Поліакрилова кислота: спосіб отримання, властивості, структура та практичне застосування

Поліакрилова кислота: спосіб отримання, властивості, структура та практичне застосування


Поліакрилова кислота - унікальний полімер, що володіє високою здатністю до поглинання води. Ця сполука біологічно інертна, тому вона широко використовується при виготовленні гігієнічних і косметичних засобів, а також в якості допоміжного матеріалу в медицині. Ще ширша сфера застосування у поліакрилатів (солі кислоти), які мають поліпшені фізико-механічні властивості.

Опис

Поліакрилова кислота - це високомолекулярна речовина, мономерною ланкою якої є сполука СН2 = СН ‑ СООН (акрилова або пропенова, етенкарбонова кислота). Цей полімер характеризується відсутністю токсичності, хорошою розчинністю у воді і стійкістю до високощілинних середовищ.

Хімічна формула поліакрилової кислоти - (C2H3COOH) n. Структурна формула з'єднання представлена на малюнку нижче.

Поліакрилова кислота - це типовий представник слабких полікислот. Її макромолекули мають функціональні групи, що мають здатність до електролітичної дисоціації. За зовнішнім виглядом вона являє собою прозору рідину бурштинового кольору або білий гранульований порошок.

Властивості

Основними фізико-хімічними властивостями поліакрилової кислоти є:

  • Температура, при якій даний полімер стає твердим, минаючи фазу кристалізації (склоподібний стан) - 106 ° C.
  • При нагріванні відбувається утворення ангідридів, а якщо температура перевищує 250 ° С, то починається реакція відщеплення діоксиду вуглецю з карбоксильної групи - COOH, а також зшивання макромолекул, що призводить до отримання полімерів просторової будови і збільшення ступеня полімерізації.
  • Солі цього полімеру мають більшу термічну стійкість. Ця властивість використовується для отримання міцних волокон з прищепленим шаром поліакрилової кислоти.
  • При взаємодії з лужами (C2H3COOH) n утворює солі, в реакції зі спиртами - складні ефіри.
  • Після полімерізації в розчинниках полімер стає твердим і крихким і зберігає ці якості навіть при температурі 240 ° C.
  • При реакції низькомолекулярних спиртів з даною кислотою отримують складні ефіри різної просторової будови.
  • Різка зміна властивостей полімеру відбувається при дуже малому ступені перетворення функціональних груп (для зшивання молекул масою 50 кДа потрібно тільки 0,1% етиленгліколю).

Однією з властивостей водного розчину поліакрилової кислоти є те, що при збільшенні молекулярної маси даного полімеру зростає також і в'язкість розчину, що пов'язано зі зростанням макромолекул і їх впливом на воду. Водночас в'язкість розчину не залежить від докладеної напруги зрушення і є постійною величиною в широкому діапазоні вимірювань, на відміну від інших поліелектролітних полімерів. Волокна поліакрилової кислоти при зміні кислотності розчину зазнають скорочення або подовження в результаті перетворення хімічної енергії на механічну.

Розчинність

(C2H3COOH) n добре розчиняється в таких речовинах:

  • вода;
  • діетилендіоксид;
  • метиловий та етиловий спирт;
  • амід мурашиної кислоти;
  • диметилформамід.

Водний розчин поліакрилової кислоти має поліелектролітний ефект (здатний до електролітичної дисоціації), який збільшується за лінійною залежністю при зростанні ступеня нейтралізації.

Речовина нерозчинна в таких сполуках, як:

  • мономер акрилової кислоти;
  • ацетон;
  • Кексіетан;
  • вуглеводні.

З катіонними розчинами і ПАВ речовина може утворювати нерозчинні солі.

Отримання

Синтез поліакрилової кислоти виробляють за допомогою полімерізації мономеру. Реакція відбувається у водному середовищі, куди додають зшиваючий агент, або в органічних розчинниках. Змішування зазвичай виробляється в реакторі з лопатевими мішалками, а поверхню обладнання охолоджують до 70 ° C рідким холодоагентом. Кінцевий продукт являє собою гель - гідрофільний полімер, який активно вбирає вологу.

Більш стабільний водний розчин кислоти можна отримати під впливом перекису водню і додаванням невеликої кількості пара-дігідроксибензолу з тіогліколятом натрію, що застосовуються для регулювання молекулярної маси. Кінцевий продукт реакції використовується в стоматології.

Застосування поліакрилової кислоти

Найбільше поширення цей полімер отримав в якості суперадсорбента (для захоплення і утримування рідини) в наповнювачах для дитячих і дорослих підгузників, гігієнічних прокладок, одноразових пелюшок та інших подібних виробів.

Іншими областями, де використовується поліакрилова кислота, є:

  • сільське господарство - матеріал для поліпшення властивості ґрунтів;
  • промисловість - стабілізатори і флокулянти колоїдних розчинів;
  • шкіряне та текстильне виробництво - речовини для зниження електризації при виділенні шкір та отриманні волокон;
  • електроніка - зв'язуючий компонент в літій-іонних акумуляторах;
  • промислове виробництво - в системах водяного охолодження та кондиціонування в якості інгібітора відкладень і компонента, що підтримує однорідність сумішей (електростанції, сталеливарні та нафтопереробні заводи, виробництво добрив).

Також ця речовина застосовується як добавка при виробництві плівок, які покращують їх здатність фарбуватися і зчеплятися з іншими матеріалами.

Медицина

Кислота та її солі використовуються в медицині в таких цілях:

  • носій активних речовин;
  • компонент кровоспинних мазей, тканих і нетканих матеріалів, що застосовуються при опіках і запаленнях для прискорення загоєння ран;
  • зв'язуюча добавка в пломбувальних матеріалах у стоматології.

Перевагою даного матеріалу є те, що він біологічно інертний, і його можна застосовувати разом з біоактивними сполуками (ферментами, антибіотиками, факторами зростання та іншими).

Поліакрилати

Солі поліакрилової кислоти являють собою полімери складних ефірів даного з'єднання. За зовнішнім виглядом вони нагадують парафіни. Для них характерні такі властивості:

  • стійкість до впливу розбавлених лужів і кислот, світла і кисню;
  • розкладання розчинами лужів спостерігається при температурі 80-100 ° C, при цьому утворюється поліакрилова кислота;
  • при нагріванні понад 150 ° C відбувається їх термодеструкція, молекули поліакрилатів зшиваються, виділяються мономер (близько 1%) і летючі продукти;
  • поліакрилати добре розчинні в мономерах, ефірах, вуглеводнях і ацетоні.

Солі поліакрилової кислоти отримують емульсійною або суспензійною полімерізацією, при виготовленні в маленьких масштабах - блочною полімерізацією.

Використання поліакрилатів

Дані з'єднання знаходять застосування у виробництві таких матеріалів:

  • органічне скло;
  • різні плівки;
  • синтетичні волокна;
  • лакофарбові матеріали (емалі, лаки, смоли);
  • клеєві та прожиткові склади (емульсії) для тканин, паперу, шкіри, дерева.

Лаки на основі поліакрилатів володіють високими експлуатаційними характеристиками:

  • висока адгезія до металевих і пористих поверхонь;
  • хороші декоративні якості;
  • стійкість до води, ультрафіолетового випромінювання, впливу атмосфери, лужів;
  • тривале збереження декоративних властивостей (блиск і еластичність) - до 10 років.

Вони застосовуються для фарбування таких виробів як:

  • автомобілі, літаки та інша техніка;
  • сортовий метал;
  • пластмаси;
  • поліграфічна продукція;
  • вироби електротехнічної галузі;
  • харчова промисловість (виробництво консервних банок).

Поліакрілат натрію

Натрієва сіль поліакрилової кислоти (Sodium polyacrylate) дуже добре розчиняється у воді і не змінює свою структуру навіть при температурі 240 ° C. Це з'єднання застосовується при приготуванні прісних або солоних розчинів для зменшення їх в'язкості. Поліакрилат натрію здатний емульгувати мікрокристали, мікропісок з карбонатів, сульфатів і фосфатів.

Речовина знаходить застосування в наступних галузях:

  • нафтовидобувна промисловість - приготування бурових розчинів;
  • хімічна промисловість - виготовлення миючих засобів, штучного снігу, а також в якості загусника лакофарбових матеріалів;
  • сільське господарство - виробництво добрив;
  • паперово-целюлозна промисловість - виготовлення серветок, туалетного паперу;
  • виробництво санітарно-технічної кераміки.

Бурові розчини, приготовлені з додаванням цього з'єднання, мають такі переваги:

  • невисока щільність;
  • тонкодисперсність;
  • хороша кислоторастворимість, необхідна при розтині пласта;
  • стійкість до високих температур (до 240 ° C);
  • екологічна безпека.

Косметологія

У косметичній промисловості поліакрилат натрію застосовують як загустителя при виготовленні таких засобів, як:

  • лаки для волосся;
  • гелі для душу;
  • креми;
  • шампуні;
  • маски для обличчя;
  • піна для ванн.

Унікальність властивостей цієї добавки полягає в тому, що кожна найдрібніша частинка поліакрилату натрію набухає у воді і створює на шкірі відчуття оксамитовості і гладкості. Оскільки речовина має силіконоподібну еластомірну будову, то вона є хорошим текстуруючим агентом. Достоїнствами косметичних засобів з його додаванням є і те, що вони не стають липкими, можуть давати матовий або сатиновий результат. Деякі виробники додають поліакрилат натрію до складу декоративної косметики.