КОЛИЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗОПРЕНОВЫХ ФРАГМЕНТОВ СТРУКТУРЫ ГАЛОБУТИЛКАУЧУКОВ МЕТОДОМ 1Н-ЯМР СПЕКТРОСКОПИИ
|
Нормативные ссылки 4
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Галогенированные бутилкаучуки как объекты исследования 10
1.1.1 Общая информация о структуре и свойствах галогенированных
бутилкаучуков 10
1.1.2 Саженаполненный галогенированный бутилкаучук 16
1.1.3 Хлорбромбутилкаучуки - новые объекты для исследования 18
1.2 Методы определения структурных особенностей полимеров 19
1.2.1 Методы исследования галогенированных бутилкаучуков 19
1.2.2. Современное состояние ЯМР-спектроскопии 31
1.2.3 Особенности ЯМР-спектроскопии полимеров. Влияние различных
факторов на ЯМР-спектры полимеров 39
1.3 Постановка задачи исследования 44
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1 Объекты исследования 45
2.2 Методы исследования 46
Глава 3. Выбор оптимальных условий для количественного определения изопреновых фрагментов структуры галобутилкаучуков и их модифицированных аналогов методом ЯМР-спектроскопии 51
Глава 4. Методика количественного определения структурных
фрагментов ГБК методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения.
Метрологическая оценка. Применение методики к ГБК, содержащим примеси 59
4.1 Методика количественного определения структурных фрагментов ГБК
методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения 59
4.2 Применение методики к ГБК, содержащим технический углерод 72
Глава 5. Разработка способа количественного определения смесей галогенированных бутилкаучуков 75
Выводы 87
Список литературы 88
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 95
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 97
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 102
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 106
Обозначения и сокращения 5
Введение 6
Глава 1. Литературный обзор 10
1.1 Галогенированные бутилкаучуки как объекты исследования 10
1.1.1 Общая информация о структуре и свойствах галогенированных
бутилкаучуков 10
1.1.2 Саженаполненный галогенированный бутилкаучук 16
1.1.3 Хлорбромбутилкаучуки - новые объекты для исследования 18
1.2 Методы определения структурных особенностей полимеров 19
1.2.1 Методы исследования галогенированных бутилкаучуков 19
1.2.2. Современное состояние ЯМР-спектроскопии 31
1.2.3 Особенности ЯМР-спектроскопии полимеров. Влияние различных
факторов на ЯМР-спектры полимеров 39
1.3 Постановка задачи исследования 44
Глава 2. Объекты и методы исследования 45
2.1 Объекты исследования 45
2.2 Методы исследования 46
Глава 3. Выбор оптимальных условий для количественного определения изопреновых фрагментов структуры галобутилкаучуков и их модифицированных аналогов методом ЯМР-спектроскопии 51
Глава 4. Методика количественного определения структурных
фрагментов ГБК методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения.
Метрологическая оценка. Применение методики к ГБК, содержащим примеси 59
4.1 Методика количественного определения структурных фрагментов ГБК
методом спектроскопии ЯМР высокого разрешения 59
4.2 Применение методики к ГБК, содержащим технический углерод 72
Глава 5. Разработка способа количественного определения смесей галогенированных бутилкаучуков 75
Выводы 87
Список литературы 88
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 95
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 97
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 100
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 102
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 104
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 106
Галобутилкаучуки (ГБК) являются полимерами важного промышленного значения, находя широкое применение в шинной промышленности, а также в медицине, строительстве и автомобилестроении. ГБК представляют собой производные бутилкаучука (БК), полученные с помощью ионного галогенирования двойных связей изопреновых фрагментов, в качестве заместителей при этом используются бром или хлор. Для таких продуктов обычно массовое содержание брома находится на уровне 2%, а хлора 1,3%. В результате галогенирования получают различные замещенные формы изопреновых звеньев. Количественное содержание данных форм в ГБК незначительно (менее 3%), однако определяет такие важные характеристики каучука как скорость вулканизации и конечные физико-механические свойства получаемых продуктов. В этой связи качественное и количественное содержания галогенированных форм в ГБК представляется особенно важным, так как позволяет установить возможные характеристики продуктов. В настоящее время характеристики ГБК определяются рядом косвенных методов, не позволяющих однозначно судить о структуре. Поэтому в данной работе использовалась ЯМР-спектроскопия как наиболее информативный метод.
При производстве бромбутилкаучука (ББК) мировыми производителями используется растворная технология бромирования, имеющая ряд недостатков, а именно: многостадийность процесса, высокий уровень энергетических затрат, а также неблагоприятное влияние на окружающую среду.
Одним из способов решения вышеперечисленных проблем может стать разработка твердофазной технологии бромирования. Определение структурных характеристик образцов ББК, полученных галогенированием в твердой фазе, адекватно возможно только методом ЯМР, вследствие высокого содержания углерода в таких образцах.
Другие замещенные бутилкаучуки (БК) не получили пока такого широкого применения, как галогенированные БК. Однако следует отметить бромхлорированный (хлорбромированный) каучук как один из перспективных. Так, хлорбромированный БК, содержащий 1,6-1,8% (масс) Вг2 и 0,18-0,20 (масс) С12, превосходит ХБК по способности к совулканизации с высоконепредельными каучуками и ББК по стабильности к отщеплению галогенводорода.
В связи с этим представляет интерес попытка применения метода 1Н ЯМР спектроскопии для совместного качественного и количественного определения хлора и брома в бутилкаучуке.
Цель работы: Разработка способа количественного определения изопреновых фрагментов в структуре галобутилкаучуков, раскрытие их структурных особенностей методом 1Н ЯМР спектроскопии.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- Исследование влияния различных факторов на спектральные характеристики ЯМР-спектров ГБК. Выбор оптимальных условий для количественного определения изопреновых фрагментов структуры ГБК методом ЯМР- спектроскопии;
- Разработка методики количественного определения мольных долей различных изопреновых фрагментов в структуре ГБК методом 1Н ЯМР спектроскопии;
- Изучение влияния примеси в виде технического углерода в образцах галобутилкаучуков на аналитический сигнал 1Н ЯМР спектра;
- Разработка способа количественного анализа смесей галогенированных бутилкаучуков, содержащих хлор и бром одновременно.
Научная новизна:
1. Впервые установлены условия количественного определения основных форм в ГБК (1,4 изопрен, экзо-форма), и его основных характеристик в виде общей и остаточной непредельности, содержания галогена методом 1Н ЯМР: подобраны зоны интегрирования для расчетов, выведены формулы
расчета основных характеристик ГБК.
2. Разработаны методики расчета общей непредельности, остаточной
непредельности, экзо-формы и содержания галогена в структуре галобутилкаучуков с использованием 1Н ЯМР спектра.
3. Разработан способ совместного определения хлор- и бромсодержащих фрагментов в смеси каучуков или образцах, полученных при комбинированном галогенировании, методом 1Н ЯМР спектроскопии.
4. Впервые исследовано влияние примеси (технического углерода) в образцах на величину аналитического сигнала. Показано, что его присутствие не мешает количественной обработке 1Н ЯМР спектра и не влияет на достоверность результатов.
Практическая значимость:
На основании полученных результатов разработана методика количественного определения мольных долей различных изопреновых фрагментов в структуре ГБК методом 1Н ЯМР спектроскопии высокого разрешения. Проведена метрологическая оценка методики. Методика аттестована в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) ФГУП «УНИИМ». Свидетельство об аттестации методики измерений № 224.0275/01.00258.2010.
Методика предназначена для использования в испытательно-лабораторном центре ООО «НИОСТ» г. Томск и может быть рекомендована для других лабораторий и производственных предприятий, занимающихся производством галобутилкаучуков.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния различных факторов на спектральные характеристики ЯМР-спектров ГБК; оптимальные условия для количественного определения изопреновых фрагментов структуры ГБК методом ЯМР-спектроскопии.
2. Методики расчета общей непредельности, остаточной непредельности, экзо-формы изопреновых фрагментов и содержания галогена в структуре галобутилкаучуков с использованием 1Н ЯМР спектра.
3. Результаты исследования влияния примеси технического углерода в образцах галобутилкаучуков на аналитический сигнал 1Н ЯМР спектра.
4. Результаты количественного анализа смесей ГБК при совместном присутствии хлора и брома.
Достоверность полученных данных обусловлена достаточным объемом экспериментов, проведенных с применением современных аналитических методов. Метрологическая обработка результатов показывает хорошую сходимость полученных экспериментальных данных, которые также хорошо согласуются с литературными данными.
Апробация работы. Результаты работы представлены на Международной конференции EUROMAR 2011, Magnetic Resonance Conference (Франкфурт-на- Майне, Германия 2011); на XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г.Томск, 22-25.04.2014г., на XXXII-XXXIII Международной заочной научно¬практической конференции «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии», сентябрь 2015г., на XLIII Международная заочная научно - практическая конференция «Научная дискуссия: инновации в современном мире», ноябрь 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы, содержит 106 страниц, включает 27 рисунков, 18 таблиц, 7 приложений и список использованной литературы из 65 наименований.
При производстве бромбутилкаучука (ББК) мировыми производителями используется растворная технология бромирования, имеющая ряд недостатков, а именно: многостадийность процесса, высокий уровень энергетических затрат, а также неблагоприятное влияние на окружающую среду.
Одним из способов решения вышеперечисленных проблем может стать разработка твердофазной технологии бромирования. Определение структурных характеристик образцов ББК, полученных галогенированием в твердой фазе, адекватно возможно только методом ЯМР, вследствие высокого содержания углерода в таких образцах.
Другие замещенные бутилкаучуки (БК) не получили пока такого широкого применения, как галогенированные БК. Однако следует отметить бромхлорированный (хлорбромированный) каучук как один из перспективных. Так, хлорбромированный БК, содержащий 1,6-1,8% (масс) Вг2 и 0,18-0,20 (масс) С12, превосходит ХБК по способности к совулканизации с высоконепредельными каучуками и ББК по стабильности к отщеплению галогенводорода.
В связи с этим представляет интерес попытка применения метода 1Н ЯМР спектроскопии для совместного качественного и количественного определения хлора и брома в бутилкаучуке.
Цель работы: Разработка способа количественного определения изопреновых фрагментов в структуре галобутилкаучуков, раскрытие их структурных особенностей методом 1Н ЯМР спектроскопии.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
- Исследование влияния различных факторов на спектральные характеристики ЯМР-спектров ГБК. Выбор оптимальных условий для количественного определения изопреновых фрагментов структуры ГБК методом ЯМР- спектроскопии;
- Разработка методики количественного определения мольных долей различных изопреновых фрагментов в структуре ГБК методом 1Н ЯМР спектроскопии;
- Изучение влияния примеси в виде технического углерода в образцах галобутилкаучуков на аналитический сигнал 1Н ЯМР спектра;
- Разработка способа количественного анализа смесей галогенированных бутилкаучуков, содержащих хлор и бром одновременно.
Научная новизна:
1. Впервые установлены условия количественного определения основных форм в ГБК (1,4 изопрен, экзо-форма), и его основных характеристик в виде общей и остаточной непредельности, содержания галогена методом 1Н ЯМР: подобраны зоны интегрирования для расчетов, выведены формулы
расчета основных характеристик ГБК.
2. Разработаны методики расчета общей непредельности, остаточной
непредельности, экзо-формы и содержания галогена в структуре галобутилкаучуков с использованием 1Н ЯМР спектра.
3. Разработан способ совместного определения хлор- и бромсодержащих фрагментов в смеси каучуков или образцах, полученных при комбинированном галогенировании, методом 1Н ЯМР спектроскопии.
4. Впервые исследовано влияние примеси (технического углерода) в образцах на величину аналитического сигнала. Показано, что его присутствие не мешает количественной обработке 1Н ЯМР спектра и не влияет на достоверность результатов.
Практическая значимость:
На основании полученных результатов разработана методика количественного определения мольных долей различных изопреновых фрагментов в структуре ГБК методом 1Н ЯМР спектроскопии высокого разрешения. Проведена метрологическая оценка методики. Методика аттестована в Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) ФГУП «УНИИМ». Свидетельство об аттестации методики измерений № 224.0275/01.00258.2010.
Методика предназначена для использования в испытательно-лабораторном центре ООО «НИОСТ» г. Томск и может быть рекомендована для других лабораторий и производственных предприятий, занимающихся производством галобутилкаучуков.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты исследования влияния различных факторов на спектральные характеристики ЯМР-спектров ГБК; оптимальные условия для количественного определения изопреновых фрагментов структуры ГБК методом ЯМР-спектроскопии.
2. Методики расчета общей непредельности, остаточной непредельности, экзо-формы изопреновых фрагментов и содержания галогена в структуре галобутилкаучуков с использованием 1Н ЯМР спектра.
3. Результаты исследования влияния примеси технического углерода в образцах галобутилкаучуков на аналитический сигнал 1Н ЯМР спектра.
4. Результаты количественного анализа смесей ГБК при совместном присутствии хлора и брома.
Достоверность полученных данных обусловлена достаточным объемом экспериментов, проведенных с применением современных аналитических методов. Метрологическая обработка результатов показывает хорошую сходимость полученных экспериментальных данных, которые также хорошо согласуются с литературными данными.
Апробация работы. Результаты работы представлены на Международной конференции EUROMAR 2011, Magnetic Resonance Conference (Франкфурт-на- Майне, Германия 2011); на XI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г.Томск, 22-25.04.2014г., на XXXII-XXXIII Международной заочной научно¬практической конференции «Научная дискуссия: вопросы математики, физики, химии, биологии», сентябрь 2015г., на XLIII Международная заочная научно - практическая конференция «Научная дискуссия: инновации в современном мире», ноябрь 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованной литературы, содержит 106 страниц, включает 27 рисунков, 18 таблиц, 7 приложений и список использованной литературы из 65 наименований.
1. Проведено исследование влияния различных факторов: природы растворителя, концентрации растворов ГБК на спектральные характеристики ЯМР-спектров галобутилкаучуков. Выбраны оптимальные условия для количественного определения изопреновых фрагментов структуры галобутилкаучуков и их модифицированных аналогов методом 1Н ЯМР- спектроскопии.
2. Разработана методика количественного анализа бромированных и хлорированных бутилкаучуков методом 1Н ЯМР спектроскопии, позволяющая определять такие важнейшие параметры ГБК, как содержание экзо-формы галогенированных изопреновых фрагментов каучука, а также как общая и остаточная непредельность. Выбраны пределы интегрирования для каждого из характеристических пиков спектра, дающие при расчете наименьшую погрешность.
3. Исследованы образцы бромбутилкаучука, содержащие значительное количество технического углерода вследствие особенностей технологии бромирования. Показано, что содержание данной примеси не влияет на достоверность результатов количественного анализа ББК методом ЯМР, а значит, данный метод может использоваться для количественного определения изопреновых фрагментов структуры бромированных бутилкаучуков.
4. Определены условия совместного определения хлор- и бромсодержащих фрагментов в смеси каучуков или образцах, полученных при комбинированном галогенировании. Количественный анализ смеси хлор- и бромбутилкаучуков методом 1Н ЯМР спектроскопии показал достоверность результатов при их содержании в образцах в равных соотношениях.
2. Разработана методика количественного анализа бромированных и хлорированных бутилкаучуков методом 1Н ЯМР спектроскопии, позволяющая определять такие важнейшие параметры ГБК, как содержание экзо-формы галогенированных изопреновых фрагментов каучука, а также как общая и остаточная непредельность. Выбраны пределы интегрирования для каждого из характеристических пиков спектра, дающие при расчете наименьшую погрешность.
3. Исследованы образцы бромбутилкаучука, содержащие значительное количество технического углерода вследствие особенностей технологии бромирования. Показано, что содержание данной примеси не влияет на достоверность результатов количественного анализа ББК методом ЯМР, а значит, данный метод может использоваться для количественного определения изопреновых фрагментов структуры бромированных бутилкаучуков.
4. Определены условия совместного определения хлор- и бромсодержащих фрагментов в смеси каучуков или образцах, полученных при комбинированном галогенировании. Количественный анализ смеси хлор- и бромбутилкаучуков методом 1Н ЯМР спектроскопии показал достоверность результатов при их содержании в образцах в равных соотношениях.



