聚乙烯醇縮甲醛膠水的制備

1、聚乙烯醇縮甲醛（膠水）的制備、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私饩垡蚁┐伎s甲醛化學(xué)反應(yīng)的原理，并制備紅旗牌膠水。以聚乙烯醇和甲醛為原料制備聚乙烯醇縮甲醛膠水，了解聚合物的化學(xué)反應(yīng)特點(diǎn)二、實(shí)驗(yàn)原理聚乙烯醇縮甲醛膠（ 商品名 107 膠 ） 是一種目前廣泛使用的合成膠水, 無色透明溶液，易溶于水。與傳統(tǒng)的漿糊相比具有許多優(yōu)點(diǎn)1:、初粘性好，特別適合于牛皮紙和其它紙張的粘合；、粘合力強(qiáng)；、貯存穩(wěn)定，長久放置不變質(zhì)；、生產(chǎn)成本低廉。國內(nèi)有許 多廠家生產(chǎn)此膠水。因此廣泛應(yīng)用于多種壁紙、纖維墻布、瓷磚粘貼、內(nèi)墻涂料及多種膩?zhàn)幽z的粘合劑等。近年來，為了適應(yīng)市場需求人們對(duì)聚乙烯醇縮甲醛膠粘劑進(jìn)行了大量的改性研究，無論在合成工藝上還

2、是在膠液的性能方面都有顯著的提高。本實(shí)驗(yàn)以聚乙烯醇縮甲醛為例， 我們對(duì)其合成過程所用的催化劑、縮合溫度等對(duì)膠水質(zhì)量有影響的因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究和探討, 摸索出更佳更合理的工藝條件。聚乙烯醇縮甲醛是利用聚乙烯醇與甲醛在鹽酸催化作用下而制得的，其反應(yīng)如下 :聚乙烯醇縮醛化機(jī)理：聚乙烯醇是水溶性的高聚物，如果用甲醛將它進(jìn)行部分縮醛化，隨著縮醛度的增加，水溶液愈差，作為維尼綸纖維用的聚乙烯醇縮甲醛其縮醛度控制在35%左右，它不溶于水，是性能優(yōu)良的合成纖維。本實(shí)驗(yàn)是合成水溶性的聚乙烯醇縮甲醛，即膠水。反應(yīng)過程中需要控制較低的縮醛度以保持產(chǎn)物的水溶性，若反應(yīng)過于猛烈，則會(huì)造成局部縮醛度過高，導(dǎo)致不溶于水的物

3、質(zhì)存在，影響膠水質(zhì)量。因此在反應(yīng)過程中，特別注意要嚴(yán)格控制岷催化劑用量、反應(yīng)溫 度、反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)物比例等因素。聚乙烯醇縮甲醛隨縮醛化程度的不同，性質(zhì)和用途各有所不同，它能溶于甲酸、乙 酸、二氧六環(huán)、氯化燒（二氯乙烷、氯仿、二氯甲烷）、乙醇 甲苯混合物（30 : 70）、乙醇 甲苯混合物（40 : 60）以及60%勺含水乙醇中?？s醛度為 75%85的聚乙烯醇縮甲醛重要的 用途是制造絕緣漆和粘合劑。三、實(shí)驗(yàn)藥品及儀器藥品：聚乙烯醇、甲醛（40%、氫氧化鈉，濃鹽酸，硫酸儀器：攪拌器、恒溫水浴，球形冷凝管，溫度計(jì)，滴液漏斗，三口燒瓶實(shí)驗(yàn)裝置如下圖：四、實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象步驟現(xiàn)象分析在250mL三頸瓶中，

4、力口 入90mL去離子水（或蒸 儲(chǔ)水）、7g聚乙烯醇，在 攪拌下升溫至85-90 C溶 解。攪拌加熱升溫 至90c左右時(shí)，聚 乙烯醇全部溶解， 溶液無色透明，瓶 內(nèi)無白色固體。聚乙烯醇熔點(diǎn)85C ,所以需升溫至85-90 C 0等聚乙烯醇完全溶解加入鹽酸，溶必須控制PH為1-3,所以加后，降溫至35-40 C加入 4.6mL甲醛（40%工業(yè) 純），攪拌15min,再加 入1 ： 4鹽酸，使溶液pH 值為1-3。保持反應(yīng)溫度 85-90 C ,繼續(xù)攪拌 20min,反應(yīng)體系逐漸變 稠，當(dāng)體系中出現(xiàn)氣泡 或有絮狀物產(chǎn)生時(shí)，立 即迅速加入 1.5 mL8%的NaOH溶液，同時(shí)加入 34mL去離子水（

5、或蒸儲(chǔ) 水）。調(diào)節(jié)體系的pH值 為8-9。然后冷卻降溫出 料，獲得無色透明粘稠 的液體，即市場出售的 紅旗牌膠水。液無明顯變化，PH 降低至2左右。加入甲醛后加 熱升溫，溶液變 稠。升溫至85-90 C一段時(shí)間后，出現(xiàn) 氣泡，加入NaOHffi 蒸儲(chǔ)水，PH值為9左 右。冷卻，得無色 透明粘稠的液體。入鹽酸不能太多也不能太少。當(dāng)pH過低時(shí)，催化劑過量，反應(yīng)過 于猛烈，造成局部縮醛度過高， 導(dǎo)致不溶于水的產(chǎn)物產(chǎn)生。當(dāng) pH 過高時(shí)，反應(yīng)過于遲緩，甚至停 止，結(jié)果往往會(huì)使聚乙烯醇縮醛 化成都過低，產(chǎn)物粘性過低。加入甲醛后加熱升溫，聚乙 烯醇與甲醛反應(yīng)，縮醛化，體系 粘度變大，溶液變粘稠。產(chǎn)生氣泡，

6、說明分子間已經(jīng) 開始交聯(lián)，故此時(shí)要停止加熱。五、 注意事項(xiàng)1、聚乙烯醇完全溶解后定要降溫才能加入甲醛;調(diào)節(jié)PH為8-9是因?yàn)?，在?性條件下，聚合物與空氣接觸不 穩(wěn)定會(huì)繼續(xù)縮醛化，所以要調(diào) PH>72、加鹽酸必須將PH調(diào)節(jié)在1-3六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果：反應(yīng)結(jié)束后冷卻得到無色透明粘稠狀液體，在 29.4 下測(cè)得粘度為 0.026結(jié)果分析：我制備的膠水比其他同學(xué)的膠水粘度大了很多，可能是縮醛化程度過大，聚合物大量交聯(lián)，導(dǎo)致體系粘性顯著增加七、思考題1、試討論縮醛化反應(yīng)機(jī)理及催化劑的作用。答：縮醛化反應(yīng)的方程式為：縮醛化反應(yīng)機(jī)理如下：R 和R'分別為聚乙烯醇的不同部位。氫離子在此為反應(yīng)

7、的催化劑，由反應(yīng)機(jī)理的推導(dǎo)式可以明顯看出，反應(yīng)初期，氫離子參與了縮醛化反應(yīng)，分別改變氧和碳的活潑性，使反應(yīng)容易進(jìn)行，而反應(yīng)到最后，氫離子重新從反應(yīng)中釋放出來，前后沒有消耗。故用鹽酸和氫氧化鈉控制pH值，實(shí)際上是在控制參加反應(yīng)的催化劑的濃度。當(dāng) pH過低時(shí)，催化劑過量，反應(yīng)過于猛烈，造成局部縮醛 度過高，導(dǎo)致不溶于水的產(chǎn)物產(chǎn)生。當(dāng) pH過高時(shí)，反應(yīng)過于遲緩，甚至停止，結(jié)果往往 會(huì)使聚乙烯醇縮醛化成都過低，產(chǎn)物粘性過低?？梢妏H即催化劑用量過多過少都會(huì)顯著影響膠水質(zhì)量。2、為什么縮醛度增加，水溶性下降，當(dāng)達(dá)到一定的縮醛度以后，產(chǎn)物完全不溶于水?答：因?yàn)榫垡蚁┐加泻芏嘤H水性基團(tuán)羥基，所以本身有很好的

8、水溶性，但縮醛化反應(yīng)形成的卻是環(huán)氧醚，因此水溶性下降。縮醛化程度越深，水溶性越差勁，因?yàn)榫酆衔镏械挠H水基越來越少，當(dāng)縮醛化反應(yīng)達(dá)到一定程度后，產(chǎn)物會(huì)完全不溶于水。另外，隨著縮醛化程度的加深，聚合物開始大量交聯(lián)，體系粘性顯著增加，也不利于其溶于水。3、產(chǎn)物最終為什么要把pH 調(diào)到 8-9 ？試討論縮醛對(duì)酸和堿的穩(wěn)定性如何？答：因?yàn)樵诖朔磻?yīng)中，氫離子為催化劑，反應(yīng)結(jié)束后，應(yīng)該立即添加堿液中和掉多余的氫離子，防止反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。反應(yīng)之所以會(huì)繼續(xù)進(jìn)行是因?yàn)?，體系中還殘留一些甲醛，如果羥基、醛基與氫離子相遇，有可能繼續(xù)反應(yīng)，最終膠水中會(huì)出現(xiàn)絮狀物，影響質(zhì)量。所以，要將體系調(diào)節(jié)到PH>7。酸性會(huì)加劇縮

9、醛化，而堿性則可保持產(chǎn)物的穩(wěn)定性。換句話說，縮醛在酸中活潑，在堿中穩(wěn)定。聚乙烯醇與甲醛發(fā)生縮合反應(yīng)生成縮醛物，必須在酸性介質(zhì)中進(jìn)行。酸含量低，縮醛反應(yīng)緩慢，到達(dá)反應(yīng)終點(diǎn)的時(shí)間長 ; 若酸含量過高，則使反應(yīng)太過激烈而形成凝膠。3.2.1 聚乙烯醇的溶解在裝有攪拌器、球形冷凝管、溫度計(jì)的三口燒瓶中加入 4.5g 聚乙烯醇 50ml 去離子水，開動(dòng)攪拌，逐漸加熱升溫至90，直至聚乙烯醇完全溶解。3.2.2 聚乙烯醇的縮醛化反應(yīng)在不斷攪拌下用滴管滴加濃鹽酸，調(diào)節(jié) pH=22.5;量取5mL甲醛，用滴管將其慢慢滴加到三口燒瓶內(nèi)，約在3min內(nèi)滴完，繼續(xù)攪拌30min；停止加熱，滴加配制好的10% 的氫氧

10、化鈉溶液，調(diào)節(jié)pH=8-9,即得聚乙烯醇縮甲醛膠（107膠）。3.2.3 產(chǎn)品純度測(cè)定將潔凈、干燥的涂-4 粘度計(jì)至于固定架上，用水平螺絲固定架使其處于水平狀態(tài)；用手指按住粘度計(jì)底部小孔，將冷卻到室溫的膠黏劑倒入粘度計(jì)至滿后，用玻璃棒沿水平方向抹去多余試樣；將承受杯置于粘度計(jì)正下方，松開手指，記錄膠黏劑由細(xì)流狀流出轉(zhuǎn)變?yōu)榈瘟鳡盍鞒鏊钑r(shí)間。4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本實(shí)驗(yàn)的條件和操作下，得到一種微黃色至無定形粘稠狀液體，在低溫下呈現(xiàn)流動(dòng)性，具有一定的粘結(jié)性和耐水性，其粘度用膠黏劑流出粘度計(jì)的時(shí)間表示。即膠黏劑流出粘度計(jì)的時(shí)間 150s。5 實(shí)驗(yàn)討論5.1 催化劑對(duì)縮合反應(yīng)的影響實(shí)驗(yàn)中的濃鹽酸在聚乙烯醇縮甲

11、醛膠合成中是起催化作用的 , 按形成縮醛的機(jī)理酸先使甲醛的羰基質(zhì)子化 , 然后 , 聚乙烯醇中的羥基氧進(jìn)攻帶電正性的羰基碳形成半縮醛, 進(jìn)而形成縮醛。所以 , 先將甲醛與酸混合再加到已溶解的聚乙烯醇中 , 有利于縮合反應(yīng)的發(fā)生。另外 , 形成縮醛的反應(yīng)應(yīng)在強(qiáng)酸介質(zhì)中進(jìn)行。酸度太低, 縮合反應(yīng)很難達(dá)到終點(diǎn) , 同時(shí)在較高溫度下逆反應(yīng)即縮醛的解離反應(yīng)加快, 致使制得的膠水粘性不強(qiáng) ; 但酸度太強(qiáng) , 縮合終點(diǎn)難以控制 , 容易形成鏈段間的縮醛而得凝膠, 粘性也不強(qiáng)。5.2 溫度對(duì)縮合反應(yīng)的影響聚乙烯醇是一種具有大量強(qiáng)親水性羥基的聚合物。在分子間和分子內(nèi)的羥基之間存在著很強(qiáng)的氫鍵 , 顯著阻礙著聚乙

12、烯醇在水中的溶解, 因此 , 當(dāng)溫度不高時(shí), 聚乙烯醇很難完全溶解 , 制得的膠水縮合度不均勻 , 外觀不透明。為了保證聚乙烯醇溶解完全 , 鏈條完全打開與甲醛縮合 , 就應(yīng)在較高溫度下溶解。在縮合過程中 , 溫度的控制對(duì)聚乙烯醇縮甲醛膠的質(zhì)量影響也很大。溫度過低, 縮合反應(yīng)進(jìn)行得緩慢, 縮醛度過小 , 粘性及抗凍性不好; 溫度過高 , 一方面 , 縮合反應(yīng)過快, 終點(diǎn)難以控制 , 另一方面鏈段間形成縮醛的反應(yīng)也加劇 , 易得失水的凝膠 , 還可能使聚乙烯醇焦化 2 。根據(jù)我們的試驗(yàn), 縮合溫度維持在90左右較佳。5.3 甲醛用量對(duì)縮合反應(yīng)的影響甲醛作為反應(yīng)物之一, 自然對(duì)縮合反應(yīng)有很大影響, 甲醛用量大, 反應(yīng)速率也就快,