水溶性高分子聚乙烯醇的制备及其应用

水溶性高分子聚乙烯醇的制备及其应用

* 中山大学化学与化学工程学院应用化学广州 510275

摘要：本实验采用溶液聚合法，以AIBN作为引发剂合成聚乙酸乙烯酯，然后用NaOH的甲醇溶液进行醇解，得到聚乙烯醇5.527 g，产率54.0%，之后利用红外对聚乙酸乙烯酯与聚乙烯醇进行表征。之后利用聚乙烯醇的缩醛化反应制备胶水，利用聚乙烯醇的性质制备面膜。

关键词：水溶性高分子聚乙烯醇聚乙酸乙烯酯红外光谱法

1.引言

水溶性高分子化合物又称水溶性树脂或水溶性聚合物，是一种亲水性的高分子材料，在水中能溶胀而形成溶液或分散液。1924年，德国化学家WO. Hermann和WW. Haehel首次将碱液加入到聚乙酸乙烯酯的甲醇溶液中，得到聚乙烯醇（PV A）。聚乙烯醇为白色絮状固体或片状固体，无毒无味，是使用最广泛的合成水溶性高分子，具有优良的力学性能和可调节的表面活性。PV A具有多羟基强氢键，以及单一的-C-C-单键结构，这样的结构不但使PV A具有亲水性，还有黏合性、成膜性、分散性、润滑性、增稠性等良好性能。

PV A的制备首先由乙酸乙烯酯聚合成聚乙酸乙烯酯，然后将其醇解生成PV A，其反应式如下：

PVA的结构可以看成是交替相隔的碳原子上带有羟基的多元醇，因此，其发生的反应为多元醇反应，如醚化、酯化、缩醛化。聚乙烯醇和羰基化合物反应可得到缩醛化合物。本实验利用聚乙烯醇和甲醛反应，生产聚乙烯醇缩甲醛，作为胶水使用。

2.实验过程

2.1 实验仪器

三颈瓶，回流冷凝管，水浴锅，蒸汽蒸馏装置，滴液漏斗，pH试纸，培养皿，抽滤装置，滤纸，真空烘箱。

2.2 实验试剂

偶氮二异丁腈（AIBN），甲醇，乙酸乙烯酯，NaOH，聚乙烯醇，甲酸，40%甲醛水溶液，盐酸，羧甲基纤维素，丙二醇，乙醇。

2.3 实验步骤

2.3.1聚合反应

往装有回流冷凝管的三颈瓶中加入0.03 g （0.18 mmol ）AIBN ，20 g （22 mL ）乙酸乙烯酯和10 mL 甲醇，开动搅拌。当AIBN 完全溶解时，将反应体系温度升至73 ℃，在回流状态下保持反应3h ，得到透明的黏稠状物。加入10 mL 甲醇，搅拌0.5 h ，使其成为均匀溶液。 2.3.2 除去未反应的单体

搭建如图蒸气蒸馏装置，用甲醇蒸汽除去未反应的单体。在三颈瓶I 中加入甲醇和几颗沸石。三颈瓶II 为聚合物溶液。用水浴加热瓶I 使甲醇蒸汽进入三颈瓶II ，在60℃左右蒸出的馏分是乙酸乙烯酯与甲醇的共沸物。若室温太低蒸不出则可用65 ℃水浴加热瓶II ，使单体顺利蒸出，直至瓶II 温度稳定在65 ℃左右（甲醇沸点温度）。乙酸乙烯酯一定要除净，否则下步反应产物发黄。

2.3.3 聚乙酸乙烯酯的醇解反应

在上述已除去残余单体的聚合物溶液中加入浓度伟20 %的NaOH 甲醇溶液，使聚乙酸乙烯酯醇解为聚乙烯醇。按照聚合物与NaOH 比为1:0.3（物质的量比）的配料比加碱，碱液的加入量可按下式计算：

碱液量=

20×转化率×0.3×40

86×碱浓度

(g)

式中，20是聚合是乙酸乙烯酯单体的投入量；40是NaOH 的相对分子质量；86是乙酸乙烯酯的相对分子质量。醇解步骤如下:把已经除去未反应的乙酸乙烯酯的聚合物溶液（其总体积约为80 mL ，如过少，可用甲醇稀释），倒入250 mL 烧杯中，温度控制在20 ℃，快速加入所需浓碱液并不断搅拌，片刻即有白色絮状的聚乙烯醇析出。醇解结束后，将聚合物滤出抽干，真空烘干，称量，计算产率。 2.3.4 红外光谱测定聚乙酸乙烯酯的化学结构

用溶液铸膜的方法制备聚乙酸乙烯酯薄膜：取少量稀释后的聚乙酸乙烯酯甲醇溶液，均匀地涂覆在溴化钾片上，烘干后即可用于进行红外光谱测试。

取0.25 g 聚乙烯醇样品，置于装有10mL 去离子水的烧杯中，水浴加热，同时开动搅拌，使PVA 完全溶解，制得聚乙烯醇溶液，将溶液均匀涂覆在溴化钾片上，烘干后进行红外光谱测试。 2.3.5 聚乙烯醇杂化妆品行业中的应用——成膜剂

利用聚乙烯醇的乳化、黏结、成膜、增稠等性能，聚乙烯醇可有效地应用于化妆品中。天然蜡、油和脂的稳定乳液可以由部分醇解的聚乙烯醇制的，冷霜、清净剂、润肤膏、油脂、刮脸膏等美容品都可以用聚乙烯醇作添加剂。作为润肤膏或净手剂，聚乙烯醇在使用时很快形成一层剥离的膜，它从皮肤上剥离下来后即可清除皮肤上的污物。具体的配方及工艺如下：

羧甲基纤维素：5份；聚乙烯醇：15份；丙二醇：3份；乙醇：10份；精制水：余量。

室温下将羧甲基纤维素和聚乙烯醇分散于精制水（预留挥发量3%）中，加热到95-100℃，搅拌溶解，得溶液A ；将丙二醇和乙醇混合之后得溶液B ；待溶液A 的温度冷却至室温后 ，将B 溶液加入到A 溶液中，搅拌均匀，所得溶液为未加香精和防腐剂的面膜原液。 2.3.6 聚乙烯醇的缩醛化反应——聚乙烯醇缩甲醛的制备

在250 mL 三颈瓶中加入蒸馏水25 mL ，聚乙烯醇3.5 g ，搅拌下在100 ℃加热使聚合物溶解。后降温至90℃，加入2.3 mL 甲醛水溶液（40%），搅拌15min 后加入0.25 mL 2.5mol/L 盐酸，使溶液pH 为1-3,90℃下搅拌约0.5 h ，体系逐渐变稠。当有气泡或絮状物产生时，迅速加入8% NaOH 溶液0.7 5mL ，调节pH 至8-9，冷却降温得透明黏稠液，即为一种市售胶水。

3. 结果与讨论

3.1 产物的外观及质量

产物为白色颗粒状固体，无弹性，质量为5.527 g 。

~

86.1 44.1 20g x

理论产量=20÷86.1×44.1=10.244 g ，产率=5.527 g ÷10.244 g ×100%=54.0 %

3.2红外光谱测定

图1 聚乙酸乙烯酯的红外光谱图

414.40

441.73469.14495.08525.54550.46605.53797.53

945.79

1023.02

1121.59

1240.25

1372.32

1433.50

1738.60

2339.62

2927.91

3458.27

3754.08

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

60 65 70 75 80 85 90

95%T

1000

2000

3000

4000

Wavenumbers (cm-1)