CC BY
56
УДК 678.744.322.01:[66.063.6:546.264-31-133]
С.А Марченко1*, С.Ю. Тузова1, Е.М. Антипов1, Л.Н. Никитин2, А.Ю. Николаев2
1Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва ,Россия
125047, Москва А-47, Миусская пл., 9 2Институт элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова, Москва, Россия
119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Вавилова, 28 * e-mail: marchenkoff1992@mail.ru
НОВЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЛАГОПРИЯТНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕДИСПЕРГИРУЕМЫХ В ВОДЕ ПОЛИМЕРОВ
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований № НК 13-03-00625\14 от «15» марта 2014 г.
Предлагается новая экологически благоприятная технология получения редиспергируемых полимеров в среде сверхкритического диоксида углерода. Показано, что предлагаемая технология получения позволяет значительно оптимизировать технологический процесс синтеза редиспергируемых полимеров (сократить количество и аппаратурное оформление технологических стадий), уменьшить количество отходов, снизить токсичность и утилизировать диоксид углерода.
Ключевые слова: редиспергируемые полимеры; сверхкритические флюиды; полиакрилаты.
В связи с постоянно повышающимися экологическими требованиями в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к росту и потреблению экологически безопасных лакокрасочных материалов, т.е. материалов, не содержащих в своем составе токсичных органических растворителей или содержащих их в минимальном количестве. К таким материалам относятся прежде всего латексы. Однако водные дисперсии полимеров не лишены ряда недостатков. Так, латексы характеризуются протеканием седиментационных процессов при длительном хранении и относительно низкой стабильностью при хранении в условиях пониженных температур в связи с тем, что в их состав входит вода.
Альтернативой латексам являются редиспергируемые полимеры, представляющие собой полимерный порошок, способный при минимальных механических усилиях
образовывать стабильные водные дисперсии.
Редиспергируемые в воде полимеры обладают рядом несомненных достоинств: простотой применения - для получения дисперсии требуется только механически перемешать полимерный порошок в воде, нетоксичностью, пожаро- ,взрывобезопасностью, стабильностью состава при хранении в условиях пониженных температур и др.
В настоящее время редиспергируемые в воде олигомеры получают в виде органодисперсий или водных дисперсий с дальнейшим выделением и измельчением полимера. Выделение (сушку) редиспергируемого полимера возможно проводить различными способами, такими, например, как сушка в псевдоожиженном слое,
сушка в тонком слое (сушка в валковой сушилке), сушка вымораживанием, сублимационная сушка или распылительная сушка. Как видно из вышеизложенного, традиционная
технологическая схема получения
редиспергируемых полимеров имеет ряд существенных недостатков, одним из которых является наличие большого количества отходов -органических растворителей и воды, которые впоследствии необходимо утилизировать, а также сложность аппаратурного оформления многоступенчатого технологического процесса.
Нами предложено решение указанных проблем: предложить экологически
благоприятный способ синтеза редиспергируемых олигомеров в среде сверхкритического флюида. Сверхкритические флюиды, используемые в качестве растворителя при синтезе полимеров, имеют ряд несомненных преимуществ по сравнению с традиционными растворителями: обладают плотностью, близкой к плотности жидкости; вязкостью, близкой к вязкости газа; коэффициентом диффузии, имеющим
промежуточное для газа и жидкости значение; существует возможность применять
сверхкритические флюиды циклически [1-3].
Использование сверхкритического
диоксида углерода при синтезе редиспергируемых полимеров является наиболее целесообразным в связи с его относительно низкими критическими параметрами, нетоксичностью и его широкой распространенностью в связи с тем, что он является побочным продуктом многих производств [4].
Разработанный способ получения ряда редиспергируемых в воде полимеров в среде
сверхкритического диоксида углерода позволяет не только значительно облегчить технологический процесс синтеза редиспергируемых полимеров -сократить количество и аппаратурное оформление технологических стадий, уменьшить количество отходов, но и решает ряд экологических проблем. Он также снижает токсичность собственно синтеза и утилизирует диоксид углерода, являющегося одним из наиболее частых побочных продуктов большого количества различных технологических процессов и производств. Следует отметить, что по разработанной технологии, значительно упрощается выделение редиспергируемого полимера, поскольку по окончании синтеза растворитель (СО2) достаточно просто удалить из редиспергируемого полимера в связи с тем, что при переводе СО2 из сверхкритического в газообразное при нормальных условиях состояние он самостоятельно удаляется из зоны реакции, а конечный продукт в данном технологическом способе получается непосредственно в виде тонкодисперсного порошка, дисперсность которого можно регулировать условиями синтеза.
При разработке технологии получения редиспергируемых в воде полимеров в сверхкритическом углероде учитывалось, что данные полимеры должны обладать рядом специфических особенностей своей химической структуры, связанных с тем, что с одной стороны такой олигомер должен обладать достаточной гидрофильностью (т.к. в качестве дисперсионной среды при получении собственно дисперсий используют воду), а, с другой, покрытие на его основе должно быть устойчиво к смыванию, что обуславливает необходимость наличия гидрофобных свойств. Таким образом, химическая природа таких олигомеров должна сочетать в себе абсолютно противоположные свойства -гидрофильности и гидрофобности, чтобы иметь возможность обеспечить устойчивую водно-дисперсионную систему и противостоять смываемости после формирования покрытия. В то же время редиспергируемые полимеры должны обладать и технологическими параметрами: они должны находиться в твердом агрегатном состоянии при комнатной температуре для предотвращения слипания порошка при хранении и быть способны к быстрому диспергированию в воде и дальнейшему формированию на поверхности устойчивой тонкой полимерной
пленки из водной дисперсии.'Установленные нами закономерности получения ряда
редиспергируемых в воде олигомеров различного характера в среде сверхкритического диоксида углерода предоставляют возможность управлять процессом синтеза подобных олигомеров на наноуровне и позволяют получать продукты с заранее заданными эксплуатационными характеристиками, а также вводить необходимые добавки в полимер непосредственно во время синтеза. Так, нами разработаны окрашенные и люминофорсодержащие редиспергируемые
полимеры, получаемые путем синтеза полимеров в присутствии красителей и люминофоров. На основе подобных редиспергируемых полимеров легко получить окрашенную водную дисперсию. Следует отметить, что данный способ получения редиспергируемых полимеров позволяет непосредственно при синтезе в условиях сверхкритической среды вводить и различные малые добавки: эмульгаторы, диспергаторы, антивспениватели и др., которые впоследствии «работают» только при образовании водной дисперсии. Также разработанный метод синтеза редиспергируемых полимеров позволяет in situ вводить и различные функциональные полимерные добавки, например, защитный коллоид (поливиниловый спирт) и некоторые другие полимерные соединения, вводимые, например, для улучшения физико-механических характеристик. Введение указанных добавок незначительно влияет на протекание синтеза, но при этом позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства конечного продукта.
Полученные в среде сверхкритического диоксида углерода редиспергируемые в воде полимеры возможно применять как при получении тонких защитных полимерных пленок, так и модификации неорганических вяжущих для лакокрасочной, строительной и бытовой областей применения. Следует отметить, что разработанный способ синтеза позволяет не только облегчить технологический процесс производства, но и получать редиспергируемые олигомеры с широким диапазоном заранее заданных эксплуатационных характеристик, регулируемых условиями синтеза (температурой, давлением, временем и др.) и, как следствие, применением их в различных отраслях промышленности.
Марченко Сергей Андреевич студент кафедры полимерных композиционных лакокрасочных материалов и покрытий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Тузова Светлана Юрьевна к.х.н, ст.преподаватель кафедры полимерных композиционных лакокрасочных материалов и покрытий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Антипов Евгений Михайлович д.х.н, профессор, заведующий кафедрой полимерных композиционных лакокрасочных материалов и покрытий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Никитин Лев Николаевич д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова
Николаев Александр Юрьевич к.ф.-м.н., научный сотрудник Института элементоорганических соединений РАН им. А.Н. Несмеянова
Литература
1. Рыбалтовский А.О., Аксенов А.А., Герасимова В.И., Заворотный Ю.С., Попов В.К., Баграташвили В.Н. // Сверхкритические флюиды: теория и практика. 2008. Т.З, №1. С. 50-58
2. Залепугин Д.Ю., Тилъкунова H.A., Чернышева И.В., Поляков B.C. Развитие технологий, основанных на использовании сверхкритических флюидов // Сверхкритические флюиды: Теория и практика. 2006. Т.1, №1. С.27-51.
3. G. E. Bennett, K. P. Johnston. Supercritical fluids: safer solutions for chemists. Nature, 1994, V.368, PP.. 187-188.
4. P.G. Jessop, W. Leitner. Chemical synthesis using supercritical fluids. Weinheim: Viley-VCH, 1999,211
Marchenko Sergey Andreevich1 *, Tuzova Svetlana Yurievna1, Antipov Evgenii Mihailovich1, Nikitin Lev Nikolaevich2., Nikolaev Aleksandr Yurievich2
1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. 2A.N.Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds of Russian Academy of Sciences * e-mail: marchenkoff1992@mail.ru
NEW ENVIRONMENTALLY FRIENDLY METHOD FOR PRODUCING REDISPERSIBLE POLYMERS
Abstract
New ecologically technology of producing of redispersible polymers in supercritical CO2 is described. The new technology of producing of redispersible polymers to allows to facilitate of the technological process of synthesis (to reduce quantity and of technological stages and equipment), to reduce the quantity of a waste, to lower a toxicity and to utilise CO2.
Kay words: redispersible polymers; supercritical fluids; polyacrylates.
