ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ СОПОЛИМЕРА НА ОСНОВЕ АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ И СТИРОЛА

АННОТАЦИЯ

В данном исследовании был изучен процесс сополимеризации акриловых и стирольных мономеров в эмульсионной среде. В результате экспериментов был получен одноцепочечный акрил-стирольный сополимер. В ходе исследования были изучены основные факторы, влияющие на реакцию - температура, инициатор (персульфат калия), соотношение мономеров и определены оптимальные условия.

Проведенные практические эксперименты показали, что температура 80°C, время реакции 4 часа и мольное соотношение мономеров 1:1 дали наилучшие результаты. Анализ ИК-спектроскопии подтвердил наличие в полученном продукте химических связей, характерных для акриловой и стирольной групп. В заключение, был сделан вывод, что полученная стирол-акриловая эмульсия может быть использована в производстве высококачественных красок и клеев.

ABSTRACT

This study investigated the emulsion copolymerization of acrylic and styrene monomers. A single-chain acrylic-styrene copolymer obtained through experiments. During the research, the main factors influencing the reaction—temperature, the initiator (potassium persulfate), and the ratio of monomers—were studied, and the optimal conditions were determined.

Practical experiments showed that a temperature of 80°C, a reaction time of 4 hours, and a molar ratio of 1:1 for the monomers yielded the best results. IR spectroscopy analysis confirmed the presence of chemical bonds characteristic of acrylic and styrene groups in the final product. In conclusion, it was determined that the resulting styrene-acrylic emulsion can be used in the production of high-quality paints and adhesives.

Ключевые слова: Акрил-стирольный сополимер, эмульсионная сополимеризация, мономеры, стирол, акриловая кислотаК-спектроскопия.

Keywords: Acrylic-styrene copolymer, emulsion copolymerization, monomers, styrene, acrylic acid, IR spectroscopy.

Введение. Значение сополимеров в химии полимеров неуклонно растёт, так как они позволяют создавать новые, уникальные материалы, объединяя свойства нескольких мономеров. В частности, материалы, полученные в результате сополимеризации стирольных и акриловых мономеров, широко используются в различных отраслях промышленности, включая строительство, автомобилестроение и электронику. Эти сополимеры обладают такими свойствами, как высокая адгезия, эластичность и водостойкость, и в основном используются для производства красок на водной основе, клеев и защитных покрытий [1].

Применяемый в исследовании метод сополимеризации в эмульсионной среде обычно отличается высокой скоростью реакции и эффективным отводом тепла [2]. При этом методе мономеры диспергируются в воде в виде мельчайших капель, стабилизированных специальными поверхностно-активными веществами. Реакция начинается под действием свободных радикалов, образующихся в водной фазе (в результате разложения инициатора), и эти радикалы, проникая в капли мономеров, способствуют росту полимерной цепи. [3] Этот процесс особенно эффективен для мономеров, нерастворимых в воде (например, стирола).

При этом важно контролировать основные факторы в ходе реакции для оптимизации свойств акрил-стирольного сополимера. В данной исследовательской работе температура, время и массовое соотношение исходных веществ играют важную роль в процессе сополимеризации. В реакции сополимеризации температура влияет не только на скорость реакции, но также на молекулярную массу и состав конечного полимера.

В данной работе были рассмотрены способы синтеза акрил-стирольного сополимера в эмульсионной среде. Известно, что акрил-стирольный сополимер широко используется в производстве высококачественных красок. Кроме того, существует возможность получения покрытий с высокой адгезией и устойчивостью к высоким и низким температурам путем изменения реакционной среды [1]. В ходе практической работы был осуществлён синтез акрил-стирольного сополимера путём радикальной полимеризации акриловых и стирольных мономеров в эмульсионной среде в присутствии инициаторов [4].

Экспериментальная часть. В рамках практических экспериментов было изучено образование одноцепочечного акрил-стирольного сополимера в результате реакции взаимной сополимеризации акриловых и стирольных мономеров. Данная лабораторная работа была выполнена в эмульсионной среде, где использовались два мономера (стирол и акриловая кислота) и инициатор персульфат калия.

Температура играет очень важную роль в сополимеризации акриловых и стирольных мономеров. Она оказывает существенное влияние не только на скорость реакции, но и на свойства полученного сополимера. В ходе практических экспериментов данного исследования была применена температура 80°C. При такой температуре движение реагирующих молекул ускоряется, что увеличивает вероятность их столкновений. Процесс реакции проводился при различных температурах в диапазоне 50–120°C (Рис. 1).

Рисунок 1. Температурная зависимость производительности реакции

В практических экспериментах был использован инициатор персульфат калия. Этот инициатор начинает сополимеризацию за счёт образования активных центров и очень чувствителен к температуре. При более высокой температуре он быстрее разлагается, образуя больше свободных радикалов, что ускоряет реакцию.

Для полного завершения реакции сополимеризации требуется определённое время. Если времени недостаточно, не все мономеры превратятся в полимер. Это приведёт к высокому содержанию свободных мономеров в конечном продукте (эмульсии). Свободные мономеры, особенно стирол, имеют характерный запах и могут быть токсичными. Поэтому очень важно минимизировать их количество в готовом продукте. В данном практическом эксперименте реакция сополимеризации проводилась в течение 4 часов.

При сополимеризации акрила и стирола очень важное значение имеет массовое соотношение исходных мономеров. Теоретически это соотношение определяет химический состав и, соответственно, физико-механические свойства конечного сополимера. В экспериментах по получению акрил-стирольного сополимера исходные мономеры были взяты в мольном соотношении 1:1.

Рисунок 2. Зависимость продукта реакции от массового соотношения исходных веществ

В процессе сополимеризации в эмульсионной среде при температуре 80°C в течение 4 часов капли мономеров образовали эмульсию в органическом растворителе. Под действием инициатора началась сополимеризация, в результате чего была получена стирол-акриловая эмульсия.

Результаты и их обсуждение.

В ходе практических экспериментов был проведён анализ химических изменений, наблюдаемых в сополимере, на ИК-спектре (IRAffinity-1S (SHIMADZU)) акрил-стирольного сополимера [5], полученного из акриловых и стирольных мономеров в среде растворителя (Рис. 3).

Рисунок 3. Показатели ИК спектра акрил-стирольного сополимера

Согласно приведенному рисунку, в показателях ИК-спектра были обнаружены:

в области 2926 – 1703 см^-1 - асимметричные валентные полосы поглощения высокой интенсивности, относящиеся к группе CH₂;

в области 1452 – 1408 см^-1 - асимметричные деформационные полосы поглощения этой же группы;

в области 1703 – 1492 см^-1  - полоса поглощения ароматического кольца;

в области 667 – 500 см^-1 - группа, относящаяся к стиролу;

в области 1058–1026 см^-1 - симметричные валентные полосы поглощения -C-O-C- группы.

Таким образом, можно наблюдать наличие химических связей и функциональных групп, характерных для акрил-стирольного сополимера.

Заключение. В ходе практических экспериментов было установлено, что на свойства одноцепочечного акрил-стирольного сополимера, полученного в результате эмульсионной сополимеризации акриловых и стирольных мономеров, серьёзно влияют такие факторы, как температура, время реакции и инициатор. В практических экспериментах оптимальными условиями были определены температура 80°C и время 4 часа. Эти параметры позволяют увеличить скорость реакции, обеспечить полную конверсию мономеров в полимере и минимизировать содержание токсичных свободных мономеров в конечном продукте. Анализ показателей ИК-спектра (IRAffinity-1S) подтвердил, что полученный продукт является акрил-стирольным сополимером. Наличие функциональных групп, таких как CH₂, ароматическое кольцо и C-O-C, обнаруженных в спектре, свидетельствует о соответствии результатов эксперимента теоретическим данным.

На основе результатов данного исследования, полученная стирол-акриловая эмульсия может быть использована в качестве качественного сырья в различных отраслях промышленности, в частности, в производстве красок и материалов с высокой адгезией.

Список литературы:

1. Лидером по выпуску полиуретана стал Китай [Электронный ресурс] //ЛКМ портал. -2019. Режим доступа: http://www.lkmportal.com/news/2019-09-04/6494.
2. Б.К.Шайкулов, Ф.Н. Нуркулов, А.Т.Джалилов / Изучение физико-химических свойств сополимеров, синтезированных на основе акриловой кислоты/ «Развитие науки и технологий научно – технический журнал», 5/2022, стр. 110-114.
3. Fan D., He J., Xu J., Tang W., Liu Y., Yang Y. //J. Polym. Sci., Polym. Chem. 2006. V. 44. P. 2260.
4. Аliyevа M.T., Xоlturаyevа N.R., Ikhtiyаrоvа G.А. Аcquiring cоmpоsitiоns bаsed оn lоcаl rаw mаteriаls fоr textile industriаl wаstewаter treаtment. Аustriаn Jоurnаl оf Technicаl аnd Nаturаl Sciences. Аustriа. 2022., Vоl. 9-10. PP. 36-40.
5. Тарасевич Б.Н., «ИК спектры основных классов органических соединений», Москва 2012, стр.18-42.