Процесс поликонденсации

Поликонденсация представляет собой химический процесс соединения молекул простых веществ, в результате которого образуются высокомолекулярные соединения и одновременно выделяются побочные низкомолекулярные продукты, например вода, формальдегид, аммиак и др. Образующиеся высокомоле­кулярные соединения (синтетические смолы) по составу и свой­ствам не только не сходны, но коренным образом отличаются от исходных компонентов, взятых для реакции.

Образование синтетических смол конденсационного типа можно представить себе как совокупность последовательно про­текающих элементарных реакций конденсации. В них участ­вуют две различные функциональные группы, например аль­дегидные и аминные при синтезе мочевино- и меламино-фор- мальдегидных смол, альдегидные группы и подвижные атомы водорода фенольного ядра — при получении феноло-формальдегидных смол и т. д.

Несмотря на многообразие свойств реагирующих веществ и содержащихся в них функциональных групп, все известные реакции поликонденсации характеризуются рядом общих зако­номерностей.

Исследуя на большом количестве примеров процессы поли­конденсации, установлено, что одной из особенно­стей этих процессов является их обратимый и равновесный ха­рактер.

В общем виде это можно изобразить следующим уравне­нием:

п (аАа) + п (ЬВЬ) = а(АВ) nb + (2п — 1 )ab,

где    а и b - функциональные группы исходных ве­ществ А и В,

п(аАа), п(bВb) - число молекул исходных веществ,

a(AB)nb - смола, образовавшаяся в результате реакции поликонденсации;

2п-1 - число молекул побочных продуктов ab (например, воды), выделившихся при реакции.

Практически это означает, что реакция образования высо­комолекулярного соединения не идет до конца и исходные ве­щества полностью не превращаются в смолообразные продукты. Это происходит потому, что наряду с прямой реакцией, веду­щей к образованию синтетической смолы, идет обратная реак­ция, в которой взаимодействуют образовавшиеся продукты - высокомолекулярные и низкомолекулярные, например смола и вода. Результатом обратной реакции является гидролиз син­тезируемого полимера.

Скорость прямой и обратной реакций зависит от многих факторов. Когда скорости прямой и обратной реакций стано­вятся одинаковыми, наступает равновесие и дальнейший про­цесс поликонденсации прекращается.

Для некоторых видов синтетических смол влияние обратной реакции значительно. Например, при синтезе полиэфирных смол образующаяся при конденсации вода разлагает смолу, по­этому для получения высококачественного продукта необходимо воду непрерывно удалять из сферы реакции. Только таким пу­тем удается сдвигать реакцию в требуемом направлении.

В других реакциях, к числу которых относятся получение феноло-формальдегидных и мочевино-формальдегидных смол влияние обратной реакции невелико, и процесс ведут не только без удаления из сферы реакции образующейся воды, но вообще в водной среде. В данном случае влияние устанавливаемого рав­новесия проявляется в том, что в готовом продукте всегда остается часть исходных компонентов в свободном состоянии.

Вторая особенность процесса поликонденсации заключается в том, что его можно прервать на любой стадии и затем про­должить и завершить через определенный промежуток времени. Это свойство полимерных соединений конденсационного типа широко используется при получении всех видов клеящих смол. Обычно процесс поликонденсации прерывают по достижении смолой требуемых технологических свойств, необходимых для процессов склеивания и определяемых по показателям вязкости, содержанию свободных, не прореагировавших продуктов, вре­мени отверждения и т. д.

В действительности реакция поликонденсации не прекра­щается. При известных условиях, например при охлаждении, уменьшается лишь скорость этой реакции. При последующем использовании синтетических смол в качестве клеящих веществ процесс поликонденсации как бы возобновляют и завершают его при определенных условиях, обеспечивающих склеивание древесины и других материалов.

Наконец, третья важная особенность - ступенчатость реак­ции поликонденсации, которая схематически может быть пред­ставлена следующим образом:

а - А - а +b - В - b = а - А - В - 6 + ab

а - А - В - b + а - А - а = а - А-В - A- а + ab

а - А - В - А - а + b - В - b =

= а - А - В - А - В - b + ab,  и т. д.

Вначале одна молекула исходного вещества (а—А—а) соединяется с другой (b—В—Ь) и дает первичное соединение. Полученный продукт вступает во взаимодействие со следующей молекулой исходного вещества и т. д., образуя все более круп­ные молекулы.

В первом этапе процесса поли­конденсации не происходит одновременной реакции всех исход­ных молекул друг с другом. Наоборот, вследствие того, что реакция является обратимой и равновесной, в каждый момент наряду с образованием новых более крупных молекул в реак­ционной среде остается определенное количество молекул исход­ных веществ, которые в ходе реакции постепенно убывают.

В дальнейшем, по мере уменьшения количества исходных компонентов наиболее важное значение приобретают реакции взаимодействия образовавшихся укрупненных молекул. На по­следнем этапе процесса, несмотря на наличие в реакционной среде определенного количества исходных веществ, доминирую­щую роль играет реакция взаимодействия полученных полиме­ров, которая приводит к образованию более длинных цепей. Так, постепенно происходит рост цепей молекул. Скорость про­цесса увеличивается с увеличением концентрации реагирующих веществ, применением соответствующих катализаторов и повы­шением температуры.

Однако по мере углубления конденсации концентрация исходных компонентов и реакционноспособных групп снижается, увеличивается вязкость реакционной среды, уменьшается ско­рость процесса. Это является причиной прекращения роста цепи макромолекулы и образования полимеров с ограниченным мо­лекулярным весом. Уменьшение молекулярного веса —также следствие деструктивных реакций, которые протекают не только под влиянием выделившихся при конденсации низкомо­лекулярных веществ, но и с участием исходных

Иногда для получения синтетических смол с определенными заданными свойствами процесс поликонденсации ведут с уча­стием нескольких различных по химической природе исходных веществ. Такие процессы называются реакциями сополиконденсации. Свойства продуктов совместной поликон­денсации также зависят от функциональности исходных молекул. Так, при сополиконденсации мочевины и меламина с формальдегидом, в которых функциональность реагирующих молекул соответственно равна 4, 6 и 2, образуются водостойкие смолы трехмерной структуры.