Полиакрилаты

Полиакрилаты — это группа полимеров на основе акриловой кислоты и её производных (акрилатов), а также их сополимеров с другими мономерами. Относятся к классу синтетических высокомолекулярных соединений, обладающих широким спектром физико-химических свойств, что обусловливает их применение в промышленности, медицине, бытовой химии и строительстве. Полиакрилаты известны своей способностью к набуханию в воде, образованию гелей, высокой адгезией к различным поверхностям и термопластичностью.

История

Первые упоминания о синтезе полиакриловой кислоты относятся к началу XX века. В 1901 году немецкий химик Отто Рём (Otto Röhm) в своей докторской диссертации описал полимеризацию акриловых эфиров. Однако промышленное производство полиакрилатов началось в 1930-х годах, когда были разработаны эффективные методы радикальной полимеризации. В 1933 году компания Röhm & Haas (Германия) запустила первое коммерческое производство полиметилметакрилата (оргстекла), который является одним из наиболее известных представителей полиакрилатов. В 1950-х годах были синтезированы водорастворимые полиакрилаты, что привело к их использованию в качестве загустителей и флокулянтов. В СССР промышленное производство полиакрилатов началось в 1960-х годах на базе заводов по выпуску акриловых мономеров (например, в Дзержинске и Салавате).

Классификация

Полиакрилаты классифицируют по нескольким признакам:

По химическому составу

• Гомополимеры — состоят из одного типа мономеров (например, полиакриловая кислота, полиметилметакрилат).
• Сополимеры — включают два или более различных мономеров (например, сополимеры акриловой кислоты с метакриловой кислотой, акриламидом или стиролом).

По физическим свойствам

• Термопластичные — размягчаются при нагревании и отвердевают при охлаждении (например, полиметилметакрилат, полибутилакрилат).
• Нерастворимые сшитые — образуют трёхмерную сетку, не плавятся и не растворяются, но могут набухать (например, суперабсорбенты на основе полиакрилата натрия).

По растворимости в воде

• Водорастворимые — полиакриловая кислота и её соли (полиакрилаты натрия, калия, аммония).
• Водонерастворимые — полиметилметакрилат, полиэтилакрилат, полибутилакрилат.

Свойства

Физико-химические свойства полиакрилатов зависят от молекулярной массы, степени сшивки и природы боковых групп. Основные характеристики:

• Прозрачность — аморфные полиакрилаты (например, полиметилметакрилат) пропускают до 92 % видимого света, что превосходит обычное стекло.
• Термостойкость — температура стеклования (Tg) варьируется от −50 °C (полибутилакрилат) до +105 °C (полиметилметакрилат).
• Гидрофильность — соли полиакриловой кислоты способны поглощать воду в количествах, в 100–500 раз превышающих собственную массу (суперабсорбенты).
• Адгезия — полиакрилаты обладают высокой клейкостью к металлам, стеклу, пластикам и тканям, что используется в производстве клеев и герметиков.
• Устойчивость к УФ-излучению — полиакрилаты не желтеют под действием солнечного света, в отличие от полистирола.

Получение

Полиакрилаты получают методами радикальной полимеризации, реже — ионной или поликонденсации. Основные способы:

• Полимеризация в массе — мономеры (например, метилметакрилат) полимеризуются в присутствии инициатора (пероксидов, азосоединений) при нагревании. Используется для производства листового оргстекла.
• Эмульсионная полимеризация — мономеры диспергируют в воде с помощью эмульгаторов, что позволяет получать латексы (водные дисперсии полиакрилатов). Применяется для производства красок, клеев и покрытий.
• Растворная полимеризация — мономеры растворяют в органических растворителях или воде, после чего инициируют реакцию. Используется для получения водорастворимых полиакрилатов.
• Суспензионная полимеризация — мономеры диспергируют в воде в виде капель, что даёт гранулы полимера (например, для ионообменных смол).

Применение

Полиакрилаты находят применение в десятках отраслей благодаря разнообразию свойств.

Строительство и промышленность

• Органическое стекло (полиметилметакрилат) — используется для остекления зданий, витрин, аквариумов, куполов световых фонарей, а также в авиастроении (иллюминаторы самолётов).
• Акриловые краски и лаки — водные дисперсии полиакрилатов применяются для фасадных и интерьерных работ, автомобильных покрытий.
• Герметики и клеи — акриловые герметики (на основе полиакрилатов) используются для заделки швов в строительстве, а клеи — для склеивания пластиков и металлов.

Медицина и гигиена

• Суперабсорбенты — полиакрилат натрия (сшитый) входит в состав подгузников, прокладок, урологических вкладышей, способен удерживать влагу под давлением.
• Контактные линзы — гидрогели на основе полиакрилатов (например, полигидроксиэтилметакрилат) используются для изготовления мягких контактных линз.
• Стоматология — полиакрилаты применяются в составе зубных протезов, пломбировочных материалов и адгезивов.

Бытовая химия и водоподготовка

• Загустители — водорастворимые полиакрилаты (например, полиакрилат натрия) добавляют в шампуни, гели для душа, моющие средства для придания вязкости.
• Флокулянты — полиакриламид и его сополимеры используются для очистки воды от взвешенных частиц на станциях водоподготовки.
• Диспергаторы — полиакрилаты предотвращают образование накипи в системах отопления и охлаждения.

Электроника и оптика

• Оптические волокна — полиметилметакрилат используется для изготовления пластиковых оптических волокон (POF) в системах передачи данных.
• Фоторезисты — полиакрилаты применяются в литографии для производства микросхем.

Пищевая промышленность

• Загустители и стабилизаторы — некоторые полиакрилаты (например, E1200 — полидекстроза) разрешены в качестве пищевых добавок для улучшения текстуры продуктов.

Экологические аспекты

Полиакрилаты, как и большинство синтетических полимеров, не подвергаются биологическому разложению в естественных условиях. Однако некоторые виды (например, полиакриловая кислота) могут медленно деградировать под действием УФ-излучения и микроорганизмов. В почве и воде полиакрилаты могут накапливаться, что вызывает опасения экологов. В ряде стран разрабатываются биоразлагаемые полиакрилаты на основе мономеров из возобновляемого сырья (например, молочной кислоты). В России полиакрилаты не входят в перечень особо опасных веществ, но их производство регулируется санитарными нормами (СанПиН 1.2.3685-21).

Интересные факты

• Полиакрилат натрия, используемый в подгузниках, способен поглощать до 800 мл воды на 1 г полимера.
• Органическое стекло (полиметилметакрилат) в 10 раз прочнее обычного стекла при ударе, но легко царапается.
• В 2010-х годах полиакрилаты начали применять в 3D-печати для создания прозрачных моделей и медицинских имплантатов.
• В СССР полиакрилаты использовались для производства искусственного мрамора и декоративных панелей.

Источники

• Энциклопедия полимеров / Под ред. В. А. Кабанова. — М.: Советская энциклопедия, 1977. — Т. 3.
• Киреев В. В. Высокомолекулярные соединения. — М.: Высшая школа, 1992.
• Полиакрилаты // Химическая энциклопедия / Под ред. И. Л. Кнунянца. — М.: Большая российская энциклопедия, 1995. — Т. 4.
• Odian G. Principles of Polymerization. — 4th ed. — Wiley-Interscience, 2004.
• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания».