1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 29966
(51) C09K 17/14 (2006.01)
МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2014/0507.1
(22) 14.04.2014
(45) 15.06.2015, бюл. №6
(72) Асанов Аманкайт Асанович; Сейтказиев
Адеубай Садакбаевич; Шилібек Кенжеғали
Қошқарбайұлы
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Таразский
государственный университет им. М.Х. Дулати"
Министерства образования и науки Республики
Казахстан
(56) Аскаров М.А., Семенова Л.Н.,
Бабаджанова Э.Н. //Узб.хим.ж., 1968. №1 с.38
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ
ВОДОРАСТВОРИМОГО
ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТА-
СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛЯ ПОЧВ
(57) Изобретение относится к коллоидной химии, а
именно к получению биологически совместимого и
экологически безопасного водорастворимого
полимера (ВРПЭ), содержащего
низкомолекулярные, легко усвояемые питательные
элементы, положительно влияющие на рост,
развитие, урожайность растений, обладающего
высоким структурообразующим действием, который
может найти применение в сельском хозяйстве в
качестве структурообразователя почв.
Способ получения водорастворимого
полиэлектролита структурообразователя почв
осуществляется путем радикальной
сополимеризации итаконовой кислоты ИК с
нитрилом акриловой кислоты НАК при мольном
соотношении 1,0:6,0-8,0 в присутствии фосфата
К3РО4, карбоната К2СО3 или силиката K2SiO3, калия,
взятого при соотношении нитрилу акриловой
кислотый НАК=0,8:1,0 моль, выдерживанием при
температуре 50°С в течение 4-х часов и
последующим гидролизом продукта
сополимеризации при температуре 97-99°С в
течение 45 минут.
Полученный предлагаемым способом
водорастворимый полиэлектролит проявляет
структурообразующий эффект почти в 10 раз выше,
по сравнению ВРПЭ полученный по способу
прототипа, и в 4,5-5,0 раз выше, чем широко
известного ВРПЭ К-4 и ПАА и может применяться в
качестве структурообразователя бесструктурных
почв, а также для закрепления грунтов, отвалов и
подвижных песков, для предотвращения
пылеобразования и подавления пыли.
(19)KZ(13)A4(11)29966

2. 29966
2
Изобретение относится к коллоидной химии, а
именно к получению биологически совместимого,
экологически безопасного водорастворимого поли-
электролита ВРПЭ - структурообразователя почв,
содержащего низкомолекулярные легко
усваиваемые питательные вещества, положительно
влияющие на рост, развитие, урожайность растений,
обладающего высоким структурообразующим
действием, путем сополимеризации итаконовой
кислоты (ИК) и нитрила акриловой кислоты (НАК)
при их мольных соотношениях 1,0:6,0, 1,0:8,0 в
присутствии калиевых солей слабых
неорганических кислот фосфата К3РО4, карбоната
К2СО3, силиката K2SiCO3 калия, который может
найти применение в сельском хозяйстве для
структурирования почв, предотвращения
пылеобразования, водной, ветровой, механической
эрозии, для повышения плодородия,
влагоудерживания, влагопоглощения, улучшения
фильтрационных процессов, обеспечивающих
миграцию полезных веществ, стимулирующих рост
и развитие растений, а также для закрепления
грунтов, отвалов, подвижных песков,
пылеподавления с целью устранения
отрицательного влияния на окружающую среду.
Известен способ получения водорастворимого
полиэлектролита (ВРПЭ), рекомендованного в
качестве структурообразователя бесструктурных
эродированных почв, путем гидролиза
полиакрилонитрила (ПАН) в водной среде в
присутствии гидроксида натрия (NaOH) препарата
«К-4» - аналог - [1], (Ахмедов К.С.,
Зайнутдинов С.А. А.c. СССР №145597, 1962).
Недостатком предложенного способа получения
водорастворимого полиэлектролитного препарата -
структурообразователя является ведение процесса
гидролиза в присутствии реагента NaOH в избытке,
который способствует процессу засоления почв,
ухудшения их экологического состояния, а также
отрицательно влияющие на рост и развитие
растений. Кроме того, наличие в составе ВРПЭ
избытка гидроксида натрия способствует
продолжению процесса гидролиза, что приводит к
частичному изменению состава функциональных
групп водорастворимого полиэлектролита и
соответственно к изменению структурообразующего
свойства. Кроме того, процесс получения конечного
продукта сложен и длителен, так как для получения
конечного продукта сначала полимеризуют
акрилонитрил (АН) в течение 3-4 часов, а затем
выделяют образовавшийся полиэлектролит ПАН,
после чего гидролизуют в специальной установке в
течение 2-2,5 часов.
Наиболее близким по технической сущности
предлагаемому изобретению является способ
получения водорастворимого полиэлектролита
(ВРПЭ) путем сополимеризации итаконовой
кислоты (ИК) с акриловыми (АК) или
метакриловыми (МАК) мономерамы [2] - прототип,
(Аскаров М.А., Семенова Л.H.,
Бабаджанова Э.Н. //Узб. хим. ж., 1968 №1 c.38). По
данному способу, сополимеризация итаконовой
кислоты ИК с АК или МАК мономерами
осуществляется в запайных ампулах в водном
растворе соляной кислоты (НСl) в присутствии
персульфата калия K2S2O8 при температуре 40°С в
течение 8 суток. При этом выход продукта не
превышает 81,5%.
К недостаткам этого способа относятся
применение соляной кислоты (НСl), который
приводит в определенной мере к уменьшению
выхода продукта, к увеличению продолжительности
процесса сополимеризации и усиливает
агрессивность реакционной среды, а также
невозможность использования продукта
сополимеризации без его обязательного выделения
из реакционной массы. Поэтому согласно [2] -
прототип, (Аскаров М.А., Семенова Л.H.,
Бабаджанова Э.Н. //Узб. хим. ж., 1968 №1 c.38)
полученный продукт осаждают и выделяют из
реакционной среды использованием дорогостоящих,
малодоступных, огнеопасных органических
соединении-ацетон и высушивают, а затем вновь
растворяют в воде, что приводит не только к
увеличению себестоимости и усложнению процесса
получения, но и к снижению структурообразующего
эффекта конечного продукта.
Задачей данного изобретения является
упрощение процесса, уменьшение времени
сополимеризации, установление оптимальных
соотношений мономерных звеньев, содержащих
карбоксидные, амидные, имидные и нитрильные
функциональные группы, увеличение выхода и
молекулярный массы, улучшение
стереорегулярности звеньев в цепи макромолекулы
продукта сополимеризации и его растворимости в
воде, повышение структурообразующего действия,
последующим гидролизом продукта
сополимеризации с добавлением калиевых солей
слабых неорганических кислот фосфата К3РО4,
карбоната К2СО3, силиката K2SiO3 калия, а также
введения в состав водорастворимого
полиэлектролита (ВРПЭ) различные анионы РО4
-3
,
СО3
-2
, SiO3
-2
, положительно влияющих на процесс
стабилизации глинистых суспензии.
Поставленная задача достигается путем
сополимеризации итаконовой кислоты ИК с
нитрилом акриловой кислоты НАК при
оптимальном мольном соотношении 1,0:6,0, 1,0:8,0,
в водной среде, с добавлением персульфата калия
K2S2O8 в присутствии необходимого количества для
нейтролизаций корбоксидных групп и гидролиза
нитрильной группы калиевых солей слабых
неорганических кислот фосфата К3РО4, карбоната
К2СO3, силиката K2SiO3 калия, взятого при
соотношении к НАК=0,8:1,0, с удалением кислорода
путем продувания реакционной смеси инертным
газом и выдерживанием при температуре 50°С в
течение 4-х часов и последующим гидролизом
продукта сополимеризации при температуре
97-99°С в течение 45 минут до образования
водорастворимого полиэлектролита ВРПЭ,
содержащий в нужном количественном
соотношении карбоксидные, амидные, имидные и
нитрильные группы в цепи макромолекулы.

3. 29966
3
Отличительными признаками данного способа
являются ведение процесса сополимеризации ИК и
НАК при оптимальных соотношениях 1,0:6,0-8,0
моль в присутствии необходимого количества
калиевых солей слабых неорганических кислот
фосфата К3РО4, карбоната К2СO3, силиката K2SiO3
калия, взятого при соотношении к НАК=0,8:1,0, с
удалением кислорода путем продувания
реакционной смеси инертным газом и
выдерживанием при температуре 50°С в течение 4-х
часов и последующим гидролизом продукта
сополимеризации при температуре 97-99°С в
течение 45 минут, создает условия для объединения
процессов сополимеризации и частичного гидролиза
нитрильных групп до образования нужного
количества имидных, амидных, и карбоксидных
групп. Оптимальное соотношение компонентов
сополимеризации и количество калиевых солей
слабых неорганических кислот фосфата К3РO4,
карбоната К3СО3, силиката K2SiO3 калия
необходимого для осуществления гидролиза,
позволяет повысить выход и регулировать
молекулярную массу продукта сополимеризации и
сократить время процесса гидролиза, обеспечить
непрерывность процесса и высокий
структурообразующий эффект ВРПЭ, а также
использовать полученный конечный продукт без
выделения из реакционной массы.
Причинно-следственная связь заключается в том,
что осуществление процесса сополимеризации при
оптимальных соотношениях мономеров ИК и НАК в
присутствии необходимого количества калиевых
солей слабых неорганических кислот фосфата
К3РO4, карбоната К2СO3, силиката K2SiO3 калия,
способствует улучшению радикалобразующей
способности мономеров, ускорению процесса
сополимеризации, повышению выхода и позволяет
регулировать молекулярную массу, а осуществление
частичного гидролиза до образования оптимального
соотношения имидных, амидных и карбоксидных
функциональных групп, отличающиеся
расположением и чередованием вдоль цепи
макромолекулы, приводят к образованию
водорастворимого полиэлектролита (ВРПЭ),
содержащего различные анионы положительно
влияющие на процесс структурообразования почв.
Кроме того, подбор оптимального соотношения
компонентов сополимеризации, а также проведения
процесса в водной среде упрощает способ и
исключает стадию выделения продукта
сополимеризации с использованием дорогостоящих
органических соединений, а последующий гидролиз
продукта сополимеризации дает возможность
усилить структурообразующий эффект. Наряду с
этим, гидролиз продукта сополимеризации в
присутствии калиевых солей слабых
неорганических кислот фосфата К3РO4, карбоната
К2СО3, силиката K2SiO3 калия, приводит не только к
улучшению растворимости, но и к усилению
структурообразующего действия за счет
регулирования конформации в связи с переходом
макромолекулы от свернутого состояния к более
развернутому, которое приводит к увеличению
количества активных функциональных групп,
расположенных вдоль цепи макромолекулы.
Конкретные примеры осуществления способа
Пример 1. В трехгорлую колбу емкостью 250 см3
снабженную мешалкой, термометром и обратным
холодильником, помещают раствор, состоящий из
4,35 частей итаконовой кислоты ИК и 10,65 частей
нитрилакриловой кислоты НАК (соотношение
ИК:НАК=1,0:6,0 моль) и инициатора-персульфата
калия K2S2O8 в количестве 0,06% от веса мономеров,
85,0 частей воды и 34,08 частей фосфата калия
К3РО4, (которое необходимо для осуществления
гидролиза) соотношении НАК:К3РO4 1,0:0,8 моль
соответственно. Реакционную систему
перемешивают и при температуре 50°С продувают
азотом в течение 5 минут и герметизируют, а затем
реакцию проводят в течение 4-х часов. В результате
сополимеризации образуется белая,
порошкообразная масса. Продукт сополимеризации
разделяют и определяют выход, который составляет
99,78%. Соотношение ИК и НАК в составе продукта
сополимеризации составляет 1,0:6,0 моль. Продукт
сополимеризации условно обозначают ИКНАК-4-
К3РO4.
Пример 2. Все как в примере 1, за исключением
того, что для осуществления процесса
сополимеризации и гидролиза брали 3,52 частей ИК
и 11,48 частей НАК, соотношение ИК:НАК=1,0:8,0
моль, 36,74 частей фосфата калия К3РО4
соотношении НАК:К3РO4 1,0:0,8 моль
соответственно. Выход 99,86%, соотношение ИК и
НАК в составе продукта сополимеризации
составляет 1,0:8,0 моль. Продукт сополимеризации
условно обозначают ИКНАК-5-К3РO4.
Пример 3. Продукты сополимеризации,
полученные в примере 1, при перемешивании
подвергаются гидролизу на водяной бане при
температуре 97-99°С в течение 45 минут. Продукт
гидролиза условно обозначают ИКНАГ-4-К3РO4.
Пример 4. Продукты сополимеризации,
полученные в примере 2, при перемешивании
подвергаются гидролизу на водяной бане при
температуре 97-99°С в течение 45 минут.
Полученный образец условно обозначают ИКНАГ-
5-К3РO4.
Пример 5. Процесс осуществляют все как в
примере 1 и 3, за исключением того, что
сополимеризацию проводят в присутствии 22,18
частей карбоната калия К2СО3, соотношении
НАК:К2СO3 1,0:0,8 моль. Продукт сополимеризации
условно обозначают ИКНАК-4-К2СО3, а продукт
гидролиза ИКНАГ-4-К2СО3.
Пример 6. Все как в примере 2 и 4, за
исключением того, что процесс сополимеризации
осуществляют в присутствии 23,91 частей карбоната
калия К2СО3 соотношении НАК:К2СО3 1,0:0,8 моль
соответственно. Продукт сополимеризации условно
обозначают ИКНАК-5-К2СO3, а продукт гидролиза
ИКНАГ-5-К2СO3.
Пример 7. Все как в примере 1 и 3, за
исключением того, что процесс сополимеризации
осуществляют в присутствии 24,76 частей силиката
калия K2SiO3, соотношении HAK:K2SiО3 1,0:0,8

4. 29966
4
моль соответственно. Продукт сополимеризации
условно обозначают ИKHAK-4-K2SiО3, а продукт
гидролиза ИKHAГ-4-K2SiО3 .
Пример 8. Все как в примере 2 и 4, за
исключением того, что процесс сополимеризации
осуществляют в присутствии 26,69 частей силиката
калия K2SiО3 соотношении НАК:K2SiО3 1,0:0,8
моль соответственно. Продукт сополимеризации
условно обозначают ИКНАК-5-K2SiО3, а продукт
гидролиза ИКНАГ-5-K2SiО3.
Во всех случаях при гидролизе продукта
сополимеризации образуется гомогенная
высоковязкая, быстрорастворимая в воде масса,
отличающаяся соотношением мономерных звеньев
и составом сопутствующих анионов, не требующая
выделения из реакционной массы при практическом
использовании.
При получении сополимера было установлено,
что оптимальное соотношение ИК и НАК является
1,0:6,0-8,0 моль. Уменьшение количество НАК
приводит к некоторому увеличение времени
сополимеризации и гидролиза, а так же снижение
выхода. Увеличение НАК в составе реакционной
смеси так же нежелательно, так как при этом
несколько затрудняется образование гомогенной,
хорошо растворимой массы и ухудшается
структурообразующее действие конечного
продукта. Если температура реакции
сополимеризации ниже 45°С то реакция
сополимеризации протекает не до конца, а если
выше 50°С, то образуется относительно
низкомолекулярный продукт. Выбранное
оптимальное соотношение фосфата К3РО4,
карбоната К2СО3, или силиката K2SiО3 калия к НАК
0,8:1,0 моль обеспечивает проведение гидролиза в
течение 45 минут, и позволяет получить наиболее
эффективный и устойчивый во времени хорошо
растворимый воде структурообразователь почв.
Уменьшение количества ниже оптимального
приводит к замедлению процесса гидролиза, в
следствии чего не только увеличивается время
гидролиза, но и уменьшается структурообразующее
действие конечного продукта. Увеличение
количества фосфата К3РО4, карбоната К2СО3, или
силиката K2SiО3 калия выше указанного
оптимального соотношения также не целесообразно
из-за затруднения регулирования процесса
гидролиза, а также уменьшение устойчивости
конечного продукта по химическому составу,
который приводит к ослабеванию
структурообразующего эффекта продукта
гидролиза.
Известно [3] (Ахмедов К.С. и др.
«Водорастворимые полимеры и их взаимодействие с
дисперсными системами». Изд. «ФАН» УзССР.
Ташкент, 1969. c.24-29.), что структурообразующее
действие ВРПЭ оценивают, определяя количество
водопрочных агрегатов (ВПА, %) в бесструктурной
почве. Структурообразующее действие образцов
ВРПЭ, определенное известным методом
показывает, что количество ВПА изменяется в
зависимости от концентрации и условий получения
ВРПЭ. Как свидетельствуют экспериментальные
данные, наиболее высокое структурообразующее
действие проявляют образцы ВРПЭ, полученные
путем гидролиза продукта сополимеризации ИК и
НАК при мольном соотношении 1,0:6,0-8,0 в
присутствии необходимого количества фосфата
К3РО4, силиката K2SiО3 или карбоната К2СО3 калия
(предлагаемый способ).
Таблица
ВРПЭ, полученный
предлагаемым способом
№ Концентрация ВРП,
гдл
ВРПЭ, полученный
по способу прототипа
1,0:6,0 1,0:8,0
ВРПЭ,
К-4
ВРПЭ
ПАА
1 0,000 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
2 0,010 8,8 24,6 25,9 9,0 8,6
3 0,025 14,5 36,7 38,8 17,0 16,4
4 0,050 21,5 53,7 54,7 26,8 23,6
5 0,100 28,2 69,9 71,2 40,8 38,2
6 0,250 40,3 82,6 84,1 57,5 50,2
7 0,500 49,8 93,1 94,7 72,6 68,1
Сравнение струкурообразующего действия
образцов ВРПЭ, полученных предлагаемым
способом по примеру 3-8, известным способом
[Аскаров М.А., Семенова Л.H., Бабаджанова Э.Н.
//Узб. хим. ж., 1968 №1 c.38] - прототип показало,
что при обработке почвы растворами ВРПЭ,
полученными предлагаемым способом, при
концентрации 0,050 г/дл образуется около 53,7-
54,7% ВПА (таблица). Для образования примерно
такого же количества ВПА в бесструктурной почве
Жамбылской области в присутствии ВРПЭ,
полученного известным способом [Аскаров М.А.,
Семенова Л.H., Бабаджанова Э.Н. //Узб. хим. ж.,
1968 №1 c.38] - прототип необходимо использовать
концентрацию 0,50 г/дл (таблица), что примерно в
10 раз больше.
Структурообразующее действие образцов ВРПЭ,
полученных предлагаемым способом, почти 4,5-5,0
раза выше, чем у К-4 [1] и ПAA [4] (Николаев А.Ф.,
Охрименко Г.И. Водорастворимые полимеры, Л.:
Химия, 1979, с.64), которые рекомендованы в
качестве стуктурообразователей почвы. Известные
ВРПЭ К-4 и ПАА проявляют не только
относительно слабое структурообразующее
действие, но наряду с этим они содержат в своем
составе ионы Na, которые оказывают отрицательное
влияние не только на рост, развитие, урожайность

5. 29966
5
растений и сельхозкультур, но и на экологию почв, а
так же на окружающую среду.
Проявления высокого структурообразующего
действия образцов ВРПЭ полученных
предлагаемым способом, связанно с наличием
оптимального количества неионизируемых
нитрильных, слабоионизируемых имидных,
амидных, а также хорошо ионизируемых
карбоксидных функциональных групп
расположенных цис- и транссостоянии при
определенной количественной соотношении и
равномерно распределенные в вдоль цепи
макромолекулы, обеспечивающее выгодное
конформационное состояние макромолекул,
растворимость полимера в широком интервале
концентрации и pH, которое обусловливают
проявление более высокого структурообразующего
действия по сравнению ВРПЭ полученного
известным способом аналога.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ получения водорастворимого
полиэлектролита - структурообразователя почв,
включающий сополимеризацию итаконовой
кислоты с акриловыми и метакриловыми
мономерами в среде растворителя в присутствии
персульфата калия K2S2O8, с предварительным
вытеснением воздуха инертным газом,
отличающийся тем, что сополимеризацию
итаконовой кислоты ИК с нитрилом акриловой
кислоты - НАК осуществляют при мольным
соотношении мономеров 1,0:6,0, 1,0:8,0, в
присутствии фосфата К3РО4, карбоната К2СО3 или
силиката К3SO3 калия взятого при мольном
соотношении к нитрилу акриловый кислоты, НАК
равном 0,8:1,0 выдерживанием при температуре
50°С в течение 4-х часов и последующим
гидролизом продукта сополимеризации при
температуре 97-99°С в течение 45 минут.
Верстка Н.Киселева
Корректор К.Нгметжанова