聚乙烯醇缩甲醛的制备实验及其结果分析的课程设计.docx

1、聚乙烯醇缩甲醛的制备实验及其结果分析的课程设计聚乙烯醇缩甲醛的制备实验及其结果分析的课程设计摘要聚乙烯醇缩甲醛简称（PVFM）或（PNFO）,主要用于制造涂料和胶粘剂。具有良好的粘接性、耐水性、耐油性、耐酸性、耐碱性、电气绝缘性。这个实验中采用在盐酸催化的作用下制备了聚乙烯醇缩甲醛，并对其进行了粘度和抗拉伸力的测定。关键词：聚乙烯醇缩甲醛，胶粘剂，粘度，抗拉伸力AbstractPolyvinylformal abbreviation (PVFM) or (PNFO) which largely used in the manufacture of coatings and adhesives.

2、 It has good adhesion, water resistance, oil resistance, acid resistance, alkali resistance and electrical insulation. This experiment used in hydrochloric acid under the catalysis of preparation of polyvinyl formal and the viscosity and its tensile strength was measured.Keywords：Polyvinylformal,Adh

3、esives,Viscosity,Tensile strength 目录1. 前言 11.1实验原理 11.2实验步骤 21.2.1 溶解聚乙烯醇 21.2.2 加入盐酸和甲醛反应 31.2.3 粘度的测定 31.2.4 抗拉伸力的测试 31.3合成工艺 31.4聚乙烯醇缩甲醛的发展历程 41.5聚乙烯醇缩甲醛的性质 41.6聚乙烯醇缩甲醛的特点 41.7用途 51.7.1聚乙烯醇缩甲醛胶的应用 51.7.2改性聚乙烯醇缩甲醛胶的应用 51.8展望 62. 实验设备与药品 72.1实验设备 72.2实验药品 73. 结果与讨论 83.1实验记录 83.2现象 83.3结果 83.4现象讨论 8

4、3.5实验失败的原因分析反应时间过长 84. 结论 115. 参考文献 126. 致谢 131. 前言1.1实验原理早在 1931年，人们就已经研制出聚乙烯醇(PVA)的纤维，但由于 PVA的水溶性而无法实际应用。利用“缩醛化”减少其水溶性，就使得PVA有了较大的实际应用价值，用甲醛进行缩醛化反应得到聚乙烯醇缩甲醛(PVF)。PVF随缩醛化程度不同，性质和用途有所不同。控制缩醛在35%左右，就得到了人们称为“维纶”的纤维(vinylon)。维纶的强度是棉花的1.52.0倍，吸湿性5%，接近天然纤维,又称为合成棉花。在PVF分子中，如果控制其缩醛度在较低水平，由于PVF分子中含有羟基，乙酸基和醛

5、基，因此有较强的粘接性能，可作胶水使用，用来粘结金属、木材、皮革、玻璃、陶瓷、橡胶等。 聚乙烯醇与甲醛反应分两步进行:首先 ,甲醛与聚乙烯醇链上的一个轻基结合生成半缩醛 ,该步反应无需酸催化。其次,生成的半缩醛在酸催化下转化成正碳离子 ,而后与相邻的轻基作用得到缩醛1。其反应如下： 聚乙烯醇可以与醛类(甲醛、乙醛、丁醛)进行特征反应缩醛反应，生成六元环缩醛结构。聚乙烯醇缩甲醛是由聚乙烯醇相邻的羟基之间与甲醛作用，生成1，3二氧六环的环状物。当然醛的羰基也可能与两个聚乙烯醇大分子中的两个羟基进行缩醛反应，这样就会形成大分子之间交联的网型结构的聚合物。甲醛化反应可分为两种，一种是在聚乙烯醇的水溶液

6、中进行；另一种是利用固体的聚乙烯醇进行反应。聚乙烯醇纤维在水溶液反应中，醛基沿着聚乙烯醇的链呈不规则性地与羟基反应。但是在固体反应中情况就不同了，试剂进入聚乙烯醇的非结晶部分进行反应，结晶部分则不反应。低温下，聚乙烯醇若经200进行热处理结晶度可50以上。结晶度低的易溶于水结晶度高的则不易溶于水，经200热处理的聚乙烯醇固体，即使在80的热水中也不溶。维尼纶纤维的生产，就是利用将聚乙烯醇纤维延伸，热处理，使结晶度提高之后再甲醛化反应。经适度的甲醛化后，有少量的交联发生，变成热水不溶，也不收缩的纤维。由于几率效应，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，因此缩醛化反应不

7、能完全。为了定量表示缩醛化的程度，定义已缩合的羟基量占原始羟基量的百分数为缩醛度。聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛将它进行部分缩甲醛化，随着缩醛度的增加，水溶性愈差。作为维尼纶纤维的聚乙烯醇缩甲醛的缩醛度一般控制在35%左右。它不溶于水，是性能优良的合成纤维。本实验是合成水溶性聚乙烯醇缩甲醛胶水。反应过程中须控制较低的缩醛度，使产物保持水溶性。如反应过于猛烈，则会造成局部高缩醛度，导致不溶性物质存在于水中，影响胶水质量。因此在反应过程中，特别要注意严格控制催化剂用量、反应温度、反应时间及反应物比例等因素。聚乙烯醇缩甲醛随缩醛化程度的不同，性质和用途各有所不同。它能溶于甲酸、乙酸、二氧六环、

8、氯化烃（二氯乙烷、氯仿、二氯甲烷）、乙醇-苯混合物（30：70）、乙醇-甲苯混合物（40：60）以及60%的含水乙醇等。本实验中，由于缩醛化反应的程度较低，胶水中尚含有未反应的甲醛，产物往往有甲醛的刺激性气味。缩醛基团在碱性环境下较稳定，故要调整胶水的pH值。1.2实验步骤1.2.1 溶解聚乙烯醇在装有搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中加入10g聚乙烯醇及90mL水，搅拌下在90加热使其完全溶解。1.2.2 加入盐酸和甲醛反应加入3ml36的甲醛溶液，搅拌10分钟后加入2.5mol/L的盐酸溶液调pH值为13，搅拌下进行保温反应。随着反应的进行，溶液逐渐变粘调，变浑浊，当有气泡或絮状物产生时,迅速

9、加入10的NaOH溶液调pH值为78，再加6070mL蒸馏水稀释后冷却降温，得粘稠透明状液体。1.2.3 粘度的测定（1）首先选择相宜的转子和转速，使读数在刻度盘的2080范围内。（2）将盛有试样的容器放入仪器上，把转子垂直浸入试样中央部位，并使液面达到转子液位标线(有保护架应装上)。开动旋转粘度计，读取旋转时指针在圆盘上不变时的读数。（3）试样平衡测定三次 。1.2.4 抗拉伸力的测试将透明状液体涂于铁片表面，将两块铁片涂胶面对粘，室温下放置30min后，在微机控制电子万能试验机测粘接强度。1.3合成工艺工业上维纶纤维的制造是将聚乙烯醇溶于水中，制得15%左右水溶液,通过0.07毫米左右孔径

10、的喷丝头,在饱和的硫酸钠水溶液凝固浴中制得纤维，再经拉伸及热处理，提高强度及耐热水性；然后在催化剂硫酸存在下，与甲醛进行缩醛化反应，温度约70，时间2030分钟，经水洗，上油即得维纶纤维。维纶纤维有短纤维、丝束及长丝等品种，其中以棉型短纤维及丝束最为普遍。维纶纤维相对密度1.261.30，软化点220230，水中软化点110；棉型短纤维的纤度1.4旦（定长9000米质量1克为1旦）；干湿强度分别为5.4克力/旦、4.3克力/旦，干湿伸度分别为16.5%、17.5%，杨氏模数550千克力/毫米,弹性恢复率(3%)70%。维纶纤维的特点是强度高、韧性好、耐磨、耐酸碱、湿强度高、不怕霉蛀等；缺点是弹

11、性、染色性和尺寸稳定性较差。维纶纤维主要用来制作衣服，也可用于制造各种缆绳，帆布，农用防风、防寒纱布等。1.4聚乙烯醇缩甲醛的发展历程聚乙烯醇缩甲醛胶最初只是代替浆糊及动植物胶，用作文具胶水及粘贴皮鞋衬里等用。70年代开始用于民用建筑，80年代则广泛用于多种壁纸、玻璃纤维墙布、多种墙板、瓷砖之粘贴，用作大白粉浆、石灰浆、多种腻子的粘结剂，还用作内外墙涂料，水泥地面涂料的基础及外墙饰面，墙体处理等多方面。近年来，为了适应市场需求人们对聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂进行了大量的改性研究，无论在合成工艺上还是在胶液的性能方面都有显著的提高2。1.5聚乙烯醇缩甲醛的性质聚乙烯醇缩甲醛简称（PVFM）或（PVFO

12、）。聚乙烯醇与甲醛作用而成的高分子化合物。微带草黄色固体。有热塑性。密度1.2。软化点约190。热变型温度6575。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粘剂，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3。聚乙烯醇缩甲醛纤维商品名称维尼纶。溶于二氯乙烷、二氧六环、醇类、甲酸、乙酸、酚类、糠醛等溶剂中。具有良好的粘接性、耐水性、耐油性、耐酸性、耐碱性、电气绝缘性。1.6聚乙烯醇缩甲醛的特点(1)原料来源广，价格较低廉。(2)固化产物有良好的韧性，可用于粘接柔软材料。(3)胶粘剂属于单组分胶液，

13、用前不需进行配制，使用方便。(4)合成工艺简单，胶液因不含有机溶剂，具有无毒、不易燃、固体含量高的特点。(5)缺点是本身强度差，抗蠕性和耐热性差，因此对金属等极性材料粘接强度差，只能作非结构胶粘剂使用4。1.7用途1.7.1聚乙烯醇缩甲醛胶的应用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差别。工业上最主要的用途是制作维纶纤维。聚乙烯醇缩甲醛除用于维纶纤维外，还可用作发泡剂、研磨材料、胶粘剂、电气绝缘材料等。1.7.2改性聚乙烯醇缩甲醛胶的应用（1）用于木材与木材之间的粘接 此胶用于木材与木材之间的粘接，其用法与传统的白乳胶用法相似，使用时将此胶液均匀地涂布

14、于待粘的平整而光滑的木材表面，然后压紧，瞬时可定位， 35小时后即可使用，24小时后达到最大粘接 强度。因此，它可取代传统的白乳胶。广泛应用于家具、木器制造业中木材与木材之间的粘接及加固。因用聚丙烯酸酯和硅溶胶改性，其耐水防潮性比传统白乳胶更好。 （2）用于木板水泥之间的粘贴 本产品可用于一般木地板与水泥地面或木装饰 板与水泥墙面之间的粘贴，其粘接强度比目前市售的聚乙烯醇缩甲醛木地板胶水要高20以上。因此，它可以广泛应用于室内装饰中木地板或木装饰板与水泥地墙面之间的粘贴，其用法与普通木地板胶水一样。 （3）用于装饰布(纸)水泥墙面之间的粘贴 该产品可广泛用于室内各种装饰布或装饰纸与水泥墙面之间

15、的粘贴。使用时，将本胶液均匀地涂刷在平整无灰的水泥墙面上，然后将待粘贴的装饰布(纸)均匀地铺展于涂胶墙面即可。 （4）用于纸纸之间的粘贴 该胶可用于各种纸品之间的粘贴，若用于大量纸品快速涂胶生产线时，可用1020的水稀释本胶液至合适的施工粘度为止，干后其粘接强度比目前市场上销售的普通文具胶水要高1020，且干后仍呈无色透明状，对纸品外观无 任何影响。用于瓷砖马赛克与水泥墙(地) 面之间的粘贴 该胶用于瓷砖、马赛克与水泥墙(地)面的粘贴时，将水与此胶按3：l比例调匀后，加调于白水泥或普通水泥中，边加边调至均匀糊状膏状液，然后将此糊状胶涂刮在水泥墙(地)面上，再将待粘的瓷砖或马赛克按压于涂胶面即可

16、。用此胶虽然成本比普通水泥粘贴瓷砖要高一些，但其防振性、防碎裂性、隔潮性以及使用寿命等均比水泥要好得多，是一种新型的瓷砖粘合剂。 （5）用于内外墙通用涂料的基料 此胶可作为基料直接生产内外墙通用涂料，生产时，按胶液：水：颜填料 = 3：4：3之比(质量比)混合搅拌均匀或用砂磨机研磨均匀后，即可得到内外墙通用建筑涂料，其耐水、耐磨性和耐候性比传统的106、107涂料要好得多。也可替代建筑乳胶漆用于外墙装饰涂料，其中颜填料是由金红石型钛白粉、轻质碳酸钙和重质碳酸钙(双飞粉)按一定比例混配而成。若将本胶液与水按1：1质量混合并搅拌均匀后加调于双飞粉中，至膏糊状粘度即得到涂刮型内外墙仿瓷涂料，同时具有

17、装饰和填平墙面作用5。1.8展望 用聚丙烯酸酯和硅溶胶改性聚乙烯醇缩甲醛所得的新型改性胶与传统的聚醋酸乙烯酯白乳胶比较，具有抗冻性好、贮存稳定好、粘性强度高、成本更低、用途更广泛等特点， 因而是目前白乳胶的理想换代产品，值得大力推广与应用。2. 实验设备与药品 2.1实验设备天孚牌架盘天平JYT2型 生产厂家：常熟市金羊砝码仪器有限公司（最大称量200g、分度值0.2g）数显恒温水浴锅HH2型 生产厂家：国华电器有限公司强力电动搅拌机JB90D型 生产厂家：上海标样模型厂制造旋转式粘度计NDJ79型 生产厂家： 同济大学机电厂微机控制电子万能试验机R6710A型 生产厂家：深圳市瑞格尔仪器有限

18、公司制造（规格10KN）2.2实验药品聚乙烯醇（PVA1799）：英文名polyvinyl alcohol，单体：CH3CH2OH，生产厂家：沈阳新化试剂厂，纯度：99.0%。盐酸（HCL）：英文名hydrochloric acid，相对分子质量：36.46，外观与性状：无色液体，有腐蚀性。为氯化氢的水溶液，有刺激性气味，分析纯浓度：36%。生产厂家：锦西市化工厂甲醛（HCHO）：英文名称formaldehyde，相对分子质量：30.03，一种无色，具有强烈刺激性气味的气体，易溶于水、醇和醚。在常温下是气态，通常以水溶液形式出现。分析纯含量3740%。生产厂家：天津市河东区红岩试剂厂氢氧化钠（

19、NaOH）：相对分子质量：40.01各试剂取用量：聚乙烯醇 10g 水 90ml盐酸 2ml 甲醛 3ml氢氧化钠 适量3. 结果与讨论3.1实验记录9:20 水浴锅加水，开始加热9:45 称10g聚乙烯醇装入三口烧瓶中9:55 组装完仪器，开始搅拌10:10 温度计82，部分溶解，水浴90.110:25 温度计83，大部分溶解，水浴90.210:30 温度计84，完全溶解，水浴90.310:46 加入2ml HCl, 温度计82，水浴90.310:50 加入3ml 甲醛, 温度计82，水浴90.311:20 出现凝胶，实验失败3.2现象本实验的产物分为两部部分，一部分是无色的凝胶状物体，有一

20、定粘性，有甲醛的气味。另一部分是无色液体，基本无粘性，粘度很小。3.3结果反应液的粘度 ：=0.02Pa/s抗拉伸力测试值：实验失败，未进行测试3.4现象讨论正常聚乙烯醇缩甲醛的粘度为=20Pa/s6，而本实验的反应液的粘度为=0.2Pa/s，远远小于正常值，并且有无色的凝胶物生成，反应后产物几乎无粘性，所以未进行抗拉伸力测试。3.5实验失败的原因分析反应时间过长实验在进行到第100min的时候出现了无色的凝胶，导致本次实验失败。班级中其他失败组的数量和总量之比为212（其中成功的两组中有一组是失败后又重新做的）。从这么高的失败率上可以基本排除个人偶然失误因素。那可能的因素有两个：我们所用的试

21、剂和药品存在问题。实验过程有问题。分析第一个因素，由于班级中有成功的组，所以基本可以排除所用的试剂和药品存在问题。那在分析第二个因素，实验过程中存在问题。不同失败组出现凝胶的现象大致相同，差别之处在于出现的时间不同，这可能和实验的操作速度有关，操作快的早加甲醛和盐酸，由于反应时间长，出现了凝胶。操作慢的由于加甲醛和盐酸的时间晚，在本实验大部分组基本快结束时，而其才反应了一段时间，所以没出现凝胶，成功做出胶水。从另一个成功的组也可以证明这一点，那组重新做了一次，按正常的步骤的时间是不可能完成的，但是也成功做出了胶水。也就是说明反应时间不需要很长，所以可能的原因是实验的反应时间有问题。查相关资料：

22、资料 ：聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛将它进行部分缩醛化，随着缩醛度的增加，水溶液愈差，作为维尼纶纤维用的聚乙烯醇缩甲醛其缩醛度控制在 35%左右，它不溶于水，是性能优良的合成纤维。本实验是合成水溶性的聚乙烯醇缩甲醛，即胶水。反应过程中需要控制较低的缩醛度以保持产物的水溶性，若反应过于猛烈，则会造成局部缩醛度过高，导致不溶于水的物质存在，影响胶水质量。因此在反应过程中，特别注意要严格控制催化剂用量、反应温度、反应时间及反应物比例等因素7。资料 ：107胶的水溶液(简称107胶水)是用途广泛的建筑材料。在它的生产过程中，因操作不慎等原因，会使107胶从承中析出，造成产品的报废。这种从水中析

23、出的107胶称为107凝胶(下简称凝胶)。当聚乙烯醇与甲醛反应生成107胶后，分子链上的部分羟基结构变成了缩醛和半缩醛结构，如果缩醛度大于11%时，可使107胶的水溶性降低，即出现凝胶现象。工业上生产107胶时，为了节约时建，用提高反应温度和增加反应物甲醛浓度的办法来加快反应速度，使缩合反应温度由原来的8082。提高到9395并使理论上聚乙烯醇与甲醛的配料比由25:1提高到实际生产的10:1。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8。资料 ：当反应在50min后继续进行时,则未参与反应的甲醛进一步取代1799上的经基直至实际取代度达到或超过30% ,而造成凝胶。当理论取代度达

24、到或超过30%时,只要温度保持在902 ,反应时间足够长,就一定会产生凝胶9。 根据反应方程式，初步得出原因可能是反应时间过长，使反应程度过大，使缩醛度过高，使反应物的水溶性变差，逐渐与水分离，有进一步反应，最终生成凝胶，导致实验失败。再从实验的数据上分析，反应方程中体聚乙烯醇单和甲醛按2:1反应生成聚乙烯醇缩甲醛。我们所用的甲醛为3mL,含量为3740% ，=1.1g/mL，所以本验加入甲醛的m=1.27g,而本实验称取聚乙烯醇的m=10.0 g。所以，两者的质量比m聚乙烯醇单 :m甲醛= 10.0g/1.27g8:1。从上面资料中可知理论质量比为25:1,本实验的质量比8:1，甲醛的量比理

25、论值高了近3倍，虽然这会使反应的速度加快，但同时也提高了反应程度过高、缩醛度过大的可能性。聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛将它进行部分缩醛化，随着缩醛度的增加，水溶液愈差。本实验是合成水溶性的聚乙烯醇缩甲醛，即胶水。反应过程中需要控制较低的缩醛度以保持产物的水溶性，若反应过于猛烈、时间过长，则会造成局部缩醛度过高，导致不溶于水的物质产生。因此在反应过程中，特别注意要严格控制催化剂用量、反应温度、反应时间及反应物比例等因素。终上所述，本实验失败的主要原因在于实验的反应时间过长，导致反应的程度过大，使缩醛度过高，导致凝胶的产生。4. 结论根据上述分析，推测本次试验的失败之处在于反应时间过长，没

26、有在适宜的时机加入NaOH溶液来终止反应的进行，导致最终生成凝胶。查阅相关资料：合成聚乙烯醇缩甲醛的实验过程1在装有搅拌器、回流冷凝管的三口烧瓶中加入9g聚乙烯醇及80mL水，搅拌下在95加热使其完全溶解。2降温至90,加入5g 36的甲醛溶液，搅拌10分钟后加入2.5mol/L的盐酸溶液调pH值为13，搅拌下进行保温反应。随着反应的进行，溶液逐渐变粘调，变浑浊，当有气泡或絮状物产生时,迅速加入10的NaOH溶液调pH值为78，再加6070mL蒸馏水稀释后冷却降温，得粘稠透明状液体10。上述步骤在加入的药品和反应的条件都大同小异，但在加入甲醛和盐酸之后，终止反应是根据实验现象（溶液逐渐变粘调，

27、变浑浊，当有气泡或絮状物产生时,迅速加入10的NaOH溶液调pH值为78，再加6070mL蒸馏水稀释后冷却降温，得粘稠透明状液体。）这是与本实验的不同之处，所以最后的分析实验失败的结论为反应时间过长。5. 参考文献1 徐德林，杨业民.改性聚乙烯醇缩甲醛胶的合成和应用J.郑州轻工业学院学报，1994，9（2）:6367.2 何丽君，黄仕锋. 聚乙烯醇缩甲醛的研制J.贵州化工，2005，30（5）：1719.3 亢萍，陆波，孟昭生.制备聚乙烯醇缩甲醛的新方法的研究J.沈阳化工学院学报，2003，17（3）:194196.4 宣胜医. 聚乙烯醇缩甲醛胶粘剂合成技术的改进J.丹东纺专学报.2001，2

28、（2）：1011.5 曾德芳.改性聚乙烯醇缩甲醛胶的研制与应用J.上海化工，2006，31（9）:1718.6 潘学渊，徐国强.水溶性聚乙烯醇缩甲醛溶液粘度J.化学世界，1990，（10）：452455.7 杨葵华，杜利成. 聚乙烯醇缩甲醛的缩醛度过大的再生处理J.西南科技大学学报，2004，19（3）：7879.8 丁志勇.107胶的缩醛度过大的再生处理J.化学世界，1990，（2）：8889.9 武龙，刘学凡，张钦田.合成107胶时产生凝胶的原因及解决办法J.中国胶粘剂，1997，7（6）：1113.10 谢豪国，胡军辉，王和生. 聚乙烯醇缩甲醛胶工艺的研究J.上饶师范学院学报，2001，21（3）：5053.6. 致谢感谢X老师的指导，感谢有机实验室为本次实验提供仪器及药品，感谢同组同学的帮助，感谢其他同学的帮助，感谢中国知网、维普网、XX文库为我提供了参考资料。