Поливинилацетат

Введение

Живая природа представляет собой форму существования высокомолекулярных соединений. Она развивается в  окружении и действии с неорганическим миром, построенным в основном из ВМС. Только вода и воздух распространены на земном шаре так же широко, как  ВМС.

Человечество для удовлетворения своих нужд так же создает и  использует высокомолекулярные материалы. По своей значимости для человечества с высокомолекулярные материалами  конкурируют лишь металлы, как конструкционные  материалы, топливо как источник энергии и пищевые продукты. Такое  широкое распространение и необычайно высокое значение ВМС вытекает из их общих свойств, обусловленных  громадной величиной и сложностью макромолекул.

В данной работе речь пойдет об одном из таких высокомолекулярных соединений под названием поливинилацетат.

Поливинилацетат –  является высокомолекулярным соединением, это полимер винилацетата, который относится к сложным эфирам поливинилового спирта и является одним из важнейших технических полимеров. Мировое производство поливинилацетата превышает 2,5 млн. т/год и имеет тенденцию к росту. Поливинилацетат впервые был получен в США в 1914.

Этот относительно дешевый  термопласт находит широкое применение. Большая часть поливинилацетата выпускается в виде водных дисперсий (концентрация 50-55%, размер частиц 0,05-2 мкм), из которых изготовляют водоэмульсионные краски,клеи, шпатлевки и др. Поливинилацетат применяется в производстве лаков, где он ценен благодаря высоким свойствам прилипания (адгезии), пластичности, светостойкости и бесцветности.

Растворы поливинилацетата в органических растворителях - клеи. Высокие клеящие свойства открывают  возможности для его применения при склейке древесины. В виде эмульсий он применяется для мастичных  полов, не подвергающихся увлажнению, и для получения полимербетонов.

Клей ПВА - раствор поливинилацетата в воде, с пластификатором и  специальными добавками. Применяют  для склеивания различных материалов друг с другом.

Целью данной работы является изучение зависимости выхода поливинилацетата от температуры реакции полимеризации, изучение физико-химических свойств  мономера и полимера, получение регрессионной  модели данного процесса. 

1. Исходные и конечные вещества.

1. Химические формулы мономера и полимера.

[-CH₂CH(OCOCH₃)-]_n –поливинилацетат. 

CH₃COOCH=CH₂  -винилцетат.

1.2  Физико-химические свойства винилацетата.

ВИНИЛАЦЕТАТ -виниловый эфир уксусной кислоты. Его стуктурная формула имеет вид:

Рисунок 1.

Винилацетат- бесцветная жидкость с запахом эфира. Молекулярная масса-86,09; температура плавления-100,2 °С, температура кипения 72,7°С; d₄²⁰ 0,9342; n_D²⁰1,3953;  0,42 мПа*с (20°С); t_крит 228,9°С, р_крит 2,27 МПа;  -118 кДж/моль,  102 кДж/моль;  23,95 мм/м (20 °С); хорошо раств. в обычных орг. растворителях; растворимость в воде 2,0-2,4% по массе при 20 °С, воды в винилацетата - ок. 1% (2% при 50 °С). Образует азеотропные смеси с водой (т. кип. 66°С; 7,3% Н₂О), спиртами, углеводородами.

По химическим свойствам винилацетат - типичный виниловый эфир. В растворах кислот или щелочей гидролизуется с образованием уксусной кислоты и ацетальдегида. Взаимодействует с карбоновыми кислотами в присутствии солей Hg, образуя новые виниловые эфиры. Полимеризуется под действием света, радикальных инициаторов с образованием поливинилацетата, сополимеризуется с виниловыми мономерами. Для предотвращения самопроизвольной полимеризации винилацетат ингибируют дифениламином, гидрохиноном, уксуснокислым триэтилбензиламмонием и др. Винилацетат присоединяет по двойной связи галогены, НСl или НВr, Н₂, уксусную кислоту, подвергается карбонилированию, вступает в диеновый синтез и др.

В промышленности винилацетат получают главным образом окислительным  присоединением уксусной кислоты к этилену в присутствии солей Pd:

Процесс проводят преимущественно  на стационарном твердом катализаторе (0,1-2,0% Pd, нанесенного на А1₂О₃, SiO₂ или др. и модифицированного, напр. CH₃COONa, солями Сu) при 170-200 °С и 0,5-1,0 МПа. Объемное соотношение этилен: пары уксусной к-ты: О₂ в исходной смеси ~ 8:4:1. Степень превращения этилена, уксусной к-ты и О₂ за проход соотв. 10, 20 и 60-70%. Основной побочный продукт-СО₂; ацетальдегида образуется менее 1%.

Процесс на гомогенном катализаторе (PdCl₂ с СиС1₂ в уксусной к-те с добавками CH₃COONa или LiCl) осуществляют при 110-130 °С и 1-3 МПа. Суммарный выход винилацетата и ацетальдегида ~ 90% в расчете на этилен. Недостаток процесса - высокая коррозионная активностькатализатора (требуется аппаратура из титана).

Не утратил значения также способ синтеза винилацетата из ацетилена и уксусной к-ты в присут. ацетата Zn на активированном угле при 170-220°С. Мольное соотношение ацетилен: уксусная к-та составляет (3-5): 1; выход винилацетата 95-98% по уксусной к-те.

В лаборатории винилацетат синтезируют  пропусканием ацетилена в безводную уксусную к-ту в присут. солей Hg. Винилацетат - мономер для производства поливинилацетата (св. 80% производимого винилацетата) и сополимеров с винилхлоридом, этиленом и др.

Для винилацетата т. всп. -1,1°С, т. самовоспл. 380°С; КПВ 2,6-13,4%. Винилацетат вызывает сильное раздражение и омертвение кожи животных, его пары - ожог роговой оболочки глаз; ПДК 10мг/м³; ЛД₅₀ 1,6 г/кг (белые мыши; перорально). Мировое произ-во св. 1,5 млн. т/год (1979).

1.3 Физико-химические свойства поливинилацетата.

Поливинилацетат - аморфный, бесцветный термопластичный полимер без вкуса и запаха. Является полимером винилацетата, а точнее продуктом полимеризации винилового эфира уксусной кислоты – винилацетата

- физические свойства:

1.   Молекулярная масса от 10 000 до 1 500 000 ;

2.   Температура размягчения 30-50 °С;

3.   Плотность 1,19 г/см³;

4.   Относительное удлинение 10-20%;

5.   Теплопроводность 0,16 Вт/(м·К);

6.   Температура стеклования 28⁰C;

7.   Теплостойкость по Вику 44-50⁰C, по Мартенсу 30-32⁰C;

8.   Электрическая прочность 1 МВ/м;

9.   Влагопроницаемость (2,5-5,8)· 10^-14 кг/(м·с·Па);

10. Газопроницаемость по H₂ 56·10^-15 м³/(м·с·Па).

Поливинилацетат обладает хладотекучестью, устойчив к старению в атмосферных условиях, высокой адгезией к различным поверхностям, хорошими оптическими свойствами, износостоек. Хорошо растворим в кетонах, сложных эфирах, хлорированных и ароматических углеводородах, метаноле, хуже - в этаноле. Не растворим в воде, алифатичных углеводородах, бензине, минеральных маслах, гликолях.

- химические свойства:

Химические свойства ПВА определяются наличием сложноэфирных групп и  привитых цепей, соединенных с главной  цепью сложноэфирными связями. ПВА  омыляется водными растворами кислот или щелочей и подвергается алкоголизу под действием каталитических количеств кислот и алкоголятов щелочных металлов в безводных средах с образованием ПВС.

Химические свойства сополимеров  винилацетата зависят от природы  сомономеров. Например, сополимер винилацетата с кротоновой кислотой растворяется в щелочной среде. Сополимер винилацетата с N-метилолакриламидом при нагревание образует трехмерную структуру. Сополимеры винилацетата с 1-хлор-2-гидроксипропилакрилатом отверждаются в присутствии оксида цинка при 80°C, образуя водостойкие пленки и покрытия. Ведение в состав сополимеров звеньев этилена, винилхлорида, виниловых эфиров увеличивает стойкость сополимеров к гидролизу. С другой стороны, включение в сополимер небольших количеств карбоксилсодержащих сомономеров ускоряет гидролиз ПВА.

Концентрированная азотная кислота  окисляет ПВА до щавелевой кислоты. При нагревании ПВА до 180-200°C происходит деструкция, сопровождающаяся выделением уксусной кислоты и образованием одиночных и сопряженных двойных  связей в основной цепи полимера, облегчающих  отщепление CH₃COOH. В присутствии каталитических количеств минеральных кислот, ZnCl₂, AlCl₃ и других солей деструкция начинается при более низкой температуре.

Покрытия из ПВА отличаются высокой  светостойкостью. Хотя под действием  УФ-облучения и происходит частичная деструкция полимера, однако она сопровождается рекомбинацией образующихся макрорадикалов и реакциями переноса цепи. В результате увеличивается ММ полимера и появляется нерастворимая фракция. Аналогичным образом действуют на ПВА малые дозы радиационного облучения. При высоких дозах происходит деструкция ПВА с выделением уксусной кислоты. Эффект сшивания или деструкции и критическая доза облучения зависят от природы растворителя и природы полимера.

Омыление ПВА может быть осуществлено различными способами. В зависимости  от природы катализатора и среды, в которой производится реакция, различают алкоголиз, гидролиз, аминолиз и аммонолиз ПВА.

2. Получение поливинилацетата.

2.2 Реакция получения  и механизм.