張軍科,惠學洲
(1.陜西國防工業職業技術學院 化學工程系,陜西 西安 710302;2.西安惠安纖維素化工有限公司,陜西 西安 710300)
聚乙烯醇(PVA)不能由乙烯醇直接聚合得到,因為乙烯醇很不穩定,極易發生異構化,轉變為乙醛。所以聚乙烯醇一般由聚醋酸乙烯酯(PVAc)醇解而得。目前,工業生產是用PVAc的甲醇溶液以酸或堿作為催化劑進行醇解,脫去醋酸根得到PVA。聚乙烯醇(PVA)通常根據其相對分子質量(聚合度)大小來確定其用途,纖維用PVA主要是高聚合度PVA。工業上,PVA一般通過聚醋酸乙烯酯(PVAc)與甲醇在堿性溶液中醇解來制備,本研究旨在探討高聚合度PVAc醇解的最佳工藝。
聚醋酸乙烯酯(采用本體法自制,平均聚合度約4500);甲醇、NaOH均為分析純試劑;其他分析檢測試劑均符合標準要求。
選用NaOH作為催化劑時,反應機理為NaOH與CH3OH作用首先生成CH3ONa:
CH3ONa的CH3O-打開羧基,反應方程式如下:
將甲醇和聚醋酸乙烯酯加入四口燒瓶中,裝好攪拌器、回流冷凝管和溫度計,緩慢攪拌升溫(最高溫度不要超過65℃)使聚合物全部溶解,然后降溫至30℃左右,滴加定量NaOH溶液(NaOH溶于甲醇中),反應1~2h,再次升溫至回流溫度反應約1h后靜置、抽濾、洗滌、干燥,得到白色粉狀或顆粒狀固態聚乙烯醇。
(1)PVAc聚合度的測定:稱0.7g干燥充分的PVAc試樣,加入100mL丁酮溶解,用標準烏氏粘度計測定聚合物特性粘度[η],然后依據下式計算聚合度:[η]=KM0.62,式中 K=4.2×10-2;
(2)PVA聚合度的測定:參照國標GB12010.9-89測定;
(3)PVA醇解度的測定:參照國標GB12010.5-89測定。
高聚合度PVAc由于其相對分子質量大,其甲醇溶液的粘度相應也很高,當把NaOH-甲醇溶液加入到PVAc甲醇溶液中時,反應體系的粘度較高,需要極大的剪切力才能打破膠凍使反應順利進行,這給工業化生產帶來了困難,因此,本文結合聚醋酸乙烯酯醇解反應原理和特點,就影響醇解工藝的幾個因素進行探討。
選擇NaOH為催化劑,將不同濃度的NaOH-甲醇溶液滴加到質量濃度為15%的PVAc甲醇溶液中,反應2h,測定醇解產物醇解度,醇解度隨堿液濃度變化見圖1。
圖1 催化劑濃度與醇解度關系圖Fig.1 Effect of catalyst concentration on the degree of alcoholysis
從1圖可以看出,醇解度隨堿液濃度的增大而增大,當堿濃度從 50g·L-1升到 130g·L-1時,醇解度從95%升到99%,但曲線的上升趨勢逐漸變緩,所以最佳堿液濃度以110 g·L-1為宜。
保持催化劑濃度和反應時間不變,考察醇解溫度和醇解度的關系,醇解度隨醇解溫度變化見圖2。
圖2 醇解溫度與醇解度關系圖Fig.2 Effect of temperature on the degree of alcoholysis
從圖2可以看出,醇解度隨溫度的升高而快速下降,當溫度從30℃升到45℃,醇解度從98%降到了94%;在試驗過程中還發現溫度越高,溶液粘度增大的趨勢越早越明顯,這可能是因為提高溫度增加了醇解反應活性,但伴隨的副反應活性提高卻導致了產品醇解度的下降,所以醇解溫度不宜太高,以30~32℃為宜。
保持催化劑濃度和反應溫度不變,僅改變醇解反應的時間。醇解度隨醇解時間變化見圖3。
圖3 醇解時間與醇解度關系圖Fig.3 Effect of time on the degree of Alcoholysis
從圖3可以看出,醇解度隨時間的增加而增大,當醇解時間從60增加到120min,醇解度從97%增加到99%,我們發現雖然醇解度隨時間增加相應的也增大了,但是其增幅并不是很明顯,所以醇解時間不宜太長,醇解1.5h即可。
高聚合度的PVAc醇解制備PVA,由于其相對分子質量較大,所以研究其醇解工藝顯得尤為必要。對于聚合度在4500左右的PVAc,控制催化劑(NaOH)濃度在 110 g·L-1、醇解溫度為 32℃、醇解時間90min即可制的理想醇解度的PVA。
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