevo a secado, observando la formación del polímero


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5.

DISCUSIÓN

El método cualitativo si fue el adecuado porque se obtuvo el urea-formaldehído y el fenolformaldehído tanto en medio ácido como en medio básico, sin embargo durante la obtención de la baquelita en medio básico se produjo un error sistemático, la temperatura no fue ajustada adecuadamente, ya que al inicio se calentó con una temperatura muy baja y posteriormente se subió bruscamente dicha temperatura para mayor velocidad de la reacción, lo que provocó que no se pueda controlar causando que una pequeña cantidad de la resina se solidifique en el vaso de precipitación y se produzca una pérdida de materia. También como producto final se consiguió la baquelita como especie de goma con burbujas y porosidades lo que significa que se encontraba como un prepolímero frágil, por lo que se recomienda emplear una máquina o un horno de calor más avanzado que permita condensar de mejor manera y así obtener el verdadero producto o la materia ya polimerizada por completo pero siempre controlando la temperatura para no calentar en exceso el termofijo y evitar dañarlo.

6. CONCLUSIONES El producto obtenido en la parte D de la práctica fue un polímero el cual presento una coloración café opaca con una consistencia viscosa que aumentaba su dureza con el transcurso del tiempo debido a que los monómeros empleados permiten unirse entre sí formando una red de Resina fenol-formaldehido que se endurece rápidamente. Mediante la experimentación se pudo observar que tanto para la obtención de resina ureaformaldehido, y la resina fenol-formaldehido se dio una polimerización por condensación, ya que en este tipo de polimerización se mezclan distintos tipos de moléculas para la formación de las resinas como se evidencio en la elaboración de cada una, estas mezclas formaban copolimeros formados por la unión de distintos monómeros como los utilizados en la practica En la obtención de la urea-formaldehido en medio acido una vez acabado el procedimiento de secado se pudo observar que la solución cambio su estructura de una consistencia liquida viscosa a una estructura rígida y dura, debido a que se produjo un entrecruzamiento entre las moléculas a consecuencia de los centros activos de los monómeros, creando una estructura tridimensional, atribuyéndole dureza al polímero. Se pudo analizar las propiedades físicas que tienen ambos polímeros obtenidos y pudimos deducir que los dos polímeros tenían una consistencia rígida, liviana y tenaz. Además en la obtención de baquelita se pudo diferenciar los dos tipos de reacciones que vimos en el laboratorio que son Resoles y Novolacs, para los resoles se utiliza un catalizador básico ,con exceso de formaldehido al contrario para la reacción Novolacs se utiliza un catalizador a cido, con exceso de fenol.

7. APLICAIONES BAQUELITA Hoy en día la baquelita ha caído prácticamente en desuso pero en su momento su amplio espectro de uso la hizo aplicable en las nuevas tecnologías, como carcasas de teléfonos y radios, hasta estructuras de carburadores. Actualmente, tiene aplicación por ejemplo, en la fabricación de asas de cacerolas. 


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RESINA UREA – FORMALDEHIDO Hoy en día encontramos la urea-formaldehído en muchos procesos industriales gracias a sus útiles propiedades. Actualmente, uno de los procesos en el que se usa más esta resina es para la producción de aparatos electrónicos como conmutadores, enchufes, etc. Otras aplicaciones serían para la producción de neumáticos de coche, ya que mejora la unión de la goma del neumático y así mejorando su resistencia. Otros ejemplos son las láminas decorativas, los desinfectantes para hospitales y empresas, o hasta para pegar los muebles de madera. 



TERMOFIJOS  Revestimiento de freno  Componentes eléctricos  Adhesivos para cemento  Adhesivos aglomerados  Moldes  Tratamiento de textiles  Estructuras de decoración 

8. CUESTIONARIO 8.1. Si la baquelita se calienta, ¿cuál será el resultado? ¿El polímero se volatiliza, se vuelve maleable y poco viscoso, se encoge volviéndose más duro, o expande como una espuma? A cualquiera que sea su respuesta, fundaméntela detalladamente en base al tipo de polímero del que se está hablando. Un termoplástico es un material que, a temperaturas relativamente altas, se vuelve deformable o flexible, se derrite cuando se calienta y se endurece en un estado de transición vítrea cuando se enfría lo suficiente. Los polímeros termoplásticos difieren de los polímeros termoestables o termofijos en que después de calentarse y moldearse pueden recalentarse y formar otros objetos. (Torre, 2006) 8.2. ¿Por qué se dice que para la baquelita y la resina urea formaldehido son polímeros termofijos por condensación? Las resinas termofijos se definen como aquellas que al curar producen polímeros insolubles y que no funden al aplicarles calor. Actualmente se curan por acción catalítica y no requieren adición de calor. La condensación entre la urea y el formaldehído se realiza en medio sulfúrico, produciéndose una reacción fuertemente exotérmica que produce un sólido blanco (polímero urea-formaldehído). La reacción supone la condensación del nitrógeno nucleófila de la urea y el carbonilo electrófilo del metanol. Este proceso produce un polímero ramificado. (Gibaja, 1998). La baquelita es un producto de condensación entre de formaldehído con fenol (generalmente crisoles, p-fenilfenol, octilfenol), el polímero formado contendrá entonces enlaces formados por grupos CH2 y otros por grupos -CH2-O-CH2-, entre anillos fenólicos. (Sánchez, 1979).

8.3. Dibuje a mano la síntesis del polímero obtenido de mezclar 10 g de Malamina con 32 mL de metanaldehído 37%, al cuál se le añadió suficiente hidróxido de amonio hasta obtener un pH de 8.5 y se calentó durante su preparación entre 60 °C y 80 °C. ¿Será este un polímero de estructura reticulada? Justifique su respuesta. Si puede ser un polímero reticulado por sus centros activos, la formación de pol ímeros reticulados solo se puede impedir añadiendo alcoholes como n-butanol y condensando con formaldehido a baja temperatura en condiciones alcalinas. (Raimond, 1995). Ayudante: Richard Núñez

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Figura 1 Síntesis de malamina y metanaldehido

8.4. ¿Qué condiciones deben mantenerse industrialmente para sintetizar este tipo de po límeros? Deben tener más de dos centros activos ya que estos forman polímeros reticulados o tridimensionales, para la síntesis de este polímero termofijo necesita un catalizador ácido p ara el polímero obtenido sea lineal, para la reacción de entrecruzamiento (curado), se agrega un catalizador básico, el cual se realiza a temperaturas de 120 a 177 °C. (Stahl, 2018).

8.5. Proponga los cálculos para el rendimiento de baquelita sintetizada a partir de 25 g de fenol con 16 mL de metanal 37 %P/V (ρ=820 kg/m 3). ¿Cuánta baquelita se tiene como masa real y cuánto de masa teórica para que el rendimiento final sea del 56%?

25   ×

1 

= 0,27   94   37   1   16   × × = 0,18   100   30       >     → . . 0,19   ×

1   1  

% =


×

94   1  

  −  ó  

= 17  

× 100

10


56% =

17 −  ó 17

× 100

17 −  ó 17  ó = 7, 48

0,56 =

9. REFERENCIAS BIBLIOGRAFIA: ●

Sánchez. V (1979). Curso breve de química orgánica. Editorial: Reverte. España

●

Torre. V (2006). NIETO, J. D. C. SÍNTESIS DE BAKELITA Y UREA FORMALDEHIDO.

●

Gibaja. S (1998). "Productos Químicos Orgánicos Industriales", Vol. 2. Tecnología, Formulaciones y Usos, LIMUSA, 1987,

●

Raimond. B. (1995). Introducción a la química de los polímeros.

●

Stahl.U. (2018). Química orgánica 3. Quito- Ecuador.


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10. ANEXOS 10.1. Diagrama del equipo Figura 1 Diagrama del equipo

Solución NaOH 2N

Piseta Estufa

Varilla de agitación

Moldes de silicona

Vaso de precipitación

Fuente: Laboratorio de Química Orgánica 3, FIQ-UCE.

Nombre

Fecha

Dibu a:

GJ5

29/11/2018

Revisa:

Richard Nuñez

06/12/2018

Escala:


Universidad Central del Ecuador Facultad de Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica 3

Práctica 6 Síntesis de Polímeros Termofijos

Lámina: 01

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10.2. Reporte fotográfico Figura 2 Resina fenol-formaldehído en medio básico

Fuente: Laboratorio de Química Orgánica 3, FIQ-UCE. Figura 3 Resina urea-formaldehído en medio básico


Nombre

Fecha

Dibuja:

GJ5

29/11/2018

Revisa:

Richard Nuñez

06/12/2018

Escala:




Lámina: 02

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Figura 4 Resina fenol-formaldehído en medio ácido


Figura 5 Resina urea-formaldehído en medio ácido

Fuente: Laboratorio de Química Orgánica 3, FIQ-UCE. Nombre

Fecha

Dibu a:

GJ5

29/11/2018

Revisa:

Richard Nuñez

06/12/2018

Escala:




Lámina: 03

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[QO3]_Práctica_6_Síntesi_Polímeros_Termofijos

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