Способ получения 40%-ного водного раствора полиакриловой кислоты для стоматологии
METHOD FOR OBTAINING 40% AQUEOUS SOLUTION OF POLYACRYLIC ACID FOR DENTISTRY

Изобретение относится к химической технологии получения высокомолекулярных соединений (ВМС), а именно к получению полиакриловой кислоты (далее ПАК) в виде концентрированного водного 40%-ного раствора, предназначенного для применения в терапевтической стоматологии в составе пломбировочного карбоксилатного цемента.
Цинкполикарбоксилатные цементы, основанные на реакции взаимодействия оксида цинка с водными растворами 30-50 мас.% полиакриловой кислоты или аналогичными поликарбоксилатными соединениями применяют в качестве временных пломбировочных материалов или для фиксации зубных протезов и аппаратов на твердых тканях натуральных зубов, соответственно изменяя соотношение порошка и жидкости.(http://docs.cntd.ru/document/1200100322)
Существенным преимуществом поликарбоксилатного цемента являются его положительные биологические свойства. Токсикологические испытания показали полную безвредность материала.
Перечисленные свойства обусловливают показания к применению поликарбоксилатного цемента: для фиксации коронок, мостовидных протезов, вкладок и штифтов; для прокладок под пломбы из силикатного цемента, амальгамы, галлодента-М и пластмассы; фиксации ортодонтических аппаратов. Ввиду того что цемент обладает минимальными раздражающими свойствами, его можно с успехом применять для пломбирования молочных зубов у детей. (https://terastom.com/polikarboksilatnyy-cement.html)
Основная реакция отверждения этих цементов заключается в реакции между оксидом цинка и ионизированным сополимером акриловой кислоты. После смешивания порошка и жидкости кислота воздействует на порошок и вызывает выделение из него ионов цинка. За этим следует образование поперечных связей (в виде мостичных связей в полисолевой матрице) так же, как это происходит у стеклоиономерных цементов, за исключением того, что в этом случае цинк обеспечивает большее образование поперечных связей, чем кальций и алюминий. Результат реакции — упрочненная структура, в которой непрореагировавшие частицы порошка скреплены матрицей полиакрилата цинка. Источник: https://medbe.ru/materials/stomatologicheskoe-materialovedenie/tsink-polikarboksilatnye-tsementy/© MedBe.ru
Время твердения цинк-поликарбоксилатных цементов при 37°С — в течение 6-9 минут. Однако увеличение рабочего времени особенно полезно при использовании цинк-поликарбоксилатных цементов в качестве основы или подкладки под пломбу, когда соотношение порошок-жидкость в цементной смеси выше.
Исследованиями установлено, что цинк-поликарбоксилатные цементы обладают некоторыми антибактериальными свойствами, что позволяет предположить, что этот цемент создаст более надежный барьер для проникновения бактерий, чем цинк-фосфатные цементы. К тому же, эта более высокая защитная способность цинк-поликарбоксилатных цементов от бактерий увеличивается их адгезионными свойствами. (Источник: https://medbe.ru/materials/stomatologicheskoe-materialovedenie/tsink-polikarboksilatnye-tsementy/© MedBe.ru)
Из уровня техники известен ряд способов получения ПАК.
Например, известен способ полимеризации акриловой кислоты (АК), описанный в АС СССР № 833991, CO8F120/06 (30.05.1981), который осуществляют в присутствии инициатора трис-ацетил- и бис-(ацетилаценоата) карбоксилата Mn (III) с получением ПАК, обладающей очень большой молекулярной массой, поэтому такая ПАК может находить успешное применение только в текстильной, бумажной и полиграфической  промышленности, а также как шлихтующий реагент для синтеза полимеров, как структурообразователь почв и загуститель эмульсий и, особенно, как коагулянт сточных вод. Однако, загрязненность следами ацетонатов марганца и очень высокая  молекулярная масса не позволяют применять успешно применять её в стоматологии.
6
Согласно другому источнику (JPH 05117306(А)-Опубликовано: 1993-05-14), полимеризацию осуществляют в смешанном растворителе из насыщенного углеводорода и кетона, что также приводит к получению ПАК с очень большой молекулярной массой, порядка 0,5·10, что вовсе не приемлемо в отношении применения её в стоматологии.
3+
Также приводятся сведения (RU № 2024550 Опубликовано: 1994.12.15), что ПАК с высокой молекулярной массой может быть получена при водной полимеризации в присутствии окислительно-восстановительной системы Co- глицин, и такая ПАК является очень эффективной при ее применении в качестве высокомолекулярного полимера как осадителя шлама в глиноземном производстве. Однако, высокомолекулярность такого полимера и, соответственно очень малое манипуляционное время, препятствуют применению такого полимера в терапевтической стоматологии.
Известно из описания к патенту RU №2266918 (Опубликовано 2005.12.27), что получение ПАК с приемлемой молекулярной массой, в принципе, возможно при проведении процесса полимеризации в растворителе – толуоле. При этом получается порошкообразный препарат, который отвечает требованиям врачей-стоматологов. Однако, производство такой ПАК сопряжено с применением пожароопасного и обладающего неприятным запахом  токсичного толуола, удаление которого, с целью получения чистой кондиционной ПАК, лишенной остаточных следов толуола, сопряжено с технологическими трудностями: 4-х стадийный процесс вакуумной отгонки толуола при применении очень глубокого вакуума до остаточного давления 3 мм рт.ст., а на последней 4-й стадии производится глубоковакуумная длительная десорбция, которой подвергается уже сухая порошкообразная ПАК.
Известен синтез полиакриловой кислоты  с помощью полимеризации мономера 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.  (интернет-источник: https://fb.ru/article/445295/poliakrilovaya-kislota-sposob-polucheniya-svoystva-struktura-i-prakticheskoe-primenenie)
Подробнее этот способ описан в патенте № SU1557982 (Опубликован  11.12.1987)  согласно которому 36,8%-ный раствор ПАК получают радикальной полимеризацией 36,5-37,5%-ного водного раствора акриловой кислоты под действием перекиси водорода при начальной температуре 40-70°С в присутствии 0,005-0,035 мас. гидрохинона и 0,36-0,72 мас. от количества акриловой кислоты натриевой соли тиогликолевой кислоты формулы NAOOC-CH2-SH в качестве регулятора молекулярной массы. Однако, несмотря на то, что полученная таким способом ПАК в определенной степени пригодна для ее применения в стоматологии, однако загрязнение продукта гидрохиноном и тиогликолевокислым натрием не позволяет этот способ считать перспективным. Кроме того, гидрохинон, окисляясь перекисью водорода в хиноидные структуры, приобретает темный цвет, что не позволяет получить готовый продукт безукоризненно белого цвета.
Задача изобретения заключается в разработке способа получения водного 40%-ного высокочистого раствора полиакриловой кислоты (ПАК) для его применения в терапевтической стоматологии в составе пломбировочного поликарбоксилатного цемента.
Технический результат заключается в реализации поставленной задачи путем получения без использования регулятора молекулярной массы водного высокочистого 40%-ного раствора ПАК, обладающего следующими свойствами:
- прочность на сжатие -70 МПа, время затвердевания – 6-7минут.
Дополнительный технический результат — полученный продукт является высокочистым, без посторонних примесей и неприятных запахов, неприемлемых для  полости рта пациентов.
Задача решается предложенным способом, включающим  полимеризацию  акриловой кислоты в водной среде в присутствии инициатора, включающим следующие новые признаки:
- в качестве инициатора полимеризации использован α, α’-азоизобутиронитрил (α, α’-аз.), который не содержит в своем составе токсических ароматических бензольных колец по сравнению с такими инициаторами, как гидроперекись изопропилбензола или перекись бензоила и т.п.;
- полимеризационную смесь готовят путем полного растворения при перемешивании в гомогенизаторе в течение 15-20 минут акриловой кислоты с  добавлением α, α’-азоизобутиронитрила, взятом в количестве 1,8 – 2,1 мас.% по отношению к  акриловой кислоте;
3
- в готовую полимеризационную смесь добавляют воду для предотвращения преждевременной полимеризации в подающей трубке и подают  из гомогенизатора в реактор с водой, предварительно нагретой до 94±1°C, со скоростью 126 см/мин. и числом оборотов мешалки в реакторе  200 об/мин;
- параметры процесса полимеризации: температура 94±2°С, продолжительность индукционного периода 15-20 мин, общая продолжительность процесса 4,5-5,5 часов, продолжительность выдержки окончательного завершения процесса полимеризации после окончания подачи мономерной смеси 25-35 минут при температуре 97±1°С и числе оборотов мешалки 200 об/мин;
- полученный по окончании процесса полимеризации водный 19-21% раствор ПАК концентрируют посредством  вакуумной  отгонки воды, для чего в реакторе  при постепенно снижают остаточное давления с 0,6 атм до 0,15 атм, при этом снижают температуру до 60°С , а число оборотов мешалки увеличивают с 200 об/мин до 400 об/мин, в результате  испаряющиеся пары воды увлекают  остатки исходного мономера - акриловую кислоту.
Конечный продукт, полученный заявленным способом, представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с концентрацией ПАК 40 мас.%, без запаха и без посторонних включений, при содержании остаточного мономера 0,2 мас.%.
Конкретные примеры осуществления заявленного изобретения:
Процесс получения 40%-ной ПАК осуществляют в нержавеющем стальном реакторе вместимостью 250 литров, снабженном 4-х лопастной мешалкой с регулируемым числом оборотов; обратным водяным холодильником-конденсатором; водяной рубашкой, предназначенной как для нагревания при помощи вмонтированных в рубашку теплоэлектронагревателей (ТЭНов) суммарной мощностью 8 квт, так и для охлаждения путем подачи в рубашку охлаждающей воды; на крышке реактора смонтированы смотровые окна для оперативного наблюдения за режимом  протекания процесса.
Пример 1. Процесс полимеризации акриловой кислоты.
В реактор заливают 120 литров мембранной обессоленой воды и включают ТЭНы для ее нагрева до 94±1°Спри перемешивании с числом оборотов мешалки 100 об/мин.
В это время готовят полимеризационную смесь путем полного растворения при перемешивании в гомогенизаторе в течение 15 минут 0,6 кг инициатора  α, α’-азоизобутиронитрила в 32,5 кг акриловой кислоты, после чего к прозрачной полимеризационной смеси доливают 5 литров воды, для предотвращения самопроизвольной полимеризации полимеризационной смеси на нижней сливной кромке оконечности подающей трубки, расположенной внутри и вверху реактора, которая может нагреться за счет образования полимеризуемой реакционной массой высокоэнтальпийных паров воды t=93-95°С. И если вдруг на выходе из трубки успеют зародиться радикалы, то в отсутствии отвода экзотермического тепловыделения, будет стремительно ускоряться полимеризация, приводящая за какие-то доли секунды к образованию твердой ПАК, в виде «пробки». А добавление воды в полимеризационную смесь повышает ее теплоемкость и увеличивает  пластичность и текучесть.
3
При достижении температуры воды 94±1°С начинают подачу приготовленной полимеризационной смеси из гомогенизатора в реактор со скоростью 126 см/мин, и увеличивают число оборотов мешалки со 100 об/мин до  200 об/мин, поддерживая температуру в реакторе  равной 94±2°С.
По окончании индукционного периода, протекающего в течение 15 минут, начинается цепной, радикальный, экзотермический процесс полимеризации и температура реакционной массы начинает повышаться. Поэтому обогрев ТЭНами  отключают, и с целью поддержания температуры процесса полимеризации на уровне 94±1°С, в рубашку реактора начинают подавать охлаждающую воду.
По окончании подачи полимеризационной смеси, в гомогенизатор заливают 5 литров воды для вытеснения остатков полимеризационной смеси в реактор. При этом сразу выключают подачу охлаждающей воды в рубашку реактора и включают  ТЭНы с целью повышения температуры реакционной массы  до 97±1°С и выдерживают, продолжая перемешивание  со скоростью 200 об/мин, при этой температуре 25 минут до окончательного завершения процесса полимеризации.
По окончании процесса полимеризации получают 19% раствор ПАК в воде.
Концентрирование ПАК осуществляют путем отгонки воды под вакуумом при постепенном снижении остаточного давления с 0,6 атм до 0,15 атм. Так же постепенно снижают температуру до 60°С. Для лучшего диспергирования, тепло- и массообмена реакционной массы число оборотов мешалки увеличивают с 200 об/мин до 400 об/мин. Затем включают водокольцевой вакуум-насос. В результате бурного кипения испаряющиеся пары воды увлекают остатки непрореагировавшего исходного мономера - акриловую кислоту. Процесс концентрирования заканчивают по достижении количества отогнанной воды ~ 85 литров.
ПАК, полученная согласно приведенному примеру, представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с концентрацией 40,2 мас.%, без запаха и без посторонних включений, при содержании остаточного мономера 0,15 мас.%.
Пример 2. Процесс полимеризации акриловой кислоты.
В реактор заливают 120 литров мембранной обессоленной воды и включают ТЭНы для ее нагрева до 94±1°Спри перемешивании с числом оборотов мешалки 100 об/мин.
В это время готовят полимеризационную смесь путем полного растворения при перемешивании в гомогенизаторе в течение 20 минут 0,6 кг инициатора  α, α’-азоизобутиронитрила в 32,5 кг акриловой кислоты, после чего к прозрачной полимеризационной смеси доливают 5 литров воды, для предотвращения самопроизвольной полимеризации полимеризационной смеси на нижней сливной кромке оконечности подающей трубки, расположенной внутри и вверху реактора, которая может нагреться за счет образования полимеризуемой реакционной массой высокоэнтальпийных паров воды t=93-95°С. И если вдруг на выходе из трубки успеют зародиться радикалы, то в отсутствии отвода экзотермического тепловыделения, будет стремительно ускоряться полимеризация, приводящая за какие-то доли секунды к образованию твердой ПАК, в виде «пробки». А добавление воды в полимеризационную смесь повышает ее теплоемкость и увеличивает  пластичность и текучесть.
3
При достижении температуры воды 94±1°С начинают подачу приготовленной полимеризационной смеси из гомогенизатора в реактор со скоростью 126 см/мин, и увеличивают число оборотов мешалки со 100 об/мин до  200 об/мин, поддерживая температуру в реакторе  равной 94±2°С.
По окончании индукционного периода, протекающего в течение 20 минут, начинается цепной, радикальный, экзотермический процесс полимеризации и температура реакционной массы начинает повышаться. Поэтому обогрев ТЭНами  отключают, и с целью поддержания температуры процесса полимеризации на уровне 94±1°С, в рубашку реактора начинают подавать охлаждающую воду.
По окончании подачи полимеризационной смеси, в гомогенизатор заливают 5 литров воды для вытеснения остатков полимеризационной смеси в реактор. При этом сразу выключают подачу охлаждающей воды в рубашку реактора и включают  ТЭНы с целью повышения температуры реакционной массы  до 97±1°С и выдерживают, продолжая перемешивание  со скоростью 200 об/мин, при этой температуре 35 минут до окончательного завершения процесса полимеризации.
По окончании процесса полимеризации получают 21% раствор ПАК в воде.
Концентрирование ПАК осуществляют путем отгонки воды под вакуумом при постепенном снижении остаточного давления с 0,6 атм до 0,15 атм. Так же постепенно снижают температуру до 60°С. Для лучшего диспергирования, тепло- и массообмена реакционной массы число оборотов мешалки увеличивают с 200 об/мин до 400 об/мин. Затем включают водокольцевой вакуум-насос. В результате бурного кипения испаряющиеся пары воды увлекают остатки непрореагировавшего исходного мономера - акриловую кислоту.  Процесс концентрирования завершают по достижении количества отогнанной воды ~ 85 литров
ПАК, полученная согласно приведенному примеру, представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с концентрацией 40,2 мас.%, без запаха и без посторонних включений, при содержании остаточного мономера 0,2 мас.%.
Поликарбоксилатные пломбировочные цементы, приготовленные с использованием полученной по предложенному способу 40%ПАК, были одобрены клиницистами, так как их показатели удовлетворяли требованиям ГОСТ 31071-2012:  прочность на сжатие -70 МПа, время затвердевания – 6-7  минут. И при этом не содержали неприемлемых для  полости рта пациентов посторонних примесей, влияющих на цвет или токсичность, а также отсутствовал неприятных запах.