Основные способы синтеза бензоксазиновых мономеров

1,3-бензоксазины были впервые синтезированы Холли и Коуп в 1940 году, однако, возможность полимеризации этих мономеров с раскрытием цикла было установлено гораздо позже.

Для получения бензоксазинов используют реакцию взаимодействия фенола, формальдегида и первичного амина в молярном соотношении 1:2:1 соответственно, как показано на рисунке 2. Сначала проводят конденсацию первичного амина с формальдегидом с образованием N,N-диметилоламина (1), который затем подвергают взаимодействию с фенолом (или с его производным) (рис. 2).

Рисунок 2 – Схема реакции синтеза бензоксазинов

В качестве альтернативы, реакцию взаимодействия n-замещенного фенола с формальдегидом и с первичным амином осуществляют также в молярном соотношении 1:1:1, т.е. через формирование основания Манниха (3). Эти взаимодействия в дальнейшем приводят к образованию 2Н, 4Н-бензо [e] 1,3-оксазина.

Детальные механизмы приведенных выше реакций синтеза бензоксазинов могут быть представлены следующим образом:

§ при молярном соотношении исходных реагентов 1:2:1

§ при молярном соотношении исходных реагентов 1:1:1

Аналогичным образом, бифункциональные бензоксазиновые мономеры могут быть получены при взаимодействии бифункциональных аминов с одноатомными фенолами или при взаимодействии двухатомных фенолов с монофункциональными аминами.

Несмотря на то, что синтез бензоксазиновых мономеров с использованием различных типов фенолов и первичных аминов является весьма удобным и экономически эффективным способом и осуществляется довольно легко, выбор исходных реагентов оказывает существенное влияние на выход реакции.

Было установлено наличие электроноакцепторных функциональных групп (-COОH, -CN и т.д.) в структуре используемых фенолов или первичных аминов, являются ответственными за снижением выхода реакции. Кроме того, достаточно трудно синтезировать бензоксазиновые мономеры, содержащие свободные фенольные группы – ОН.

Полибензоксазины, которые обычно получают путем полимеризации с раскрытием кольца 3,4-дигидро-2Н-бензо [e] 1,3-оксазиновых мономеров мономеров, дают новый класс термореактивных смол для полимерных композитов с возможностью их применения в аэрокосмической отрасли.

4 Полибензоксазины – новый класс термореактивных материалов

Эпоксидные, полиамидные, а также фенольные смолы являются известными термореактопластами, широко используемыми в промышленности. Материалы этого класса применяются в тех случаях, когда требуется наличие высокой прочности и термической стабильности. Некоторые конкретные области применения включают авиацию и машиностроение, а также производство клеевых композиций, волокон или наполнителей, армированных композиционных материалов.

Бензоксазиновые мономеры синтезируют по известной реакции Манниха путем конденсации первичного амина с фенолом и формальдегидом. Многие фенолы и амины, пригодные для проведения синтеза, доступны по низким ценам.

В последние годы материалы на основе полибензоксазинов приобрели повышенный интерес среди реактопластов из-за наличия у них превосходных свойств, позволяющих устранить некоторые недостатки традиционных эпоксидных, бисмалеимидных, а также фенол-формальдегидных смол новолачного и резольного типов.

Уникальные свойства полибензоксазинов делают их пригодными для применения в различных областях промышленности, в которых традиционные реактопласты не могут быть применены.

Преимуществами материалов на их основе являются: низкое водопоглощение, несмотря на наличие множества гидрофильных групп в основной цепи; устойчивость к воздействию химических реагентов; высокая температура стеклования; хорошие термические, механические, физические и электрические свойства; обладают пониженной горючестью, высокой прочностью и высоким модулем упругости.

Процесс отверждения обычных термореактивных полимеров, как правило, сопровождается большой объемной усадкой, что вызывает серьезные проблемы, связанные с возникновением внутренних напряжений, пустот и трещин в отвержденной смоле. Отличительная черта полибензоксазиновых смол заключается в практически нулевой усадке при отверждении. Их синтез представляет собой термически инициируемый процесс полимеризации 1,3 – бензоксазиновых мономеров, происходящий без применения каких-либо инициаторов и катализаторов. Эти мономеры могут быть получены из недорогого сырья, а процесс их полимеризации, протекающий с раскрытием бензоксаинового цикла, не сопровождается выделением каких-либо побочных продуктов.

Важно также отметить, что полибензоксазинам присущ ряд недостатков, а именно: повышенная хрупкость, свойственная практически всем реактопластам, высокая температура отверждения (200 ⁰С и более), наличие некоторых сложностей, связанных с переработкой.

Существует несколько способов (путей), применяемых для улучшения механических свойств таких материалов:

1. Синтез бензоксазиновых мономеров с дополнительными функциональными группами;

2. Включение бензоксазиновых фрагментов в состав цепей различных полимеров;

3. Синтез композиционных полимерных материалов на основе полибензоксазинов [1, 3, 4].