聚乙烯醇(英文名称:Polyvinyl alcohol,简称:PVA),一种有机高分子聚合物。聚乙烯醇的
分子式为(C₂H₄O)ₙ,
聚合度通常为500至5000,分子量通常为25000 至 300000,常温下的聚乙烯醇为无色、白色或乳白色的无定形粉末,无臭无味,但在分解时可产生刺激性烟雾和粉尘。聚乙烯醇的
物理性质随其聚合度和醇解度的改变而改变,一般情况下的密度范围为1.19-1.31 g/cm³,
熔点为212-267 °C,标准大气压下的
沸点约为340 ℃。聚乙烯醇溶于热水,不溶于汽油、苯甲醇内酮等一般有机溶剂,可溶于热的
羟基的有机溶剂(如二元醇、
丙三醇、苯酚等),常温下可溶于液氨和二甲基亚砜。
聚乙烯醇化学结构稳定,但也可根据其
分子结构发生醇的相关反应,如聚乙烯醇与
无机络合物和
有机化合物可发生
酯化反应,与各种醛发生缩醛化反应等。
聚乙烯醇的生产与其他聚合物的生产方式不同,不能依靠单一单元前体单体的聚合反应来生产。工业上通常通过
乙酸乙烯酯聚合制得
聚乙酸乙烯酯,再于碱性条件下经
醇解制备聚乙烯醇。
聚乙烯醇的用具有独特的强力粘接性、皮膜柔韧性和平滑性等特性,被广泛用于纤维制作行业、造纸行业、纺织行业、建筑业、有机合成和医药行业等众多领域中。
发展历史
1912年,
德国Chemische Fabrik Griesheim Elektron公司相关人员在采用
乙炔和液态乙酸Ac生产乙烯二乙的副产物中首次发现了乙酸乙烯酯,也就是
乙烯醇的
乙酸酯。
1924年,德国化学家赫尔曼(W.O.Hermann)和德国化学博士海内尔(H. Haehnel)向
聚乙酸乙烯酯的醇溶液中加入碱(
氢氧化钾),想要获得像皂化
单体乙酸乙烯酯那样皂化聚乙酸乙烯酯,最终获得了一种树脂状的产物,这些产物即为聚乙烯醇,这也是人类首次制备出聚乙烯醇。
德国著名化学家施陶丁格(H.Staudinger,1881~1965)也独立的研究了聚乙烯醇,1926年,在一个讲座中,施陶丁格发现了聚乙烯醇和聚乙酸乙烯酯可通过酯化和皂化相互转换。
早期,聚乙烯醇的主要生产地为德国,在美国、
英国和法国等地也有生产。
1931年,赫尔曼与其合作团队发现了湿法和干法制备具有理想性能且可供于纺织加工使用的
聚乙烯醇纤维材料,并为其申请专利。
1938年,
日本开始聚乙烯醇纤维的研发工作。1939年,
东京大学的日本纤维学家
樱田一郎(Sakurada Ichiro,1904~1986)及其研究团队采用聚乙烯醇
水溶液通过
硫酸钠湿法纺丝制成了耐水性的聚乙醇纤维。
物质结构
晶体结构
聚乙烯醇的晶体结构类似于聚乙烯,因为多出的CHOH
基团较小,能够取代CH₂的位置,进入晶格后的分子链仍呈聚乙烯分子的锯齿形,即聚乙烯醇分子链采取平面锯齿链的构象。聚乙烯醇的晶胞为
单斜晶系,a=0.781 nm,b=0.252 nm,c=0.551 nm,斜夹角为91°42′,分子链间由
氢键成对联接而成片体。若结晶温度较高,则聚乙烯醇晶格会近似于斜方晶系。
分子链结构
理化性质
物理性质
常温下的聚乙烯醇为无色、白色或乳白色的无定形粉末,无臭无味。聚乙烯醇的
物理性质随其
聚合度和醇解度的改变而改变,一般情况下的密度范围为1.19-1.31 g/cm³,
熔点为212-267 °C,标准大气压下的
沸点约为340 ℃。聚乙烯醇溶于热水,不溶于汽油、
苯甲醇内等一般有机
溶剂,可溶于热的
羟基的有机溶剂(如
二醇、
丙三醇、
苯酚等),常温下还可溶于
液氨和
二甲基亚砜。根据不同分子量的4% w/v的聚乙烯醇
水溶液在20℃下的粘度分别为4-7 mPa·s(分子量0-20000),21-33 mPa·s(分子量2000-130000),40-65mPa·s(分子量130000-200000)。聚乙烯醇的
玻璃化温度(软化温度)为60℃-85℃,4% w/v的聚乙烯醇水溶液的pH为5.0至6.5,
折射率为1.49-1.53。
化学性质
酯化反应
醚化反应
聚乙烯醇可与
环氧化合物、含
双键结构的
有机化合物及有机卤代化合物发生醚化反应。
一般条件下,聚乙烯醇的醚化反应与
酯化反应相比,更加利于发生,
取代基化学稳定性也较高。聚乙烯醇醚化后的产物
分子间作用力减弱,同时产物的强度、相对密度、软化点和
亲水性均有所下降,且减弱程度醚化后取代基的相对分子质量有关,相对分子质量越大,减弱程度越大。
2-溴乙胺与聚乙烯醇发生醚化反应。
聚乙烯醇与一氯乙酸酯反应生成乙醇酸醚。
与碱反应
部分
醇解的聚乙烯醇中含有
醋酸酯基,在碱和一定温度的作用下,酯基会被
水解,同时会提高聚乙烯醇的醇解度。同时聚乙烯醇和
氢氧化钠反应可生成
醇钠型化合物。
在85 ℃以上的温度条件下将聚乙烯醇和浓度较高的碱溶液反应时,溶液泛黄,甚至变为棕色,出现凝胶状并析出絮状沉淀。长时间加热,会使聚乙烯醇大分子氧化断裂,降低
聚合度。
脱水反应
由于聚乙烯醇的大分子结构,它可以发生脱水反应。在不同条件下,聚乙烯醇
官能团之间的相互作用,可发生脱水反应形成不同的产物。
聚乙烯醇在温度高于100 ℃时就能发生脱水反应,在有微量酸或碱存在时可加速其脱水过程。
缩醛化反应
在酸性
催化剂的存在下,聚乙烯醇能和各种醛发生缩醛化反应。该反应过程可以发生在分子内相邻
羟基间,形成六元环的分子内
缩醛,也可以发生在相邻分子羟基之间,形成分子间缩醛,从而产生分子间交联。通常情况下,缩醛化反应只出现在分子内。
常见的
醛类为甲醛和
丁醛,即R常为-H或-
C3H7。
二元醛与聚乙烯醇反应以分子间缩合为主。
聚乙烯醇的缩醛化产物在水中的溶胀性、溶解性降低,耐热水性提高。
凝胶化反应
能够和聚乙烯醇发生凝胶化反应的物质也称为凝胶剂。常见的凝胶剂有两类:
染料、芳香族羟基化合物和
无机络合物。其中聚乙烯醇与染料和芳香族羟基化合物发生的凝胶化反应过程可逆,而与无机络合物凝胶化反应不可逆。常见的染料和芳香族羟基化合物有刚果红、
苯二酚和苯三酚等,常见的无机络合物有
硼砂、
硫酸钛、乳酸钛、钒基化合物和
硫酸铜等。
制备方法
实验室制法
工业制法
2.醋酸乙烯酯受微量杂质的影响较大,即使在没有
引发剂的条件下,在一定温度下也会因杂质的存在而发生聚合。因此处理制备聚醋酸乙烯酯在工业制备过程中也至关重要。工业生产过程中常选用四大自由基聚合方式中的溶液聚合和乳液聚合。以下为
乙酸乙烯酯聚合反应方程式:
下图为聚乙烯醇的简易生产流程
应用领域
纤维
造纸
利用聚乙烯醇优良的黏结强度和成膜性,在造纸工业中广泛用于颜料结合剂、纸张涂饰剂和上胶剂等方面。聚乙烯醇也用于制造耐脂纸涂料和某些纸涂料中的颜料。
纺织
利用聚乙烯醇所具有的高膜强度、挠曲性、耐磨性、黏附性和良好的水溶性,常用于
合成纤维等的经砂上浆料和某些纺织材料的粘合剂、聚合剂、粘贴剂和
涂层用料。聚乙烯醇可在较低水平下提供高织造效率,并为纺织品
经纱尺寸和整理提供
刚度。
建筑
聚乙烯醇和其适当的
缩醛化水溶液粘合性强、成膜性好和填料填充性好,可广泛用于墙体涂料的成膜物。
合成
聚乙烯醇所具有的表面活性可降低
表面张力,利用这一特点,可选择一定醇解度的聚乙烯醇作为
乙酸乙烯酯乳液聚合的
乳化剂,或选择一定
聚合度和醇解度的聚乙烯醇作为乙酸乙烯酯、
苯乙烯、
氯乙烯的
胶体、悬浮聚合的
分散剂。
医药
其他
聚乙烯醇还可用作再湿黏合剂、化妆品添加剂、
洗洁精添加剂、食品保鲜包装袋或复合包装袋、农用薄膜、可降解农用膜、
高吸水性树脂、钢的火剂和土壤改善剂等。
安全事宜
危险性
GHS分类:
H301:吞咽会中毒(危险急性毒性,口服)
毒性
LD50(
半数致死量)大鼠:>20000 mg/kg
LD50(半数致死量)
小鼠:>4000 mg/kg
LD50(半数致死量)狗:20000 mg/kg
10只小鼠口服500 mg/kg/天,连续20天,无死亡和不良反应。
健康危害
加热至一定温度时,聚乙烯醇会发生分解产生刺激性烟雾以及
一氧化碳和
二氧化碳的有毒烟雾或粉尘,吸入时会刺激
鼻腔和
喉咙,并引起咳嗽和胸部不适,粉尘也可能会刺激眼睛。
环境危害
预防措施
储存运输
消防相关
急救措施