Σύνθεση και Μελέτη Αλάτων Ημιαρωματικών Πολυαμιδίων

Abstract

Η χρήση των πολυαμιδίων στην καθημερινότητα του ανθρώπου έχει επεκταθεί, κυρίως για τα γραμμικά πολυαμίδια με εμπορικό όνομα νάυλον (nylon). Αποτελούν μία από τις σημαντικότερες κατηγορίες μηχανολογικών πλαστικών που κατασκευάζονται με τη μέθοδο της συμπύκνωσης. Χαρακτηρίζονται ως ημικρυσταλλικά υλικά, με υψηλές μηχανικές και βελτιωμένες φυσικοχημικές ιδιότητες. Η ανάγκη εφαρμογής τους, βέβαια, σε συνθήκες υψηλών θερμοκρασιών οδήγησε στη χρήση μονομερών που περιέχουν αρωματικό δακτύλιο. Με τον τρόπο αυτό γίνεται η σύνθεση αρωματικών και ημιαρωματικών πολυαμιδικών δομών. Τα ημιαρωματικά πολυαμίδια βρίσκουν εφαρμογή σε πολλούς βιομηχανικούς κλάδους, με χαρακτηριστικό παράδειγμα την αυτοκινητοβιομηχανία. Το γεγονός αυτό οφείλεται στις βελτιωμένες ιδιότητες που προσφέρουν ως υλικά και στην εύκολη κατεργασία τους. Είναι συχνό, λόγω των υψηλών αντοχών των υλικών να χρησιμοποιούνται για την αντικατάσταση μεταλλικών τμημάτων κατασκευών. Με τον όρο ημιαρωματικό πολυαμίδιο εννοείται ένα πολυαμίδιο που αποτελείται από δύο είδη δομικών μονάδων, η μία εκ των οποίων είναι αρωματική (αρωματική διαμίνη ή αρωματικό διακαρβοξυλικό οξύ). Με βάση την ονοματολογίας τους, μπορεί κάποιος να αντιληφθεί τα μονομερή σύνθεσής του. Για παράδειγμα, για το ημιαρωματικό πολυαμίδιο 4.T (αλλιώς PA 4.T), ο πρώτος αριθμός αναφέρεται στη διαμίνη και συγκεκριμένα στον αριθμό των ατόμων άνθρακα της γραμμικής της αλυσίδας. Το δεύτερο χαρακτηριστικό του ονόματος του πολυαμιδίου (στην συγκεκριμένη περίπτωση το γράμμα Τ), καθορίζει το δικαρβοξυλικό οξύ από το οποίο προέρχεται το πολυαμίδιο αυτό, όπου το γράμμα T χαρακτηρίζει τη χρήση τερεφθαλικού οξέος. Κατά τη σύνθεση του πολυαμιδίου κατασκευάζεται αρχικά ένα μονομερές του, το αντίστοιχο άλας του. Ο σχηματισμός του περιλαμβάνει την αντίδραση εξουδετέρωσης διαμίνης με δικαρβοξυλικό οξύ. Η αντίδραση πραγματοποιείται κάτω από στοιχειομετρικές συνθήκες και με διάφορες μεθόδους. Στη συνέχεια ακολουθεί ο πολυμερισμός του άλατος κάτω από τις κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. vi Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής υπήρξε η σύνθεση του μονομερούς, δηλαδή αλάτων ημιαρωματικών πολυαμιδίων. Επίκεντρο της εργασίας υπήρξε η χρήση τερεφθαλικού οξέος, που προσέδωσε το αρωματικό τμήμα, με ποικίλες αλειφατικές διαμίνες, και συγκεκριμένα υπήρξε εμβάθυνση στη σύνθεση με χρήση της τετραμεθυλοδιαμίνης (TMD). Έγινε προσπάθεια για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, μέσα από χρήση διάφορων μεθόδων και συνθηκών. Το δεύτερο κομμάτι της πειραματικής εργασίας, περιελάμβανε το χαρακτηρισμό των πολυαμιδικών αυτών αλάτων. Κύριος στόχος ήταν ο έλεγχος των θερμικών τους ιδιοτήτων, αλλά και λοιπών άλλων φυσικοχημικών. Έγινε ταυτοποίηση και χαρακτηρισμός των προϊόντων με αναλυτικές, θερμικές και φασματομετρικές μεθόδους. Τα συμπεράσματα στα οποία καταλήγει η εργασία αυτή δίνουν έναυσμα για περαιτέρω μελέτη αντίστοιχων υλικών, αφού οι ιδιότητες των υλικών είναι βελτιωμένες.

The daily use of polyamides has expanded, mainly for linear polyamides, which are commonly known as nylon. They constitute the major class of polymers synthesized by condensation process. They are characterized as semi-crystalline materials with improved mechanical and physicochemical properties. The need to be used at high temperature conditions led in the use of monomers, which contain aromatic rings. This results to the synthesis of aromatic polyamides and semi-aromatic structures. The semi-aromatic polyamides are used in many industries. As an example is the automotive industry. They are used, due to their improved properties and their easy-to-process behavior. It is common for this material to be used in order to replace metal parts of structures, due to its high strength. By using the term of semi-aromatic polyamide, is meant a polyamide composed of two kinds of structural units, one of which is aromatic (aromatic diamine or aromatic dicarboxylic acid). Based on the terminology, the monomers that have been used, can be perceived. For example, for the semi-aromatic polyamide 4.T (or PA 4.T), the first number refers to the diamine and especially to the number of carbon atoms of the linear chain. The second characteristic symbol in the polyamide name (in this case the letter T) determines the dicarboxylic acid from which the polyamide is consisted. The letter T characterizes the use of terephthalic acid. During the synthesis of semi-aromatic polyamide, initially a monomer is manufactured, the salt of polyamide. This synthesis takes place by one neutralizing reaction between a diamine and a dicarboxylic acid. The reaction is carried out under stoichiometric conditions and with various methods. By the end, the polymerization of the salt takes place under the appropriate conditions of temperature and pressure. The purpose of the present study is the synthesis of the monomer, that is to say semi-aromatic polyamide salt. This work focuses on the use of terephthalic acid, which consists the aromatic part, with various aliphatic diamines, and basically on the salt composition by using tetramethylodiamine (TMD). There was an effort in order to optimize the process, through using various methods and conditions. viii The second part of the experimental study includes the characterization of the polyamide salt. The main objective was to check out its thermal and physicochemical properties. Analytical, thermal and spectrometric methods were used, for the identification and characterization of the salt. The outcome of this work gives rise to further study of relevant materials, as far as the improvement of their properties are concerned.