聚乙烯醇缩甲醛的制备(原创)

沈阳理工大学课程论文PAGEPAGE14聚乙烯醇缩甲醛的制备摘要聚乙烯醇缩甲醛是一种生活中非常常见的胶水。本文主要是介绍，以聚乙烯醇和甲醛为原料，在盐酸的催化作用下，制备水溶性的聚乙烯醇缩甲醛。并测定其粘度和拉伸强度。因本次实验失败，将分析实验失败的原因。实验结果为：实验产品呈凝胶状，水溶性差，粘度差。关键词：聚乙烯醇，甲醛，聚乙烯醇缩甲醛PreparationofpolyvinylformaldehydeAbstractPolyvinylformalisverycommongluewhichiswidelyusedinourlife.Thisarticlemainlyintroducesthepolyvinylformalmadeofthebasicrawmaterialofpolyvinylalcoholandformaldehyde,anddeterminationoftensilestrengthandviscosity,underthecatalysisofhydrochloricacid.Theexperimentturnedouttobeanunexpectedfailure.Itwillanalyzethereasonsforitsfailure.Theresultsforit,thatis,theproductisgelatinous,poorwater-solubilityandviscosity.KeyWords：polyvinylalcohol,formaldehyde,polyvinylformal目录TOC\o"1-3"\u1. 前言 11.1聚乙烯醇简介 11.2聚乙烯醇用途 21.3甲醛简介 21.4聚乙烯醇缩甲醛简介 31.5反应原理 41.6展望 52. 实验药品及仪器 62.1药品 62.2仪器及装置 62.3实验方法 72.3.1聚乙烯醇的溶解 72.3.2合成聚乙烯醇缩甲醛 72.3.1聚乙烯醇缩甲醛的性能测试 73. 结果与讨论 83.1缩醛化程度对实验的影响 83.2酸碱性对缩合反应的影响 93.3反应温度对缩合反应的影响 103.4甲醛用量对缩合反应的影响 103.5反应时间对缩合反应的影响 104. 结论 125. 致谢 12参考文献 13前言1.1聚乙烯醇简介聚乙烯醇，有机化合物，白色片状、絮状或粉末状固体，无味。溶于水，不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等。微溶于二甲基亚砜。聚乙烯醇是重要的化工原料，用于制造聚乙烯醇缩醛、耐汽油管道和维尼纶合成纤维、织物处理剂、乳化剂、纸张涂层、粘合剂等。聚乙烯醇结构式聚乙烯醇的物理性质受化学结构、醇解度、聚合度的影响。在聚乙烯醇分子中存在着两种化学结构，即1，3和1，2乙二醇结构，但主要的结构是1，3乙二醇结构，即“头·尾”结构。聚乙烯醇的聚合度分为超高聚合度（分子量25~30万）、高聚合度（分子量17-22万）、中聚合度（分子量12~15万）和低聚合度（2.5~3.5万）。醇解度一般有78%、88%、98%三种。部分醇解的醇解度通常为87%~89%，完全醇解的醇解度为98%~100%。常取平均聚合度的千、百位数放在前面，将醇解度的百分数放在后面，如17-88即表聚合度为1700,醇解度为88%。一般来说，聚合度增大，水溶液粘度增大，成膜后的强度和耐溶剂性提高，但水中溶解性、成膜后伸长率下降。聚乙烯醇的相对密度(25℃/4℃)1.27~1.31（固体）、1.02(10%溶液），熔点230℃，玻璃化温度75~85℃，在空气中加热至100℃以上慢慢变色、脆化。加热至160~170℃脱水醚化，失去溶解性，加热到200℃开始分解。超过250℃变成含有共轭双键的聚合物。折射率1.49~1.52，热导率0．2w/(m·K)，比热容1~5J/(kg·K)，电阻率(3.1~3.8)×10Ω·cm。溶于水，为了完全溶解一般需加热到65~75℃。不溶于汽油、煤油、植物油、苯、甲苯、二氯乙烷、四氯化碳、丙酮、醋酸乙酯、甲醇、乙二醇等。微溶于二甲基亚砜。120~150℃可溶于甘油．但冷至室温时成为胶冻。溶解聚乙烯醇应先将物料在搅拌下加入室温水中．分散均匀后再升温加速溶解，这样可以防止结块，影响溶解速度。聚乙烯醇水溶液(5%）对硼砂、硼酸很敏感，易引起凝胶化，当硼砂达到溶液质量的1%时，就会产生不可逆的凝胺化。铬酸盐、重铬酸盐、高锰酸盐也能使聚乙烯醇凝胶。PVA17－88水溶液在室温下随时间粘度逐渐增大．但浓度为8%时的粘度是绝对稳定的，与时间无关，届特殊现象c聚乙烯醇成膜性好，对除水蒸气和氨以外的许多气体有高度的不适气性。耐光性好，不受光照影响。通明火时可燃烧，有特殊气味。水溶液在贮存时，有时会出现毒变。无毒，对人体皮肤无刺激性。1.2聚乙烯醇用途用作聚醋酸乙烯乳液聚合的乳化稳定剂。用于制造水溶性胶粘剂。用作淀粉胶粘剂的改性剂。还可用于制备感光胶和耐苯类溶剂的密封胶。也用作脱模剂，分散剂等。贮存于阴凉、干燥的库房内．防潮，防火。1.3甲醛简介甲醛（分子式：HCHO）亦称蚁醛，是最简单的醛类，通常情况下是一种可燃、无色及有刺激性的气体。易溶于水、醇和醚。相对分子质量：30.03，沸点-19.5℃，自燃点430℃，密度0.815g/mL（液体，-20℃），1.075-1.085g/mL（液体，37%）；35~40%的甲醛水溶液叫做福尔马林。纯甲醛为无色透明气体，有刺激性气味。液体在较冷时久贮易混浊，在低温时则形成三聚甲醛沉淀。蒸发时有一部分甲醛逸出，但多数变成三聚甲醛。工业上常用催化氧化法由甲醇制取甲醛。在空气中能缓慢氧化成甲酸。能与水、乙醇、丙酮等有机溶剂按任意混溶。低毒，半数致死量（大鼠，经口）800mg/kg。其蒸气能强烈刺激粘膜、具有致癌性、属于高毒物。甲醛有亲电性，可以和芳烃发生亲电芳香取代反应，也可以与烯烃发生亲电加成；与乙醛发生交叉Cannizzaro反应生成季戊四醇，后者是制取炸药季戊四醇四硝酸酯的原料。与酚类缩合生成酚醛树脂；与4-取代酚类反应生成杯芳烃。甲醛也是曼尼希反应中常用的醛，空气中的甲醛气体可以通过强氧化性的高锰酸钾和其反应。甲醛是一种重要的有机原料，主要用于塑料工业(如制酚醛树脂、脲醛塑料—电玉)、合成纤维(如合成维尼纶—聚乙烯醇缩甲醛)、皮革工业、医药、染料等。福尔马林具有杀菌和防腐能力，可浸制生物标本，其稀溶液(0.1-0.5%)农业上可用来浸种，给种子消毒。1.4聚乙烯醇缩甲醛简介聚乙烯醇缩甲醛（polyvinylformal，PVF，俗称107胶）是甲醛中的羰基与聚乙烯醇中相邻两个羟基反应生成的具有六元环缩醛结构的缩合产物，是一类十分重要的高分子材料。目前作为商品化的聚乙烯醇缩醛产品主要有聚乙烯醇缩丁醛、缩甲醛、缩甲乙醛等，在涂料、粘合剂、薄膜等方面有广泛的应用。聚乙烯醇缩甲醛的软化温度较高于其他缩醛，同时具有很高的机械强度、高耐磨性及良好的粘接性、卓越的电性能，是生产高韧性、耐热性、耐磨性及高介电强度漆包线的重要材料；与酚醛树脂配伍还可制成适用于各种铝合金与钢、黄铜、紫铜、铝合金、聚酯树脂玻璃布基层粘联，木材、橡皮之间的粘合的黑迪哈粘合剂。此外，也是制成冲击强度高、压缩弹性模量值大的泡沫塑料的主要原料。[[CH2-CH-CH-CH2]nOCH2O聚乙烯醇缩甲醛分子结构PVF是略微带草黄色的固体。有热塑性。密度1.2。软化点约190℃。热变形温度65~75℃。吸水率约1%。溶于丙酮、氯化烃、乙酸、酚类。主要用于制造耐磨耗的高强度漆包线涂料和金属、木材、橡胶、玻璃层压塑料之间的胶黏剂，作为层压塑料的中间层以及制造冲击强度高、压缩弹性模量大的泡沫塑料。把聚乙烯醇溶解于水中，经纺丝、甲醛处理制成的合成纤维。聚乙烯缩甲醛纤维的中国商品名，又称维尼纶。1924年由德国P.H.赫尔曼和黑内尔合成聚乙烯醇，30年代制成纤维，名为金托菲尔（synthofil）。由于它溶解于水不能作纺织纤维，主要用作手术缝线。1939年日本樱田一郎等人研制成功聚乙烯醇的热处理和缩醛化方法，维纶才成为耐热水性良好的纤维。世界上生产维纶的国家主要有中国、日本、朝鲜等。维纶性质与棉花相似，强度和耐磨性优于棉花。它有良好的耐用性、吸湿性、保暖性、耐磨蚀和耐日光性；主要缺点是耐热水性差，弹性不佳，染色性较差，高温下的力学性能低。维纶大量用于与棉、粘胶纤维或其他纤维混纺，也可纯纺，用于制作外衣、汗衫、棉毛衫裤和运动衫，以及工作服；也可制作帆布、缆绳、渔网、包装材料和过滤材料。聚乙烯醇缩甲醛的性质和用途，随着聚乙烯醇原料、制造方法和缩醛化程度的不同而有很大的差别。工业上最主要的用途是制作为维纶纤维。它是由完全醇解的聚乙烯醇合成的，它的平均聚合度为1700~1800。1924年德国W.O.赫尔曼和W.黑内尔首先制得了聚乙烯醇，1934年德国制得了水溶性聚乙烯醇纤维，1938年日本樱田一郎研究成功热处理和缩醛化技术，提高了纤维耐水性，扩大了在纺织工业中的应用范围。1948年维纶纤维问世，1950年日本建成了第一个生产装置，此后产量迅速上升。60年代以后，朝鲜民主主义人民共和国、中国、联邦德国、苏联、南朝鲜等相继生产，目前以中国、朝鲜民主主义共和国、日本的产量最大。1.5反应原理聚乙烯醇和甲醛在酸性条件下制备聚乙烯醇缩甲醛，反应原理如图所示。聚乙烯醇缩甲醛制备的原理聚乙烯醇和甲醛的物质的量配比及反应的PH值不同，得到的聚乙烯醇缩甲醛的分子量也不同[5]。分子量小时，形成的高分子化合物易溶于水；分子量大时，得到的高分子化合物难溶于水。溶解性过好，或难于溶解对制备水溶性涂料均不利。因此，如何控制反应的条件，使其最大限度的生成合适分子量的化合物是成功制备聚乙烯醇缩甲醛胶的重要一环[6]。由于在这一反应中有游离的羟基，缩醛化反应总不能进行到底的[7]。聚乙烯醇缩甲醛的性能（如软化温度、硬度、溶解性、溶液的粘度等）取决于下列4中因素：聚乙烯醇的分子量和它的分散密度；聚乙烯醇中的羟基与酰基之比；缩醛化度，也即聚乙烯醇缩醛中羟基和缩醛基之比；醛的化学结构。工业的聚乙烯醇缩醛总不是只含有缩醛基，除缩醛基之外它的分子中总含有未被取代的羟基和一定量的酯基（乙酰基），其随着缩醛反应的进行，可使生成的聚乙烯缩醛不溶于水，使之在达到一定的缩醛化度后由溶液中沉淀析出。聚乙烯醇缩甲醛的合成可通过以聚乙烯醇为原料和以聚乙酸乙烯酯为原料的两条路线，即由溶于水中的聚乙烯醇经醛进行缩醛化而生成和将聚乙酸乙烯酯溶于醋酸中再以醛处理而制得。由于以聚乙酸乙烯酯为原料同时进行水解和缩醛化时很难调节缩醛组成中的乙酰基，而已聚乙烯醇直接缩醛可以更准确地调节聚乙烯醇缩醛链中冠能基的比例，在必要时可以制得几乎不含乙烯酰基的产物，所以，主要探讨聚乙烯醇直接缩醛工艺。1.6展望PVF在各个领域的使用已逐步推广，国内有许多生产厂家，其中乡镇企业也占有相当一部分。它的生产不管是通过改变合成工艺路线、加入溶剂、添加改性剂，还是与其他胶粘剂复合以及几种方法的综合使用，所得到的产品都会降低游离甲醛的含量（未改性的含2.5%），耐水性和强度都有不同程度的提高[4]。但是通过后面四种技术改性所得到的产品相比较，经过一段时间后其粘度、外观、强度和PH值的变化均不如第一种，说明了经过工艺手段所得到的产品有较好的贮存稳定性。当前，只通过工艺手段不添加任何改性物质，而改变工艺条件，促进分子间交联，即可显著地提高粘度和耐水性，也会降低游离甲醛含量及成本，因而这条路径是当前生产情况下较为理想的改性路径。本文主要是为了研究聚乙烯醇缩甲醛的制备，并测定产品的粘度和拉伸强度。并分析各反应条件（试剂用量、反应温度、反应时间等）对产品制备的影响。实验药品及仪器2.1药品聚乙烯醇1799含量不少于99.0%沈阳市新化试剂T甲醛溶液分析纯含量37.0%~40.0%天津市河东区红岩试剂厂T36%的盐酸、10%NaOH溶液、蒸馏水2.2仪器及装置数显恒温水浴锅型号HH-2国华电器有限公司强力电动搅拌机JB90-D型上海标本模型厂制造Nou-79型旋转式粘度计220V50Hz同济大学机电厂微机控制电子万能试验机型号R67-10A精确度等级0.6级深圳市瑞格尔仪器有限公司天孚牌JYT-2架盘天平最大称重200g分度值0.2g常熟市金羊砝码仪器有限公司250mL三口蒸馏瓶、球形冷凝管、10mL量筒、100mL量筒图1聚乙烯醇缩甲醛制备装置图[8]2.3实验方法2.3.1聚乙烯醇的溶解在250mL干燥斜颈三口烧瓶中先加加入10g99%的聚乙烯醇，然后加90mL蒸馏水，混合后将整个装置置于恒温水浴锅（注意恒温水浴箱不能干烧）中固定好。通入冷凝水并开动搅拌器搅拌，加热水浴锅升温至90℃。直至聚乙烯醇全部溶解。2.3.2合成聚乙烯醇缩甲醛当反应半小时之后，用胶头滴管慢慢加入2mL盐酸溶液和3mL甲醛溶液，反应1-2h。这时溶液里面的粘度明显增大，气泡停留在液体中。待反应半小时后，在90mL水中加入10gNaOH，搅拌使其溶解，配制成NaOH溶液，在不断搅拌下加入上述粘稠液中，调节其pH值，用PH试纸检测溶液酸碱性，直至溶液稍过碱性。关掉水浴锅，自然冷却。继续搅拌直至物料呈淡黄色胶状粘稠液。将其置于烧杯中，便制得聚乙烯醇缩甲醛胶水。2.3.1聚乙烯醇缩甲醛的性能测试使用Nou-79型旋转式粘度计测定其粘度；使用微机控制电子万能试验机测定其拉伸强度。记录相关数据。结果与讨论聚乙烯醇缩甲醛的制备与其他缩醛产品的显著不同就在于其析出条件不易控制，控制不好，一旦缩醛度达到一定程度或者升温析出过快，会导致产品析出过程中就抱团，结块，形成紧密物料析出[9]。通过与一般聚乙烯醇缩甲醛产品的比较，发现本实验制备的聚乙烯醇缩甲醛是不合格的。由于制备出的聚乙烯醇缩甲醛的粘度差，仪器对其的测量也无法进行，所以它的粘度和拉伸强度数据并没有在实验中测定出来。下面就列出导致实验中制备聚乙烯醇缩甲醛失败的几种可能原因：普通聚乙烯醇缩甲醛特性本实验聚乙烯醇缩甲醛特性略微带草黄色液体易溶于水粘胶状无色透明固体水溶性差凝胶状，粘度差表1本实验产品与普通产品的特性比较3.1缩醛化程度对实验的影响本实验中使用的试剂有：2mL盐酸（36%，密度1.179g/mL）、3mL甲醛（37%~40%，密度1.1g/mL）、10g聚乙烯醇（不少于99%）。因此可计算出H+的物质的量为0.02327mol；甲醛的物质的量为0.04235mol；聚乙烯醇中羟基的物质的量为0.2273mol。实际上由于热降解等的作用，聚乙烯醇中羟基的量要比理论上的要少一些，不过不影响我们对其的分析。由于几率效应的影响，聚乙烯醇中邻近羟基成环后，中间往往会夹着一些无法成环的孤立的羟基，所以缩醛化程度往往不会达到100%。工业的聚乙烯醇缩甲醛总不是只含缩醛基，除此之外它的分子中总含有未被取代的羟基和一定量的酯基（乙酰基）[1]。最高也只能缩醛化到86%左右。而缩醛化达到11%时开始出现凝胶化现象，而一般的聚乙烯醇缩甲醛胶水的缩醛化程度为16%~18%[2]。本实验中理论上被缩醛化的羟基数为0.04235*2=0.08470mol，缩醛度为0.08470/0.2273*100%=37.26%，大于11%，所以在它达到完全缩醛化之前聚乙烯醇就已经开始凝胶化了。达到凝胶点时，实验的现象为：溶液中出现絮状物，溶液粘度突增，气泡难以上升，停留在溶液中。本实验进行到11:10时温度达到80℃，出现少量的白色絮状物，粘度增大，且液体内部有气泡产生，说明缩醛度已经达到11%了。到这个时候应该可准备加入NaOH溶液中和盐酸，阻止反应的进行。但由于NaOH溶液迟迟没有配好，再加上实验中并未意识到这个时候就可以加NaOH了，所以导致一味的按实验步骤（出现白色絮状物后半小时加入NaOH）进行，聚乙烯醇缩甲醛化程度过高，实验失败。3.2酸碱性对缩合反应的影响盐酸在缩醛化反应中是起催化作用的，生成的聚合物溶液往往呈酸性，需加入NaOH溶液中和至中性或偏碱性。当PH过低，即酸过量时，反应过于猛烈，造成局部缩醛度过高，导致不溶于水的产物产生；当PH过高，反应过于迟缓，甚至停止，结果往往会使聚乙烯醇缩甲醛化程度低，产物粘性过低。本实验中所用的盐酸物质的量为0.02327mol，与甲醛的物质的量0.04235mol相比，有点略多；但与聚乙烯醇的羟基的物质的量0.2273mol相比，却少得多。因实验中是聚乙烯醇与甲醛发生缩醛化，盐酸只起催化剂的作用，所以盐酸量的多少只影响反应速率。由以上数据可计算出盐酸的浓度，即H+的浓度为0.23mol/L，PH约为0.64,，由于实验中量取盐酸和倒入盐酸后，可能有部分盐酸挥发，实际PH值应该在1~3之间。溶液酸性较强，但加入时是逐滴加入，使盐酸均匀的混合在溶液中，所以盐酸的量并没有影响缩合反应的进行。NaOH溶液是在加入盐酸和甲醛后出现白色絮状物及气泡不在上升时加入的。目的是中和溶液中的盐酸，是溶液PH达中性或偏碱性。实验中用PH试纸测试溶液的酸碱性，分几次加入NaOH之后，PH试纸变成紫色，说明溶液呈碱性。阻止了缩合反应的继续进行。但从PH试纸为紫色可以看出，溶液的碱性过大，即PH值过高，可能会引发聚乙烯醇中的羟基消去反应，降低聚乙烯醇缩甲醛水溶性和粘度。所以，我觉得加完NaOH后应该在加入适量的蒸馏水，使溶液的PH在8左右。这样既停止了缩合反应，又不至于引起其他副反应的产生。3.3反应温度对缩合反应的影响实验室制备聚乙烯醇缩甲醛的过程中，控制反应温度尤为重要。它是影响化学反应的重要因素，是实验能否成功的关键。温度对化学反应速率的影响，总的来说，反应温度升高，反应速率加快，但因整个反应过程的不同阶段反应机理不同，故不能一味的提高反应温度来缩短反应时间。若反应温度太高，则产物会出现凝团现象，尤其在较高浓度的情况下，必须掌握适宜的温度和时间，否则会导致实验失败。温度过低，缩合反应进行得缓慢，缩合度过小，粘度及抗冻性不好。本实验水浴锅中水的温度为88℃，三口烧瓶中溶液的温度在80℃左右。在相同反应时间内，聚乙烯醇缩甲醛的质量分数随着缩合反应温度的升高而增大，缩合反应温度控制在90℃合适[3]。但温度一直保持在90℃多少会对具有不同机理的化学反应造成影响。3.4甲醛用量对缩合反应的影响聚乙烯醇缩甲醛的主要原料是聚乙烯醇和甲醛。其胶的质量取决于两者的配比。如果甲醛的加入量过多，则反应速度加快，缩醛度升高，形成的聚合物水溶性变差。如果甲醛的用量太少，反应速率缓慢，缩醛度低，粘度差，形成的涂膜易于被雨水渗透[10]。实验中使用的甲醛含量为0.04235mol，与聚乙烯醇羟基数之比为1:5.37，与聚乙烯醇质量比为1:7.87，一般实际生产中甲醛与聚乙烯醇的配料比为1:10，甲醛的量增加了这样在加快了反应速度的同时也增加了造成缩醛度过大的可能性。但甲醛用量的影响可以从观察实验现象来消除。例如，如果甲醛与聚乙烯醇反应过度，粘度肯定会大增，但凝胶点的出现却是很好判断的，所以可以在出现凝胶点时加入NaOH溶液阻止反应的继续进行，保证反应不至于失控。3.5反应时间对缩合反应的影响实验的反应时间并不是严格规定在几分钟或几小时后干什么，而是应该时刻观察实验现象，根据实际情况来分析是否进入下一步。例如，在本次实验中，10:07组装好仪器，并开始搅拌进行实验；11:00聚乙烯醇溶解完毕，滴加甲醛和盐酸；11:30加入NaOH溶液。本来NaOH溶液的加入时间应该是在刚出现凝胶点（溶液粘度明显增大，气泡停留在液体中）的时候，凝胶点出现的时间应该在11:10（出现了白色絮状物），但是我们在11:30时才加入NaOH溶液。在这20分钟的时间里，甲醛与聚乙烯醇的缩合反应的反应程度已经超过凝胶点，并且缩醛度可能达到很大了，影响了聚乙烯醇缩甲醛胶水的质量。所以，实验中反应时间的控制并没有很好的把握。从其他实验成功的组，我们也同样发现了实验的失败之处在于：我们组的甲醛的加入时间不对。结论本实验的失败之处就在于加入NaOH