聚乙烯醇的制备过程及其性能的研究

学科分类号 0804 本科生毕业论文题目（中文）：聚乙烯醇（ PVA）薄膜的制备过程及其性能的研究（英文）：The preparation process and properties of poly (vinyl alcohol) (PVA) membrane research学生姓名： 杨 进 学 号： 1211406028 学院 别：化学与化学工程系 专 业： 材料化学 指导教师： 张再兴 (副教授) 起止日期： 2016.032016.05 2016 年 5 月 26 日怀化学院本科毕业论文( 设计、创作) 诚信声明作者郑重声明：所呈交的本科毕业论文(设计、创作) ，是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，论文(设计、创作 )不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。对论文(设计、创作 )的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。本科毕业论文（设计、创作）作者签名：2016 年 5 月 27 日目录摘要 .I关键词 .IAbstract.IKey Word .II1 前言 .11.1PVA 的简介 .11.2 研究背景 .11.3 国内外究现状和研究进展 .11.4 PVA 的制备方法 .11.4.1 高碱醇解法 .21.4.2 低碱醇解法 .21.4.3 醇解度对 PVA 的意义 .21.5 PVA 的应用及其发展前景 .32.1 实验试剂与实验仪器 .32.1.1 实验试剂 .32.2.1 实验仪器 .32.2 标准溶液的制备 .42.2.1 氢氧化钠标准滴定溶液的制备(c=0.5mol/L、0.1mol/L) .42.2.2 盐酸标准滴定溶液的制备(c=0.5mol/L) .42.2.3 硫酸标准滴定溶液的制备（c=0.5mol/L） .42.2.4 PVA（PVA）的制备 .42.3 PVA 醋酸基残余量的测定 .42.3.1 醇解度的定义 .42.3.2 实验步骤 .42.4 PVA 树脂挥发分测定方法 .52.5 PVA 树脂乙酸钠含量的测定方法 .62.6 PVA 树脂氢氧化钠含量的测定方法 .62.7 PVA 拉伸强度计算 .73 实验结果与分析 .73.1 影响醇解度的因素 .73.1.1 醇解反应的温度对醇解度的影响 .73.1.2 氢氧化钠的浓度对醇解度的影响 .73.1.3 醇解反应中含水量对醇解度的影响 .83.2 PVA 的红外分析图 .83.3 不同醇解度的 PVA 的拉伸强度 .103.4 PVA 的电镜分析图 .123.5 不同醇解度的 PVA 的 XRD 表征图 .144 结论 .164.1 影响 PVA 的醇解度的因素 .164.2 不同醇解度下的 PVA 醇解度的红外、拉伸强度、 SEM 及 XRD 的表征图的分析.16参考文献 .17致谢 .18I摘要目的：找出影响醇解度的因素，观察 PVA 的性能。方法：用超声仪器超声醇解聚醋酸乙烯酯(PVAC)，调节不同的温度和加入催化剂 (NaOH)的量，制得 PVA，通过测定 PVA的挥发分、PVA 中乙酸钠的含量和 PVA 中氢氧化钠的含量计算出 PVA 的醇解度，从实验中得出温度和催化剂对醇解度的影响，使用红外光谱仪得到红外光谱图，用它进行表征，用万能力学实验机，测定它的力学性能，深入了解 PVA 的性能。结论：含水量、不同的温度和不同的氢氧化钠浓度都影响着醇解度，实验表明：在含有 2.5%氢氧化钠和 40的甲醇中，聚醋酸乙烯酯醇解的最完全，它的醇解度为 97.54%。关键词PVA；醇解度；挥发分；乙酸钠含量；氢氧化钠含量AbstractObjective: to find out the influencing factors of alcoholysis degree, observe the performance of polyvinyl alcohol. Methods: using ultrasonic ultrasonic instrument alcoholysis polyvinyl acetate(PVAC), to regulate the temperature of the different and join the amount of catalyst (NaOH), polyvinyl alcohol(PVA), was through the determination of volatile of polyvinyl alcohol, polyvinyl alcohol, sodium acetate and polyvinyl alcohol content of sodium hydroxide in calculate the alcoholysis degree of PVA, drawing with origin software, from the picture it is concluded that the influence of temperature and catalyst on the alcoholysis degree, using infrared spectrometer for ir spectrum, were characterized with it, using the universal mechanical testing machine, the determination of its mechanical properties, in-depth understanding of the performance of polyvinyl alcohol. Conclusion: the water content, different temperature and different concentration of sodium hydroxide are affecting the alcoholysis degree, experiments show that: in methanol containing 2.5% sodium hydroxide and 40 , the most complete alcoholysis of IIpolyvinyl acetate, the alcoholysis degree of 97.54.Key WordPoly(vinyl alxohol)；Alcoholysis degree ；Volatile；Acetic acid content；Sodium hydroxide.11 前言1.1PVA 的简介PVA（全称聚乙烯醇）最早由德国化学家赫尔曼（W.O.Hemnann）和海涅尔（W.Hachnel）于 1924 年发明的。PVA 是一种为白色或微黄色，为絮片状、颗粒状、粉末状的固体，无味。PVA 溶液遇碘溶液变深蓝，这种变色受热后消失而冷却后又出现。由于 PVA 的分子链上含大量的侧基 羟基，拥有优良的水溶性，并且有好的成膜性、粘结力与乳化性，有优秀的耐油脂和耐溶剂的性能。PVA 薄膜的密度为 1.26-1,29g/cm3，折射率为 1.52，紫外线照射后发蓝白色光。 PVA 因为具有大量的羟基，可在水中溶胀或溶解，是迄今为止发现唯一具有水溶性的高聚物 1-2。PVA 薄膜是以PVA 为主体，经过特殊工艺加工、可以被土壤中的微生物完全降解的绿色环保功能性材料。1.2 研究背景自 PVA 被两位德国化学家发明以来，在 1926 年完成工业化后在全世界实行，PVA 可以根据不同合成方法制备出性能各异的高分子聚合物，它的性能与塑料和橡胶相差不大，它的粘结性、耐油性、胶体保护性、阻隔性、可降解性的优秀性能大幅度的扩展了它的应用范围，PVA 的研究及生产随着使用范围的不断扩大而不断深入。 20世纪 80 年代中后期，中国逐渐开始 PVA 多用途的研究。 PVA 新产品的研究和开发已经变成全世界研究的热点课题。1.3 国内外究现状和研究进展中国在 1963 年第一次引进 PVA 的生产工艺以来，至今为止已经有 13 家生产企业，产量位居世界第一。目前已有生产工艺为乙烯法和乙炔法，分别以乙烯和乙炔为原料制备聚乙酸乙烯酯，在经过醇解得到 PVA。根据碱量的不同分为高碱醇解和低碱醇解两种,国内目前的 PVA 的聚合度主要为中等聚合度，醇解度的范围主要有78%、 88%、 98%和完全醇解的 98%100%。国外利用不同聚合度和醇解度具有不同性能的特点，已经生产出高低聚合度和醇解度的 PVA 的产品。高聚合度有的达到了25004500，甚至达到 10000，低聚合度产品的聚合度低于 100、醇解度小于 50%的PVA 产品也已问世，目前国外已能生产不同聚合度、醇解度的 PVA 产品品种在 50 种以上，特别是日本的可乐丽公司生产的 KH220 和 LL207，作为 PVA 聚合的悬浮剂，基本上垄断了中国市场。国内还在开展对 PVA 的多品种、多用途的研究，努力拉近与发达国家的差距。1.4 PVA 的制备方法目前工业是用聚醋酸乙烯脂的甲醇溶液用酸或碱作为催化剂进行醇解 3，一般以氢2氧化钠作为催化剂，反应方程式为：酯交换反应如式 1：式 1皂化反应如式 2：式 2副反应式 3：式 3在醇解反应中副反应较多，对催化剂的消耗大，反应体系中的水含量较多。在生产中有高碱醇解法和低碱醇解法两种不同的制备方法，它们是根据不同的含水量与所消耗的催化剂多少来区分的。1.4.1 高碱醇解法高碱醇解法的反应中含水量约 6%，每摩尔聚醋酸乙烯链节需要加碱 0.10.2mol 左右。NaOH 是溶于蒸馏水后加入的，这种方法称为湿法醇解。此法的优点：（1）醇解反应速度较快， （2）设备生产的能力较大，此法的缺点：（1）产生的副反应较多，（2）使用碱催化剂较多， （3）醇解废液回收较难。1.4.2 低碱醇解法低碱醇解法的反应中含水量限制在 0.1%0.3%以下，每摩尔聚醋酸乙烯链节必须加碱 0.010.03mol 左右，在醇解过程中氢氧化钠是溶于甲醇中再加入反应中，这种方法为干法醇解。该方法的特点是副反应少，反应残液回收简单，但反应速度慢。1.4.3 醇解度对 PVA 的意义PVA是一种性能优良、用途广泛的通用高分子材料，在我国生活生产中占着很重要的地位。醇解度是衡量PVA分子中亲水性羟基和疏水性乙酰基多寡的一个重要指标 4-8，它对产品的功能有着重要影响。随着醇解度的降低，PVA分子中的亲水性羟基数量减少，PVA分子形成的氢键的能力也相应减弱，而疏水性的乙酰基数量也相应增加。PVA性能与亲水、疏水基团的变化有关。通常随着醇解度的降低，PVA 的乳化分散能力、对疏水性材料粘合力、水溶解性能、粘度稳定性能提高，而膜强度、耐水性相应3降低，且起泡性和结团性趋向明显。1.5 PVA 的应用及其发展前景由于 PVA 性能上的优秀，它广泛应用于胶黏剂、涂料、乳化剂、纸加工助剂、纺织、薄膜、液晶显示器、包装、建筑、医药、电子、化妆品、石油开采、安全玻璃、木材加工、印刷、农业和冶金等等。PVA 薄膜是科技含量高、附加值高的产品，它的原料挑选以及生产过程都没有释放任何有害物质，有利于环境保护和绿色消费，具有非常大的发展前景。PVA 膜已被包含在塑料包装材料在中国 “十五”发展计划,我的国家有丰富的农产品、生活必需品,消费和出口大 9,据统计,每年需要包装电影占 20%的塑料制品,约309000 吨,即使按照 5%的市场,需求将达到 15000 吨/ 年 10。近年来,国内 PVA 膜产品供不应求。据专家预测,在未来几年内 PVA 膜在全球年均增长率 8% 10%11 - 12,所以PVA 膜的投资项目将促进 PVA 在国内的应用,也可以产生良好的经济效应。2 实验部分2.1 实验试剂与实验仪器2.1.1 实验试剂1、氢氧化钠标准滴定溶液：c(NaOH)=0.5 mol/L，氢氧化钠标准滴定溶液：c(NaOH)=0.1 mol/L，2、氢氧化钠（粒，天津市永大化学的试剂有限公司） ，3、硫酸（成都金山化学试剂有限公司）标准滴定溶液：c(H 2SO4)=0.1mol/L，按GB601 配置与标定，4、盐酸（衡阳市凯信化工试剂有限公司）标准滴定溶液：c(HCL)=0.5mol/L，5、酚酞溶液:10/L 乙醇（90%） ，6、次甲基蓝二甲基黄混合指示剂，7、聚醋酸乙烯酯（PVAC，来自于湖南湘维有限公司） ，8、甲醇（天津市富宇精细化工有限公司） 。2.2.1 实验仪器玻璃板、KQ-100DB 型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司） 、FTIR-8300 型傅里叶变换红外光谱仪（日本岛津有限责任公司） ，三角烧瓶（500 ml；具塞） 、酸式滴定管（50ml，分度值 0.1ml） 、碱式滴定管（50ml，分度值 0.1m） 、量筒（200ml和 10ml,分度值 1ml） 、天平（感量为 1mg） 、烧杯（ 100ml） 、圆底烧瓶（1000ml） 、电热套（巩义市予华仪器有限责任公司） 、JB-90 型强力搅拌机（上海昌吉地质仪器有限公司） 、电热鼓风干燥箱（北京中兴伟业仪器有限公司） 、称量瓶（直径：40mm，高35mm） ，容量瓶（250ml） 。42.2 标准溶液的制备2.2.1 氢氧化钠标准滴定溶液的制备(c=0.5mol/L、0.1mol/L)用天平准确称取 5g 氢氧化钠，溶于烧杯中，搅拌溶解完全，通过玻璃棒引流至容量瓶中，反复清洗烧杯于玻璃棒 3 次，用滴管小心滴至刻度线处，使凹液面最低点与刻度线平齐，盖上塞子，反复上下颠倒几次定容。制备 0.1mol/L 的氢氧化钠标准溶液，准确称取 1g 后，按照上面的方法制备。2.2.2 盐酸标准滴定溶液的制备(c=0.5mol/L)用 10ml 量筒量取 10.73ml 的盐酸，溶于烧杯中，充分搅拌，反复清洗烧杯于玻璃棒 3 次，用滴管小心滴至刻度线处，使凹液面最低点与刻度线平齐，盖上塞