聚乙烯醇(PVA)的制备:实验原理

聚乙烯醇(PVA)不能直接通过单体聚合得到,而是通过聚乙酸乙烯酯(PVAc)醇解(或水解)反应来制得的。由于醇解法制得的聚乙烯醇精制容易、纯度较高、产品性能较好,因此目前工业上多采用醇解法制聚乙烯醇。聚乙酸乙烯酯的醇解可以在酸性或碱性条件下进行。酸性醇解时,由于痕量级的酸很难从聚乙烯醇中除净,而残留的酸会加速聚乙烯醇的脱水作用,使产物变黄或不溶于水。因此工业上多采用碱性醇解法制备聚乙烯醇。

本实验以甲醇为醇解剂,NaOH为催化剂,聚乙酸乙烯酯在NaOH-甲醇溶液中进行醇解反应。主要反应如下:

以上醇解过程实际上是甲醇与聚乙酸乙烯酯之间进行了酯交换反应,聚乙酸乙烯酯的结构发生变化。这种使高分子结构发生改变的化学反应,叫作高分子化学反应。在主反应中,NaOH仅起催化剂的作用,但NaOH还可能发生以下两个副反应:

当含水量较大时,上述两个副反应非常显著,将消耗大量的NaOH,导致NaOH对主反应的催化效能降低,醇解反应不能完全进行。为了尽量避免上述副反应,物料的含水量一般应该严格控制在5%以下。聚乙酸乙烯酯的醇解反应机理类似于低分子酯与醇之间的酯交换反应。聚乙酸乙烯酯醇解反应生成的聚乙烯醇不溶于甲醇,呈絮状物析出。聚乙烯醇可作为悬浮聚合的分散剂,也可用作制备维纶纤维的原料。为了制备不同醇解度的聚乙烯醇,应选择合适的工艺条件。

1.聚合物浓度

聚合物浓度对醇解反应影响颇大。实践证明其他条件不变时,随着聚合物浓度的增加,醇解度降低。当聚合物浓度太低,溶剂的损失和回收工作量很大,故工业生产中聚合物浓度一般为22%。

2.NaOH用量

实验证明碱用量过高,对醇解速度、醇解度影响不大,但会增加体系中乙酸钠含量,影响产品质量。工业生产中NaOH用量为聚乙酸乙烯酯的12%。

3.反应温度

提高反应温度会加速醇解反应进行,缩短反应时间。当反应温度提高时,伴随醇解反应的副反应也相应加速,导致碱的消耗量增加,使聚乙烯醇中残存的乙酸根量增加,影响产品质量。因此,工业生产中醇解温度为45~48℃。

4.相变

聚乙酸乙烯酯溶于甲醇,而聚乙烯醇不溶于甲醇。随着反应不断进行,反应体系从均相转变为非均相。各种反应条件都会影响该相变发生的时间,从而影响醇解反应的难易和醇解度的高低。因此,当反应体系刚出现胶冻时,必须强力搅拌使胶冻分散均匀,保证醇解反应顺利进行。

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