Informe 6 Polímeros termofijos Baquelita PDF

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UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD: INGENIERIA QUIMICA CARRERA: INGENIERIA QUIMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA III TEMA: PREPARACIÓN DE POLÍMEROS TERMOFIJOS PRACTICA N°6 GRUPO: 4 INTEGRANTES:  Jazmín Guadamud  Steven Inga

PROFESOR:  Dr. Ullrich Stahl

AYUDANTE:  Richard Núñez

Quito, Enero, 2018

RESUMEN

Obtención de resinas entrecruzadas termofijas con la utilización de compuestos con grupos amida en medio acido con un proceso de agitación leve logrando así una mezcla transparente que al contacto con un aldehído y un colorante da lugar a la formación de un polímero de alta viscosidad de color rosado que se separó en dos fases, además, se llevó a cabo la realización de un polímero entrecruzado, que para su obtención, se mezcló un compuesto aromático y un aldehído en medio acido seguido de un calentamiento y así dio lugar a la formación de una solución con una alta viscosidad de color transparente. Concluyendo en que la curación, también llamada copolimerización, presenta predominio de fuerza entre enlaces químicos, por lo que su estructura será fundible de forma irreversible.

PALABRAS CLAVE: COPOLIMERIZACIÓN/ POLÍMERO_ENTRECRUZADO/ ALTA_VISCOSIDAD/ FUNDICIÓN_IRREVERSIBLE

PRÁCTICA N°6 PREPARACIÓN DE POLÍMEROS TERMOFIJOS 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.Conocer la influencia de los reactivos en el método utilizado. 2. TEORÍA 2.1.Polímeros termofijos “Las resinas termofijas 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.” (Alvarez, 1997) 2.2.Resina Es una sustancia pastosa o sólida que se obtiene de manera natural a partir de una secreción orgánica de ciertas plantas . Gracias a sus propiedades químicas, las resinas se utilizan para la elaboración de perfumes, adhesivos, barnices y aditivos alimenticios, entre otros productos. (Raymond, 2002) 2.3.Baquelita “La baquelita es un compuesto de fenol y formaldehido, que en estado sólido es un buen aislante, duro, susceptible de pulimento y soporta temperaturas de 200 a 300 grados centígrados. Puede ser moldeado en caliente y producirse en serie.” (Weininger, Stermitz, 1988) 2.3.1. Historia y usos. 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. Backland. Se sintetizó a partir de dos 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 la industria del automóvil y de la radio. Fue el precursor de gran cantidad de plásticos de tipo fenol-formaldehido. De hecho, el propio Backland registró más de 400 patentes durante la investigación y el desarrollo de la baquelita. (Weininger, Stermitz, 1988) 2.3.2. Reacción de síntesis

Fig.2.3.2-1. Síntesis de Baquelita

Fuente: Morcillo, J.. (1989). Temas básicos de química. Fig.2.3.2-2. Baquelita reticulada

Fuente: Ullrich, S. (2017). Química Orgánica III 2.4.Urea-formaldehido “Es un polímero tridimensional obtenido a partir de la urea y del formaldehido. Cuando es puro, se ve transparente y por esto es que fue utilizado como el primer tipo de vidrio plástico.” (Raymond, 2002) 2.4.1. Historia y usos.

Las patentes de resinas duras y transparentes termoestables basadas en urea y formaldehido se otorgaron a químicos alemanes e ingleses a principios de los años veinte. En 1925, British Cyanides Company, Ltd., (ahora British Industrial Plastics, Ltd.) introdujo vajillas ligeras e irrompibles fabricadas con su resina de omerania Beetle, y en dos años, American Cyanamid Company había adquirido los derechos para producir Beetleware en los Estados Unidos. Claro en su estado puro, el formaldehido de urea puede ser reforzado con celulosa y tintado por numerosos pigmentos para hacer artículos ligeros, delgados, duros, fuertes, coloridos y translúcidos para el hogar y la cocina. Su resistencia a muchos productos químicos se adecuaba a los frascos de cosméticos y otros recipientes, y su resistencia eléctrica lo hacía deseable para productos tales como tomas de corriente y placas de interruptores. (Encyclopaedia Britannica) 2.4.2. Reacción de síntesis Fig.2.4.2-1. Síntesis de Urea-formaldehido

Fuente: Weininger, S., Stermitz, F.. (1988). Química Orgánica. 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 3.2.Sustancias y reactivos 3.2.1. Urea

R: 0-100 [ml]

A: ± 20 [ml]

R: 0-600 [g]

A: ± 0.01 [g]

R: 0-25 [ml] R: 0-10 [ml]

A: ± 0.1 [ml] A: ± 0.1 [ml]

CH4N2O(s)

3.2.2. Fenol 3.2.3. Formaldehido

C6H6O(l) CH2O(ac)

3.2.4. Ácido Acético glacial

CH3COOH(s)

3.2.5. Ácido clorhídrico (concentrado)| 3.2.6. Agua destilada

HCl(c) H2O(l)

37%p/p 37%p/p

3.2.7. Anaranjado de metilo

C14H14N3NaO3S(s)

3.3.Procedimiento  PARTE A: OBTENCIÓN DE RESINA UREA-FORMALDEHIDO. 3.3.1. Colocar en un tubo de ensayo 3 g de urea con 5 mL de HCl concentrado y agitar con precaución para disolver la urea. 3.3.2. Agregar 30 mL de agua destilada. 3.3.3. Agregar unas gotas de Anaranjado de metilo (o cualquier otro colorante) y 3 mL de Formaldehido. 3.3.4. Agitar y dejar en reposo durante un día hasta que se seque, si esto no ocurre lleve el polímero a una estufa, para eliminar el exceso de agua formado, evitando que este se agriete.  PARTE B: OBTENCIÓN DE BAQUELITA CLASSIC 3.3.5. Colocar en un vaso de precipitación fenol y de formaldehido al 37%, en relación 4:5, (4g de fenol con 5 g de formaldehido). Nota 1: Para no utilizar cálculos de densidades, simplemente tare la balanza al momento de colocar los reactivos en el vaso de precipitación. 3.3.6. Calentar a baño María aproximadamente a 70 °C. Mantener agitación constante esperar que la mezcla sea homogénea y la misma empiece a ebullir. 3.3.7. Colocar en la solución de fenol-formaldehido aún en baño María, aproximadamente 11 mL de ácido acético glacial (Revisar Nota 2), por cada 9 g de la solución de fenol-formaldehido. Esperar 30 segundos y luego pasar la mezcla a 2 o 3vasos de precipitación más pequeños. 3.3.8. En la solución preparada de (fenol-formaldehido-ác. acético glacial) separada, colocar aproximadamente en cada vaso cantidades en relación 2:1 de ácido clorhídrico concentrado (por cada dos partes en volumen o masa de la solución fenol-formaldehido- ác. acético glacial colocar una parte de ácido clorhídrico concentrado); realizar esto para cada vaso por separado, manteniendo las soluciones en baño María y agitación constante hasta observar que la mezcla adquiere alta viscosidad. PRECAUCIÓN: LA REACCIÓN PUDE SER ESPONTÁNEA Y VIOLENTA. 3.3.9. Retirar del calor la solución las soluciones y colocar en moldes de silicona o superficies donde se desee recubrir con la resina. NOTA 2: Si no se cuenta con Ácido Acético Glacial, se lo puede obtener a partir del Ácido Acético de uso común, siguiendo el siguiente procedimiento: 3.3.10. Colocar cierta cantidad de Ácido Acético de uso común en un vaso de precipitación, agitar la solución por un momento, esperar que la solución se homogenice y colocarla en un enfriador a una temperatura aproximada de entre 0 y 4 °C 3.3.11. Observar la formación de cristales debido al proceso de congelamiento de la solución en la parte superior de la mezcla, retirar del enfriador y con una espátula retirar los cristales formados en la parte superior, el resto de la mezcla someter a calentamiento a baño María hasta que vuelva a su estado líquido.

4. PROCESAMIENTO DE DATOS 4.1.Datos Experimentales Tabla4.1-1Resultados del polímero obtenido Polímero

Consistencia

Tiempo de polimerización, h

Baquelita

Rígida, Alta viscosidad.

1

Urea-Formaldehido

Gelatinosa. Baja 0,30 viscosidad Fuente: Laboratorio de Química Orgánica III

Coloración Rosado Rosado

4.2.

Métodos de procesamiento de datos Método cualitativo 4.2.1. Diagrama de flujo 4.2.1.1. PARTE A: Obtención de resina urea-formaldehido. CH4N2O(s) 3 [g]

H2O(l) 30 [ml]

HCl(l) 5 [ml]

Reactor

CH2O(ac 3 [ml]

Agitación

C14H14N3NaO3S(s) 4.2.1.2.PARTE B: Obtención de baquelita classic C6H6O(l) 4 [g]

CH2O(ac) 5 mL

H2SO4(c)

Reactor

Reactor T= 70 [ºC]

4.2.2. Observaciones Tabla 4.2.2-1 Observaciones Experimentales Procedimiento Nomenclatura Observación

Resina Urea-Formaldehido

La urea difícilmente se homogeniza con el HCl, por lo que se asienta en el tubo de ensayo y no existe reacción alguna. Al agregar gotas de C14H14N3NaO3S(s Anaranjado de Metilo y ) agitarlo, la mezcla presenta un precipitado tornándose de color rosado pálido. Baquelita classic Al agregar el Fenol y C6H6O(l) Formaldehido, se observa CH2O(ac) una mezcla transparente con aspectos aceitosos que H2SO4(c) de apoco se unen en una sola fase al agregar energía hasta el punto de ebullición. Al agregar Ácido Sulfúrico la mezcla presenta una reacción exotérmica y se observa viscosidad en la misma. Fuente: Laboratorio de Química Orgánica III CH4N2O(s) HCl(l)

5. DISCUSIÓN El método cualitativo utilizado para la realización de la práctica no fue el indicado puesto que no se pudo observar las características que presentan los polímeros termofijos, como la rigidez, ya que se obtuvieron resinas con un elevado grado de viscosidad debido al predominio de las fuerzas de los enlaces químicos. Durante la práctica existieron errores aleatorios como la incorrecta medición de las cantidades de los reactivos necesarios para que las reacciones se produzcan de la mejor manera, así en la obtención de baquelita se observó un líquido viscoso gomoso y no presentaba endurecimiento al enfriarse por lo que el fenol se encontraba en exceso, o de igual manera no se agregó suficiente ácido sulfúrico para su curado y endurecimiento. La resina urea – formaldehido obtenida presentaba una coloración rosada y cierta viscosidad, según el Ing. Llores Molina de la Universidad Politécnica de Valencia (2009) la resina que se debía obtener era de características sólidas y un color blanquecino, similar al color de la urea. Se recomienda que en la obtención de la resina urea – formaldehido el ácido clorhídrico se agregue gota a gota y de esta manera observar como la solución se va enturbiándose hasta obtener la masa rígida. De igual manera se debe mejorar el método modificando la cantidad de formaldehido y ácido sulfúrico y someter mayor tiempo al calor a la solución fenol-formaldehido para completar la reacción de polimerización.

6. CONCLUSIONES 6.1. En la obtención de la resina urea-formaldehido, el formaldehido reacciona con la urea formando una estructura tridimensional debido a su estructura química y la sustitución electrofílica como reacción principal y a los catalizadores utilizados, al ser tridimensional la resina es insoluble y no fundible formando un polímero termofijo. 6.2. Se pudo observar al momento del calentar la baquelita directamente a la llama, no funde, lo cual quiere decir que es un material termoestable. Esto es así debido a su estructura, que contiene muchos entrecruzamientos en las tres direcciones del espacio, donde predominan la fuerza de los enlaces químicos, que en comparación con los puentes de hidrógeno y las fuerzas Van Der Walls, los enlaces requieren mucha energía para ser separados y por lo tanto el material llega a calcinarse en el proceso. 6.3. Las resinas baquelita y resina ureica se obtuvieron a partir de una síntesis por condensación ya que por medio de este método se combinan distintas moléculas para la formación de cada una de las resinas, dichas resinas preparadas son polímeros termofijos que también los podemos considerar copolimeros debido a que se formaron por la combinación de monómeros distintos. 6.4. Los polímeros termofijos a diferencia de los termoplásticos son rígidos y no fundibles, esto se debe a la estructura de los enlaces químicos entre moléculas; los polímeros termofijos presentan la unión de anillos aromáticos de forma entrecruzada a diferencia de los termoplásticos que presentan estructuras lineales entre sí. 7. APLICACIONES 7.1. BAQUELITA 7.1.1. El atractivo estilo retro de los viejos productos de baquelita y la producción masiva, han hecho que, en los últimos años, los objetos de este material, se lleguen a considerar de colección. Su amplio espectro de uso la hizo aplicable en las nuevas tecnologías del momento, como carcasas de teléfonos y radios, hasta estructuras de carburadores. Se utiliza hasta hoy en asas de cacerolas. Uno de los primeros usos que se le dio a la baquelita fue en el diseño de joyas, seguidamente fue utilizada para productos "caseros" como teléfonos, radios, adornos, y por supuesto pasado el tiempo se le dio un uso en el área militar, como los magazines) cargadores de las famosas AK-47 La aceptación del mecanizado invitó a los diseñadores a utilizar la baquelita en la realización de joyas, constituyéndose en un material presente en adornos, objetos de escritorio, aparatos eléctricos en general, teléfonos, radios, mesas de un exquisito diseño y presencia.(Ecured, 2018) 7.1.2. El Celoron o la Baquelita debido a su gran resistencia al esfuerzo mecánico, al calor, y a las mezclas, y excelentes propiedades eléctricas de los laminados

fenólicos, unidos para que al excelente grado para ser maquinados, El Celoron o la Baquelita tienen infinidad de aplicaciones tanto en la INDUSTRIA ELECTRICA, swiches, tableros, rondanas, engranes, como en la INDUSTRIA DEL ACERO: chumaceras de celoron y cuellos para molinos de laminación; también tienen resistencia a los solventes y ácidos orgánicos, por lo que tienen también aplicaciones en la INDUSTRIA QUIMICA.(Comercio industrial, 2018) 7.2. RESINA UREA FORMALDEHIDO 7.2.1. La urea-formaldehido está en todas partes y se utiliza en muchos procesos de fabricación debido a sus propiedades útiles. Los ejemplos incluyen laminados decorativos, textiles, papel, moldes de fundición de arena, telas anti arrugas, mezclas de algodón, rayón, pana, etc. También se utiliza para pegar madera juntos. La urea formaldehido se utiliza habitualmente cuando se producen revestimiento de aparatos eléctricos (por ejemplo, lámparas de escritorio). La UF también ha sido utilizada como resina de moldeo de adornos y otros utensilios similares, aunque hoy en día se utiliza en muy poca medida siendo reemplazado por materiales termoplásticos. (Tecnología de los plásticos, 2018) 7.3. RESINAS O POLIMEROS TERMIFIJOS 7.3.1. Poliuretanos: Este principalmente se emplean para hacer colchones y para acolchonar muebles, más que todo en la parte automovilística. La mayor parte de las defensas delanteras y traseras de los automóviles se hacen actualmente de uretano elastomérico moldeado. (Polímeros termofijos, 2018) 7.3.2. Poliuretanos rígidos: El enorme uso del poliuretano rígido para la industria de la construcción y como aislante industrial se debe a su propiedad aislante, su resistencia en relación al peso y su resistencia al fuego. Se usa como aislante de tanques, recipientes, tuberías y aparatos domésticos como refrigeradores y congeladores. (Polímeros termofijos, 2018) 7.3.3. Resinas: Los compuestos amino-moldeados son rígidos y duros y se usan en productos tales como gabinetes para radio y botones. Las resinas melamina-formaldehído se emplean en la fabricación de vajillas y productos laminados que sirven para cubrir muebles de cocina, mesas, escritorios. (Polímeros termofijos, 2018) 7.3.4. Resinas fenólicas: Las resinas fenólicas se usan para hacer pegamentos, adhesivos, material aislante, laminados para edificios, muebles, tableros y partes de automóviles. Estas resinas son las más baratas y las más fáciles de moldear. Existen muchas formulaciones con varios refuerzos y aditivos. Los refuerzos pueden ser aserrín de madera, aceites y fibra de vidrio. (Polímeros termofijos, 2018) 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

La baquelita es un polímero termofijo, los cuales no toleran ciclos repetitivos de calentamiento y enfriamiento. A temperaturas elevadas producen una reacción química con el oxígeno por lo cual se endurece el material y lo convierte en un sólido infusible. (Lazaro, J. 2015) Si la baquelita se calienta, se va enconjiendo, achicharrando, debido a que es un polímero termofijo y por los entrecruzamientos que presenta se le es imposible volver a moldearse. 8.2. ¿Por qué se dice que para la baquelita y la resina urea formaldehido son polímeros termofijos por condensación? La polimerización por condensación es la formación de polímeros por mediación de reacciones químicas intermoleculares que normalmente implican más de una especie manométrica y generalmente se origina un subproducto de bajo peso molecular. Las sustancias reactivas tiene formulas químicas diferentes de la unidad que se repite, y la reacción intermolecular ocurre cada vez que se forma una unidad repetitiva. Las reacciones de condensación forman a menudo monómeros trifuncionales capaces de generar polímeros entrecruzados y reticulados. (Callister, 1996) 8.3. Realizar un cuadro comparativo entre polímeros termofijos y termoplásticos. Tabla.8.3-1. Tipos de polímeros Polímeros Termofijos Polímeros termoplásticos Están formados por polímeros unidos Están formados por polímeros que se mediante enlaces químicos, adquiriendo encuentran unidos mediante fuerzas una estructura polimérica altamente intermoleculares o fuerzas de Wan Der Waals, formando estructuras lineales o reticulada ramificadas Fuente: Lazaro, J. (2015). Termoplásticos y termofijos (Características). 8.3.1. Diferencia de propiedades Tabla.8.3.1-1. Diferencia entre tipo de polímeros Polímeros Termofijos Polímeros termoplásticos No se pueden derretir, antes de derretirse Pueden derretirse antes de pasar a un pasan a un estado gaseoso estado gaseoso. Generalmente no reaccionan ante la presencia de ciertos solventes

Permiten una deformación cuando son calentados

Son insolubles

Son solubles en ciertos solventes.

plástica

Alta resistencia al fenómeno de fluencia

Reaccionan ante la presencia de ciertos solventes. Fuente: Lazaro, J. (2015). Termoplásticos y termofijos (Características).

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9.1. Bibliografía 9.1.1. Álvarez, M. L. (1997). El ABC de los plásticos . En M. L. Álvarez, El ABC de los plásticos (pág. 138). Universidad Iberoamericana. 9.1.2. Morcillo, J.. (1989). Temas básicos de química. (2.ª edición). Alhambra Universidad.

9.1.3. Raymond B. Seymour, C. E. (2002). Introducción a la química de los polímeros. México: Reverté. 9.1.4. Weininger, S., Stermitz, F.. (1988). Química Orgánica. Barcelona: España. Editorial Reverté. 9.1.5. Ecured.cu. (2018). Baquelita - EcuRed. Recuperado de: https://www.ecured.cu. 9.1.6. Comercio industrial, (2018). Usos y aplicaciones de los productos Fenolicos Celoron, Baquelita, Bakelita, Celeron, Formica, Lamicoid, Micarta, Duraloy, Recuperado de: http://www.comercioindustrial.net. 9.1.7. Tecnología de los plásticos. (2018). Resinas urea-formaldehido (UF). Recuperado de: http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com 9.1.8. Encycl...