Способ получения полиакриловой кислоты

Полиакриловая кислота: способ получения, свойства, структура и практическое применение

Полиакриловая кислота – уникальный полимер, обладающий высокой способностью к поглощению воды. Это соединение биологически инертно, поэтому оно широко используется при изготовлении гигиенических и косметических средств, а также в качестве вспомогательного материала в медицине. Еще более широкая сфера применения у полиакрилатов (соли кислоты), которые имеют улучшенные физико-механические свойства.

Описание

Полиакриловая кислота представляет собой высокомолекулярное вещество, мономерным звеном которого является соединение СН2=СН−СООН (акриловая или пропеновая, этенкарбоновая кислота). Этот полимер характеризуется отсутствием токсичности, хорошей растворимостью в воде и стойкостью к высокощелочным средам.

Химическая формула полиакриловой кислоты — (C₂H₃COOH) _n. Структурная формула соединения представлена на рисунке ниже.

Полиакриловая кислота – это типичный представитель слабых поликислот. Ее макромолекулы имеют функциональные группы, обладающие способностью к электролитической диссоциации. По внешнему виду она представляет собой прозрачную жидкость янтарного цвета или белый гранулированный порошок.

Свойства

Основными физико-химическими свойствами полиакриловой кислоты являются:

• Температура, при которой данный полимер становится твердым, минуя фазу кристаллизации (стеклообразное состояние) – 106 °C.
• При нагревании происходит образование ангидридов, а если температура превышает 250 °С, то начинается реакция отщепления диоксида углерода из карбоксильной группы – COOH, а также сшивание макромолекул, что приводит к получению полимеров пространственного строения и увеличению степени полимеризации.
• Соли этого полимера обладают большей термической стойкостью. Это свойство используется для получения прочных волокон с привитым слоем полиакриловой кислоты.
• При взаимодействии со щелочами (C₂H₃COOH) _n образует соли, в реакции со спиртами — сложные эфиры.
• После полимеризации в растворителях полимер становится твердым и хрупким и сохраняет эти качества даже при температуре 240 °C.
• При реакции низкомолекулярных спиртов с данной кислотой получают сложные эфиры разного пространственного строения.
• Резкое изменение свойств полимера происходит при очень малой степени превращения функциональных групп (для сшивания молекул массой 50 кДа требуется только 0,1% этиленгликоля).

Одним из свойств водного раствора полиакриловой кислоты является то, что при увеличении молекулярной массы данного полимера возрастает также и вязкость раствора, что связано с ростом макромолекул и их воздействием на воду. В то же время вязкость раствора не зависит от приложенного напряжения сдвига и является постоянной величиной в широком диапазоне измерений, в отличие от других полиэлектролитных полимеров. Волокна полиакриловой кислоты при изменении кислотности раствора претерпевают сокращение или удлинение в результате превращения химической энергии в механическую.

Растворимость

(C₂H₃COOH) _n хорошо растворяется в следующих веществах:

• вода;
• диэтилендиоксид;
• метиловый и этиловый спирт;
• амид муравьиной кислоты;
• диметилформамид.

Водный раствор полиакриловой кислоты обладает полиэлектролитным эффектом (способен к электролитической диссоциации), который увеличивается по линейной зависимости при росте степени нейтрализации.

Вещество нерастворимо в таких соединениях, как:

• мономер акриловой кислоты;
• ацетон;
• этоксиэтан;
• углеводороды.

С катионными растворами и ПАВ вещество может образовывать нерастворимые соли.

Получение

Синтез полиакриловой кислоты производят с помощью полимеризации мономера. Реакция происходит в водной среде, куда добавляют сшивающий агент, или в органических растворителях. Смешивание обычно производится в реакторе с лопастными мешалками, а поверхность оборудования охлаждают до 70 °C жидким хладагентом. Конечный продукт представляет собой гель – гидрофильный полимер, активно впитывающий влагу.

Более стабильный водный раствор кислоты можно получить под воздействием перекиси водорода и добавлением небольшого количества пара-дигидроксибензола с тиогликолятом натрия, применяемых для регулирования молекулярной массы. Конечный продукт реакции используется в стоматологии.

Применение полиакриловой кислоты

Наибольшее распространение этот полимер получил в качестве суперадсорбента (для захвата и удерживания жидкости) в наполнителях для детских и взрослых подгузников, гигиенических прокладок, одноразовых пеленок и прочих подобных изделий.

Другими областями, где используется полиакриловая кислота, являются:

• сельское хозяйство – материал для улучшения свойства почв;
• промышленность – стабилизаторы и флокулянты коллоидных растворов;
• кожевенное и текстильное производство – вещества для снижения электризации при выделке кож и получении волокон;
• электроника – связующий компонент в литий-ионных аккумуляторах;
• промышленное производство – в системах водяного охлаждения и кондиционирования в качестве ингибитора отложений и компонента, поддерживающего однородность смесей (электростанции, сталелитейные и нефтеперерабатывающие заводы, производство удобрений).

Также это вещество применяется в качестве добавки при производстве пленок, которые улучшают их способность окрашиваться и сцепляться с другими материалами.

Медицина

Кислота и ее соли используются в медицине в следующих целях:

• носитель активных веществ;
• компонент кровоостанавливающих мазей, тканых и нетканых материалов, применяемых при ожогах и воспалениях для ускорения заживления ран;
• связующая добавка в пломбировочных материалах в стоматологии.

Преимуществом данного материала является то, что он биологически инертен, и его можно применять вместе с биоактивными соединениями (ферментами, антибиотиками, факторами роста и другими).

Полиакрилаты

Соли полиакриловой кислоты представляют собой полимеры сложных эфиров данного соединения. По внешнему виду они напоминают парафины. Для них характерны следующие свойства:

• устойчивость к воздействию разбавленных щелочей и кислот, света и кислорода;
• разложение растворами щелочей наблюдается при температуре 80–100 °C, при этом образуется полиакриловая кислота;
• при нагревании свыше 150 °C происходит их термодеструкция, молекулы полиакрилатов сшиваются, выделяются мономер (около 1%) и летучие продукты;
• полиакрилаты хорошо растворимы в мономерах, эфирах, углеводородах и ацетоне.

Соли полиакриловой кислоты получают эмульсионной или суспензионной полимеризацией, при изготовлении в маленьких масштабах – блочной полимеризацией.

Использование полиакрилатов

Данные соединения находят применение в производстве следующих материалов:

• органическое стекло;
• различные пленки;
• синтетические волокна;
• лакокрасочные материалы (эмали, лаки, смолы);
• клеевые и пропиточные составы (эмульсии) для тканей, бумаги, кожи, дерева.

Лаки на основе полиакрилатов обладают высокими эксплуатационными характеристиками:

• высокая адгезия к металлическим и пористым поверхностям;
• хорошие декоративные качества;
• стойкость к воде, ультрафиолетовому излучению, воздействию атмосферы, щелочам;
• длительное сохранение декоративных свойств (блеск и эластичность) – до 10 лет.

Они применяются для окрашивания таких изделий как:

• автомобили, самолеты и другая техника;
• сортовой металл;
• пластмассы;
• полиграфическая продукция;
• изделия электротехнической отрасли;
• пищевая промышленность (производство консервных банок).

Полиакрилат натрия

Натриевая соль полиакриловой кислоты (Sodium polyacrylate) очень хорошо растворяется в воде и не меняет свою структуру даже при температуре 240 °C. Это соединение применяется при приготовлении пресных или соленых растворов для уменьшения их вязкости. Полиакрилат натрия способен эмульгировать микрокристаллы, микропесок из карбонатов, сульфатов и фосфатов.

Вещество находит применение в следующих отраслях:

• нефтедобывающая промышленность – приготовление буровых растворов;
• химическая промышленность – изготовление моющих средств, искусственного снега, а также в качестве загустителя лакокрасочных материалов;
• сельское хозяйство – производство удобрений;
• бумажно-целлюлозная промышленность – изготовление салфеток, туалетной бумаги;
• производство санитарно-технической керамики.

Буровые растворы, приготовленные с добавлением этого соединения, обладают следующими преимуществами:

• невысокая плотность;
• тонкодисперсность;
• хорошая кислоторастворимость, необходимая при вскрытии пласта;
• устойчивость к высоким температурам (до 240 °C);
• экологическая безопасность.

Косметология

В косметической промышленности полиакрилат натрия применяется в качестве загустителя при изготовлении таких средств, как:

• лаки для волос;
• гели для душа;
• кремы;
• шампуни;
• маски для лица;
• пена для ванн.

Уникальность свойств этой добавки заключается в том, что каждая мельчайшая частица полиакрилата натрия набухает в воде и создает на коже ощущение бархатистости и гладкости. Так как вещество имеет силиконоподобное эластомерное строение, то оно является хорошим текстурирующим агентом. Достоинствами косметических средств с его добавлением является и то, что они не становятся липкими, могут давать матовый или сатиновый результат. Некоторые производители добавляют полиакрилат натрия в состав декоративной косметики.

Источник

Полиакриловая кислота: свойства и применение

Полиакриловая кислота – или как ее еще по-другому называют поликарбоксиэтилен, это полимер кислоты, носящей название «акриловая». Получают данный полимер реакцией радикальной полимеризации в водном растворе или в органическом растворителе, полимеризации же подвергается акриловая кислота.

Акриловая кислота – это органическое вещество, является представителем одноосновных карбоновых кислот, непредельных кислот.

Свойства

Полиакриловая кислота, соли полиакриловой кислоты – это бесцветные полимеры, они не обладают прочностными характеристиками и очень хрупкие.

• Температура стеклования полиакриловой кислоты – 1060С.
• Температура стеклования натриевой соли полиакриловой кислоты – 2300С.
• При повышении температуры происходит ангридизация кислоты, с формированием циклических ангидридных звеньев.
• Если поднять температуру свыше 2500С, то пойдет реакция декабоксилирования и сшивания. Данное свойство во многом определяет область использования полиакриловой кислоты.
• Что касается растворимости полиакриловой кислоты, то она хорошо растворима в следующих соединениях: этиловом и метиловом спиртах, диоксане, ДМФА, формамиде.
• Не растворима: в ацетоне, углеводородах, в своем мономере, диэтиловом эфире.
• Способность к ионизации: полиакриловая кислота является слабым полиэлектролитом. В простом, бессолевом растворе рКа=4,8 и возрастает данный коэффициент линейно с увеличением степени нейтрализации.
• Вязкость: вязкость водного раствора полиакриловой кислоты увеличивается при возрастании степени нейтрализации.
• Что касается растворов полиакриловой кислоты, полученных на водной основе, то для них характерен полиэлектроитный эффект.

Полиакриловая кислота имеет свойство образовывать с растворами катионных полимерных соединений, поверхностно-активных веществ, некоторых соединений лекарственных препаратов нерастворимые комплексные соединения. Образованию данных комплексов способствуют силы электростатического притяжения. Кроме того, полиакриловая кислота может образовывать комплексные соединения за счет водородных связей с полимерами, не образующими ионы. Что также влияет на область применения.

Применение

Полиакриловая кислота, в сухом виде нашла широкое применение в качестве осушителя. Это позволило создать уникальную вещь, как подгузники, без которых сейчас не существует ни один малыш, которые облегчили жизнь миллионам мамочек.

Также она применяется, как стабилизатор и флокулянт в отдельных технологических процессах. Флокулянты – это отдельные суперсоединения. Они очень широко применяется в системах очистки сточных вод, за счет введения незначительного количества флокулянта возможно получить значительное укрупнение хлопьев осадка, который образуется в процессе очистки стоков. И тот сток, который напоминал по виду, например молоко, превращается так же, к примеру, в прозрачную воду и хлопьями, похожими на творог, уходящими на дно со всеми загрязнениями.

Используют полиакриловую кислоту также в качестве структур образователя и загустителя, связующего при замешивании пломбировочных соединений в медицине, как антистатик для кожи и волокон и как отмечалось ранее для создания полимерных комплексов.

Еще одно уникальное свойство полиакриловой кислоты – она является «носителем» физиологически активных соединений, ферментов.

А сшитые полимеры акриловой кислоты – это ионообменные смолы, которые также незаменимы в процессах водоочистки и водоподготовки. Благодаря ионообменным смолам можно получить питьевую воду соответствующего качества, а также достичь установленных норм по сбросу по необходимым показателям. Причем ионообменные смолы, присоединяют к себе загрязнитель и при насыщении могут быть легко регенерированы и использованы снова. Процесс регенерации может проходить огромное количество раз.

Железо содержащие соли полиакриловой кислоты обладают кровоостанавливающим действием.

По своей сути, полиакриловая кислота, это простое соединение, но продукты, полученные на ее основе, пусть даже не так широко распространены, как другие полимерные собратья, но их ценность очень велика. Вклад в медицину и особенно в экологию невозможно не оценить.

Особенно в экологию. Экологические проблемы в наше время особенно актуальны. Промышленность растет и развивается, но любое производство влечет за собой и образование отходов. Основной и самый проблемный отход – это сточная вода. Особенно на гальванических производствах, где постоянные промывки деталей после покрытия, уносят в сутки в сотнях кубов воды большое количество загрязнений, особенно тяжелых металлов, которые токсичны и негативно действуют на окружающую среду. Применяемые классические, недорогие и простые методы очистки стоков, такие как реагентное осаждение металлов, без применения флокулянтов практически бесполезно. Флокулянты позволяют в значительной степени перевести в осадок и в твердом виде утилизировать загрязнения из воды. Но по современным нормам, такой очистки недостаточно, количество растворенных металлов в водах, поступающих в систему городской канализации или при сливе на рельеф, в водоем, должно быть сведено к минимуму. Вот тут на выручку предприятием и конечно же, природе приходят ионообменные смолы, которые принимают на себя, если сказать очень грубо, впитывают, загрязняющие компоненты и оставляют водичку абсолютно чистой.

Тоже касается воды из-под крана. Ни для кого ни секрет, что то, что течет из крана, имеет характерный запах хлора, иногда бывает рыжее на цвет и весь чайник после кипячения зарастает накипью. Пить такую воду противно и вредно. И многие обыватели устанавливают систему бытовых фильтров, которые также в своем составе имеют ионообменные смолы.

Таким образом, полиакриловая кислота помогает всем людям с момента появления от рождения на протяжении всей жизни.

Источник