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.
Вам будет интересно:Толерантность. Закон толерантности Шелфорда. В чем суть закона толерантности?
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
Вам будет интересно:Методика проведения экскурсии: виды, особенности педагогической деятельности
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).
Вам будет интересно:«Крипта» – это обозначение для всего тайного
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.