Влияние pH на стабильность и реологические свойства водных растворов полиакриловой кислоты

Водный раствор полиакриловой кислоты находит применение в технологических процессах в роли стабилизатора и флокулянта коллоидных систем. Кроме того, её используют как структурообразователь, загуститель.

  • При взаимодействии со щелочами (C2H3COOH)n образует соли, в реакции со спиртами — сложные эфиры.
  • Хорошо растворима в следующих соединениях: этиловом и метиловом спиртах, диоксане, ДМФА, формамиде.
  • Не растворима: в ацетоне, углеводородах, в своем мономере, диэтиловом эфире.
  • При нагреве полиакриловой кислоты образуются ангидриды, 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.
  • При реакции низкомолекулярных спиртов с данной кислотой получают сложные эфиры разного пространственного строения.
  • Соли этого полимера имеют высокую термическую стойкость. Это свойство используется для получения прочных волокон с привитым слоем полиакриловой кислоты.

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.

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 представляет собой прозрачную жидкость янтарного цвета.

Влияние pH на стабильность водных растворов

В работе методом вискозиметрии исследовано комплексообразование полиакриловой кислоты с гидроксиэтилцеллюлозой в средах с различным значением рН. В зависимости от рН раствора возможно образование гидрофильных интерполимерных ассоциатов и компактных поликомплексов. В кислых средах добавление неорганических солей в растворы способствует комплексообразованию.

Применение стабильных полиакриловых кислот и их нейтрализация во внутризаводских условиях позволяет получить дисперсию с небольшим или без избытка натрия в пульпе через надлежащее снижение pH от щелочного интервала (>7,0 pH) до нейтрального или почти нейтрального интервала (6,0<оптимальный pH<7,0). Таким образом, возможно оптимизировать процесс нейтрализации pH без добавления неорганических солей, подобных сульфату алюминия, в результате чего эти условия дают возможность получить пульпы с низкой вязкостью. Далее возможно получить минеральные пульпы с более высоким содержанием твердых веществ.

Реологические свойства

Полиакриловая кислота широко используется в диспергаторах, и поскольку молекулярная масса оказывает значительное влияние на реологические свойства и способность к диспергированию, а, следовательно, и на область применения.

Гидрофобные взаимодействия оказывают влияние на реологические свойства концентрированных водных растворов полиакриловой и полиметакриловой кислот.

В частности, в растворах полиметакриловой кислоты (ПМАК) наблюдается увеличение вязкости при наложении напряжения сдвига, которая затем снижается и далее не изменяется. Это связано с тем, что полимер в растворе образует спирали таким образом, что гидрофобные группы оказываются внутри них.

Также благодаря меж- и внутримолекулярным гидрофобным взаимодействиям происходит дополнительное структурирование полимерных систем, влияющее на прочностные и вязкостные свойства растворов и расплавов полимеров.


Реологические свойства растворов ПАК и ПМАК исследовали с помощью ротационного вискозиметра с коаксиальными цилиндрами типа Rheotest. Изучали изменение вязкости и прочности структуры при комнатной температуре (25°С). Принцип измерения вязкости заключается в определении крутящего момента на валу внутреннего цилиндра в условиях задаваемых скоростей деформации. Предел измеряемых значений вязкости от 1 до 105 Па·с. Как известно, на реологические свойства концентрированных растворов полимеров оказывают влияние различные факторы. Одним из них является молекулярная масса полимера.


ООО «НПП Спецавиа» осуществляет лабораторные исследования растворов располагая самым современным оборудованием для контроля исследуемых параметров, соответствующим всем необходимым требованиям нормативных, разрешительных и иных документов, регламентирующих производство и обращение специальных жидкостей и прочей химической продукции.

Механизмы взаимодействия полиакриловой кислоты с водой при различных значениях pH

Методом pH-метрического титрования изучены кислотно-основные свойства водных растворов полиакриловой кислоты и исходя из определения кислотно-основных свойств, предложено объяснение изменения реологических свойств указанных полимеров в широкой области значений pH и во времени. Водородный показатель (рН) 1% производимых растворов полиакрилатов натрия варьируется исходя из природы загрязнений и соответственно получается требуемый продукт.


Высокомолекулярный полиакрилат – это органический полимер, натриевая соль полиакриловой кислоты, представляет собой цепочку из чередующихся звеньев с брутто-формулой (С3Н3NaO2)n, где n может принимать значения до 500 и выше, в зависимости от условий протекания процесса.

При нагревании или изменении pH его раствора происходит частичный гидролиз с образованием карбоксильных групп. Нагревание полимера выше 100 ºС приводит к уменьшению содержания азота вследствие имидизации и появлению сшитых структур.

По химическим свойствам ПАК подобна многоосновным предельным кислотам. Константа диссоциации кислоты сильно зависит от природы растворителя, а также от природы нейтрализующего (титрующего) агента, концентрации раствора и мало зависит от молекулярной массы.


Наибольшая молекулярная масса ПМАК (1·107 ) достигается при полимеризации метакриловой кислоты в водных растворах при pH 2 – 3. При нагревании ее в атмосфере азота (250–260 ºС) образуется нерастворимый полиметакриловый ангидрид; выше 400 ºС происходит разложение без выделения мономера.

Минимальная скорость полимеризации соответствует pH 6 – 7. При pH > 7, когда ПМАК ионизована, с увеличением кислотности наблюдается возрастание общей скорости полимеризации.

При pH 9–10 в присутствии катионов аммония или изобутиламмония образуется синдиотактический полимер с содержанием синдиотактических диад в макромолекулах до 95 %.


Исследования свойств полиакрилатов еще до конца не окончены, они нашли применение в различных областях, и используются как антискаланты и реагенты для регенерации воды в бассейнах. Проводятся всё новые исследования возможностей их применения.

Рынок полиакрилата сегментирован по применению и географии. Прогнозируется, что рынок полиакрилата будет демонстрировать совокупный среднегодовой темп роста более 4% в течение прогнозируемого периода (2023-2028 гг.).

Выводы

На производственных мощностях ООО «НПП Спецавиа» получают акриловые полимеры натриевой соли, называемые полиакрилаты натрия. Производство полиакрилатов является перспективным и востребованным в большом количестве сегментов применения.


Возврат к списку