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.