一种聚乙烯醇快速凝胶化方法及低醇解度聚乙烯醇制备方法

摘要

本发明涉及一种聚乙烯醇快速凝胶化方法及低醇解度聚乙烯醇制备方法，其中，聚乙烯醇快速凝胶化方法包括以下步骤：(1)组分A与组分B相互混合形成混合液，所述组分A为聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液，所述组分B为非极性有机溶剂；(2)所述混合液进行醇解反应形成聚乙烯醇凝胶。本发明的聚乙烯醇快速凝胶化方法及低醇解度聚乙烯醇制备方法可以解决凝胶困难、难以脱液等问题，获得醇解度为60mol％‑80mol％的聚乙烯醇。

说明书

技术领域

本发明属于聚乙烯醇制备技术领域，尤其涉及一种聚乙烯醇快速凝胶化方法及低醇解度聚乙烯醇制备方法。

背景技术

聚乙烯醇(简称PVA)，外观为白色或微黄色絮状、片状或粉末状，是一种应用广泛的水溶性高分子聚合物，也是一种重要的化工中间产品。PVA具有优越的粘接强度、良好的成膜性，还具有很好的耐化学性能。因此，除了作纤维原料外，还被大量用于生产涂料、粘合剂、纸品加工剂、纺织浆料、乳化剂、分散剂、薄膜等产品。研究表明，在自然环境中广泛存在着可降解PVA的微生物，因此PVA及其衍生物的生产使用符合当今环境保护的要求，具有十分广阔的应用前景。

PVA通常是由醋酸乙烯单体在甲醇溶液中聚合成一定聚合度的聚醋酸乙烯树脂后，再经过加碱发生醇解、皂化反应后而得，其分子式为(C

然而，低醇解度PVA(醇解度小于80mol％)不同于常规聚乙烯醇(醇解度在80mol％以上)，其在醇解阶段容易出现相变速度变慢(即凝胶困难)、粘附性强且难以脱液等问题，这些问题会影响后续聚乙烯醇成品干燥和粉碎，尤其是采用皮带醇解工艺时的正常生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种聚乙烯醇快速凝胶化方法以及低醇解度聚乙烯醇制备方法，加快聚乙烯醇解反应，解决凝胶慢、凝胶困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种聚乙烯醇快速凝胶化方法，包括以下步骤：

(1)组分A与组分B相互混合形成混合液，组分A为聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液，组分B为非极性有机溶剂；

(2)混合液进行醇解反应形成聚乙烯醇凝胶。

根据本发明的一个方面，所述组分A为醋酸乙烯单体在甲醇溶液中聚合反应后的产物。

根据本发明的一个方面，所述组分B为非极性有机溶剂，包括酯类、烃类中的一种或多种。

根据本发明的一个方面，所述烃类包括芳香烃、脂肪烃。

根据本发明的一个方面，所述烃类为汽油或柴油。

根据本发明的一个方面，所述酯类包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乙酸甲氧基乙酯、乙酸乙氧基乙酯、乙酸异戊酯、乙酸丁氧基乙酯。

根据本发明的一个方面，所述芳香烃包括苯、甲苯、乙苯。

根据本发明的一个方面，所述脂肪烃包括饱和环烷烃、不饱和直链烷烃。

根据本发明的一个方面，所述饱和环烷烃为环己烷。

根据本发明的一个方面，所述步骤(1)中所述非极性有机溶剂与所述聚醋酸乙烯酯的质量比为10％-35％。

根据本发明的一个方面，所述步骤(1)中还包括向所述聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中添加水。

根据本发明的一个方面，所述步骤(1)中添加的所述水的量与所述聚醋酸乙烯酯的质量比为0.3％-1％。

根据本发明的一个方面，所述步骤(1)中采用计量方式加入所述水。

根据本发明的一个方面，所述步骤(1)中添加的所述水采用计量泵加入。

本发明还提供了一种低醇解度聚乙烯醇制备方法，包括如下步骤：

对上述的聚乙烯醇快速凝胶化方法获得聚乙烯醇凝胶进行粉碎烘干获得低醇解度聚乙烯醇产品。

根据本发明的一个方面，所述步骤(2)醇解反应形成聚乙烯醇凝胶过程中还包括添加催化剂溶液。

根据本发明的一个方面，将聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液与非极性有机溶剂的混合液、催化剂溶液分别通过不同计量泵一同加入混合器中，混合器混合后送入皮带醇解机当中进行醇解反应。

根据本发明的一个方面，所述催化剂溶液的催化剂碱克分子比为0.0025—0.0085。

根据本发明的一个方面，所述混合器为静态混合器，操作条件为进料温度为50～55℃。

根据本发明的一个方面，获得的聚乙烯醇的醇解度为60mol％-80mol％。

本发明的有益效果为：

1)本发明，无论是聚乙烯醇快速凝胶化方法还是低醇解度聚乙烯醇制备方法，在聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入非极性有机溶剂加速聚乙烯醇快速凝胶化，并且添加的非极性有机溶剂与聚醋酸乙烯酯的质量比控制为10％-35％。如此设置，通过在聚合反应结束后加入非极性有机溶剂，可以调节聚醋酸乙烯酯(PVAc)浓度及系统的含水量率，而醇解系统的含水率对醇解反应影响极大。系统中含水率变化，会影响到酯交换反应、皂化反应和副反应，影响碱的消耗，从而对醇解反应构成影响。

当聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入非极性有机溶剂，混合均匀后，进入后续醇解反应时，由于反应生成的聚乙烯醇在醇解反应条件下不溶于有机溶剂，因此，在醇解系统中加入适量的非极性有机溶剂后，醇解反应中生成的聚乙烯醇因周围的非极性有机溶剂加入后形成的不溶性分散相体系影响，能够快速被析出，即在低醇解反应条件下，醇解系统提前发生凝胶化反应，因而，加入了非极性有机溶剂的聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液就表现为加速了醇解反应中的聚乙烯醇凝胶化速度。所以，可以加入适量的非极性有机溶剂能够缩短PVAc醇解阶段相变凝胶时间，同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

2)本发明的聚乙烯醇快速凝胶化方法和低醇解度聚乙烯醇制备方法，还可以通过向醇解系统中加水进一步调控醇解系统的含水率的方式进行。0.3％-1％微量的水存在能够提高醇解反应中的NaOH电离速度，NaOH作为醇解反应酯交换反应的催化剂的催化效果更好，同时避免加入水量过多带来的负面影响，即系统中含水率增加，皂化反应和副反应也会加快，消耗系统中的碱，随着反应的进行，在系统中碱量一定条件下，从而对醇解反应酯交换反应构成影响，降低醇解反应酯交换反应的速率。当加入微量的水，控制醇解系统的含水率在合适的范围，可以更好的发挥NaOH在醇解反应酯交换反应中的催化作用，从而加快醇解反应酯交换反应，缩短反应时间，进而可以使反应物在较短的时间内完成凝胶相变反应、固化。同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

本发明提供一种低醇解度聚乙烯醇制备方法，低醇解度聚乙烯醇制备方法包括将聚乙烯醇快速凝胶化方法获得聚乙烯醇凝胶粉碎烘干获得低醇解度聚乙烯醇。按照本方法，在制备醇解度为60mol％-80mol％的聚乙烯醇时，可以加速PVAc醇解阶段相变凝胶反应，缩短凝胶化时间，同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

具体来说，其中聚乙烯醇快速凝胶化方法以下步骤：

(1)组分A与组分B相互混合形成混合液，组分A为聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液，组分B为非极性有机溶剂；

(2)混合液进行醇解反应形成聚乙烯醇凝胶。

其中，组分A为醋酸乙烯单体在甲醇溶液中聚合反应后的产物，组分B为包括酯类、烃类中的一种或多种，例如，烃类选择芳香烃(例如苯、甲苯、乙苯)或脂肪烃(例如环己烷)，或者选择两者的混合物，例如汽油或柴油，酯类包括乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乙酸甲氧基乙酯、乙酸乙氧基乙酯、乙酸异戊酯、乙酸丁氧基乙酯，优选地，选择乙酸甲酯。

步骤(1)中将上述非极性有机溶剂按照与聚醋酸乙烯酯的质量比为10％-35％进行混合。根据本发明的一种实施方式，可以将一种或多种非极性有机溶剂添加入带有搅拌装置的储槽中，并打开搅拌，待搅拌均匀后将溶剂通过计量泵来添加到聚醋酸乙烯酯中。

为了进一步提升反应效果，还可以向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中添加水，并且中采用计量方式加入所述水。根据本发明的一种试实施方式，添加的水采用计量泵加入。优选为在步骤(1)中加入非极性有机溶剂混合后再加入0.3％-1％的计量水(按照与所述聚醋酸乙烯酯的质量比计量)。

本发明的方法，步骤(2)醇解反应形成聚乙烯醇凝胶过程中还包括添加催化剂溶液。所述催化剂溶液的催化剂碱克分子比为0.0025—0.0085。醇解反应包括将聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液与非极性有机溶剂的混合液、催化剂溶液分别通过不同计量泵一同加入混合器中，混合器混合后送入皮带醇解机当中进行醇解反应。根据本发明的一种实施方式，混合器为静态混合器，操作条件为进料温度为50～55℃。按照上述方法获得聚乙烯醇凝胶之后，对其进行粉碎、脱液、烘干即可获得低醇解度(60mol％-80mol％)聚乙烯醇产品。

本发明的方法，在聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入非极性有机溶剂加速聚乙烯醇快速凝胶化，并且添加的非极性有机溶剂与聚醋酸乙烯酯的质量比控制为10％-35％。如此设置，通过在聚合反应结束后加入非极性有机溶剂，可以调节聚醋酸乙烯酯(PVAc)浓度及系统的含水量率，而醇解系统的含水率对醇解反应影响极大。系统中含水率变化，会影响到皂化反应和副反应两个反应，影响碱的消耗，从而对醇解反应酯交换反应构成影响。

当聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入非极性有机溶剂，混合均匀后，进入后续醇解反应时，由于反应生成的聚乙烯醇在醇解反应条件下不溶于有机溶剂，因此，在醇解系统中加入适量的非极性有机溶剂后，醇解反应中生成的聚乙烯醇因周围的非极性有机溶剂加入后形成的不溶性分散相体系影响，能够快速被析出，即在低醇解反应条件下，醇解系统提前发生凝胶化反应，因而，加入了非极性有机溶剂的聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液就表现为加速了醇解反应中的聚乙烯醇凝胶化速度。所以，可以加入适量的非极性有机溶剂能够缩短PVAc醇解阶段相变凝胶时间，同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

本发明方法，还可以通过向醇解系统中加水进一步调控醇解系统的含水率的方式进行，从而改变醇解反应三个反应(即酯交换反应、皂化反应、副反应)的变化规律。未加入水之前，酯交换反应较平缓，后期酯交换反应速率会变慢，但变慢的速率较慢，而加入微量的水后，酯交换反应前期的速率会加快，有利于聚乙烯醇快速凝胶，具体原因在于：0.3％-1％微量的水存在能够提高醇解反应中的NaOH电离速度，NaOH作为醇解反应酯交换反应的催化剂的催化效果更好，使得酯交换反应前期反应速率加快，使反应物在较短的时间内完成凝胶相变反应、固化。当系统中加入过量的水时，因NaOH为皂化反应和副反应的反应物，NaOH电离速度的加快也会使得皂化反应和副反应加剧，并消耗系统中的碱，使得在系统中碱量一定条件下，作为酯交换反应的催化剂减少，从而使得酯交换反应速度减慢。当加入微量的水，控制醇解系统的含水率在合适的范围，可以发挥NaOH在醇解反应酯交换反应中的催化作用，从而对加快酯交换反应，缩短反应时间，进而可以使反应物在较短的时间内完成凝胶相变反应、固化。同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

实施例

实施例1：醇解度为78mol％的聚乙烯醇醇解反应

组分A为醋酸乙烯单体在甲醇溶液中聚合反应后的产物，组分B为乙酸甲酯。组分A与B在混合器中进行混合均匀，混合液再进行醇解反应形成聚乙烯醇凝胶，醇解反应选择碱甲醇溶液为催化剂，在本实施例中，分成四组同时进行研究。

(1)组：聚醋酸乙烯酯直接醇解(即体系中未加入任何非极性有机溶剂，例如乙酸甲酯)，催化剂碱克分子比为：2.86*10

(2)组：按照乙酸甲酯与聚醋酸乙烯酯的质量比为10％，向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入乙酸甲酯，催化剂碱克分子比为：4.54*10

(3)组：按照乙酸甲酯与聚醋酸乙烯酯的质量比为20％，向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入乙酸甲酯，催化剂碱克分子比为：4.54*10

(4)组：按照乙酸甲酯与聚醋酸乙烯酯的质量比为20％，向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入乙酸甲酯，催化剂碱克分子比为：6.71*10

试验结果表明：(1)组为醇解反应前未加入非极性有机溶剂的对照组，(2)-(4)组为加入非极性有机溶剂乙酸甲酯的试验组，其中，(2)-(4)组树脂(即聚乙烯醇)凝胶化时间均低于(1)组，而且，加入20％的乙酸甲酯的(3)组相比于(2)组，树脂(即聚乙烯醇)凝胶化时间更短，说明，聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入非极性有机溶剂乙酸甲酯混合后，再进行醇解反应，可以加快醇解反应生成聚乙烯醇凝胶的相变反应，缩短醇解反应的时间。

此外，对比(3)和(4)组可知，在相同的乙酸甲酯浓度下，增加碱克分子比，也可以缩短凝胶时间。其原理如下：加入乙酸甲酯后，聚醋酸乙烯酯以及碱甲醇的浓度相应降低，醇解反应速度也下降，另外，加入乙酸甲酯会与碱发生副反应消耗部分碱，从而影响到醇解反应速度，因此，需要考虑通过增加碱克分子比，提高反应速度，抵消因浓度下降和加入乙酸甲酯而造成的醇解反应速度下降的影响。

实施例2：醇解度为80mol％的聚乙烯醇醇解反应

步骤S1、取醋酸乙烯单体在甲醇溶液中聚合形成聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液；

步骤S2、向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中添加乙酸甲酯、水，混合均匀，获得混合液；

步骤S3、将所述混合液进行醇解获得聚乙烯醇产品。

其中，在步骤S2中添加的乙酸甲酯与所述聚醋酸乙烯酯的质量比控制范围为10％-35％，加入的水与所述聚醋酸乙烯酯的质量比为0.3％-1％。因实验中加入的水量较少，因此，实验中，采用计量泵进行水的加入。在本实施例中，选择10％乙酸甲酯、0.45％-0.6％水进行考察，醇解反应选择碱甲醇溶液为催化剂，制备醇解度为80mol％的聚乙烯醇。在本实施例中，分成三组同时进行研究。其中，加入乙酸甲酯后，聚醋酸乙烯酯以及碱甲醇的浓度相应降低，醇解反应速度也下降，另外，加入乙酸甲酯会与碱发生副反应消耗部分碱，从而影响到醇解反应速度，因此，需要考虑通过增加碱克分子比，提高反应速度，抵消因浓度下降和加入乙酸甲酯而造成的醇解反应速度下降的影响。

(1)组：聚醋酸乙烯酯直接醇解(即体系中未加入任何非极性有机溶剂，例如乙酸甲酯，也未加入水)，催化剂碱克分子比为：2.99*10

(2)组：按照水和乙酸甲酯分别与聚醋酸乙烯酯的质量比为0.45％、10％，向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入乙酸甲酯和水，催化剂碱克分子比为：5.89*10

(3)组：按照水和乙酸甲酯分别与聚醋酸乙烯酯的质量比为0.60％、10％，向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入乙酸甲酯和水，催化剂碱克分子比为：6.96*10

试验结果表明：(1)组为醇解反应前未加入非极性有机溶剂和水的对照组，(2)和(3)组为加入非极性有机溶剂乙酸甲酯和水的试验组，其中，(2)和(3)组树脂(即聚乙烯醇)凝胶化时间均低于(1)组，而且，加入0.60％的水的(3)组，树脂(即聚乙烯醇)凝胶化时间更低，但水量增加对凝胶化时间缩短的影响不显著。

与实施例1的(2)组数据对比，发现，在醇解反应前，向醇解体系中加入少量水还可以明显缩短醇解反应的时间。即，聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中加入有机溶剂乙酸甲酯和水混合后，再进行醇解反应，可以加快醇解反应生成聚乙烯醇凝胶的相变反应，缩短醇解反应的时间。同时使得最终获得的PVA产品具有相变时间较短易于连续生产的特性。

聚合物聚醋酸乙烯酯(PVAc)可溶于甲醇溶液，随着醇解反应的进行，PVAc分子链上的乙酰基(AcO-)被羟基(-OH)逐步取代而生成聚乙烯醇(PVA)，聚合物分子链上的羟基(-OH)含量越来越高，其在甲醇溶液中的溶解性越来越差，当羟基含量达到一定程度时，生成的聚乙烯醇(PVA)将从甲醇溶液中析出，形成凝胶，达到一定醇解度时结束醇解反应，这时所形成的凝胶具有一定的硬度，然后进行粉碎、干燥，得到PVA产品。

在生产较低醇解度产品时(如醇解度60％-80％)，到醇解反应结束，因为醇解反应生成的聚乙烯醇聚合物分子链上的羟基(-OH)含量较低，其在甲醇溶液中的溶解性尚好，因此，表现为反应物料还不能形成具有一定硬度的凝胶(原因在于：在进行完全醇解型PVA反应时，加入的碱比较多，反应完全，PVA分子链上的羟基多，乙酰基很少，因而易固化；低醇解度的PVA，反应时，因需控制醇解度，加入的碱量较少，因而生成的PVA分子链上羟基较少，而乙酰基较多，因而较难固化、凝胶困难)，后续粉碎工序无法正常操作，导致用皮带醇解工艺无法生产较低醇解度的产品。

当反应物料中加入一定量的乙酸甲酯等非极性有机溶剂后，由于醇解反应生成的聚乙烯醇不溶于有机溶剂，因此，非极性有机溶剂加入后形成的新分散介质包含了对聚乙烯醇不溶的有机溶剂，这种掺杂了一定比例的非极性有机溶剂的新分散介质，会降低聚乙烯醇的溶解性，即加入的非极性有机溶剂打破了原有的醇解系统中的相平衡态，可使聚乙烯醇在较低的醇解度下就发生凝胶(即比常规的高醇解度聚乙烯醇醇解工艺提前凝胶)，这样在生产较低醇解度产品时，醇解反应结束时所形成的凝胶硬度可以达到粉碎工艺的要求，使后续粉碎、干燥工艺不受影响，这样用皮带醇解工艺就可以正常生产较低醇解度的产品。

在本发明中，非极性有机溶剂为乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸正丁酯、乙酸甲氧基乙酯、乙酸乙氧基乙酯、乙酸异戊酯、乙酸丁氧基乙酯、苯、甲苯、乙苯、环己烷、柴油、汽油中的一种或多种。

由于加入的非极性有机溶剂会改变醇解反应的分散介质性质，加入过量的非极性有机溶剂会稀释醇解反应的物料浓度，从而降低反应的醇解率，特别是，加入乙酸甲酯还会与醇解反应中的碱发生副反应而消耗部分碱，进而影响到醇解反应；加入的非极性有机溶剂量较少时，对聚乙烯醇周围的不溶性分散相体系的形成影响较小，难以加速生成的聚乙烯醇从中析出。因此，在本发明中，需要将加入的非极性溶剂控制在一定范围内才能发挥效果，在本发明中，非极性有机溶剂与聚醋酸乙烯酯的质量比为10％-35％效果较佳。另外，当选择酯类作为非极性有机溶剂时，还需要适当提高醇解反应中的催化剂的碱克分子比，在本发明中，醇解反应中催化剂碱克分子比为0.0025—0.0085。

本发明的低醇解度聚乙烯醇制备方法，还包括向聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液中添加水。聚乙烯醇制备过程中的反应如下：

反应1：酯交换反应

反应2:皂化反应

反应3：副反应

CH

上述醇解反应1的催化剂为NaOH，在无水状态下不电离，起不到催化作用，加入少量水后，可提高NaOH电离速度，催化剂催化效果更好，因而缩短反应时间，进而可以使反应物在较短的时间内完成反应、固化。

本发明研究还发现，低醇解度聚乙烯醇制备方法，添加的水的量与所述聚醋酸乙烯酯的质量比为0.3％-1％。将加水量控制在一定范围内，可以避免由于加入水过多时，反应2皂化反应和副反应(反应3)都消耗NaOH，皂化反应加快、副反应也加快，在体系中NaOH含量一定的条件下，致体系中作为催化剂的碱被消耗，会造成酯交换反应的速率的降低反而影响到PVA的合成，结果就是加入水对缩短醇解反应生成聚乙烯醇凝胶的时间所起作用较小甚至起不到应有的加速凝胶的作用。因此，在制备过程中，最好采用计量的方式加入水，通常采用计量泵加入，并控制水的加入量。另外，为了确保加入的水能够快速分散，发挥相应的作用，在制备过程中，采用混合器进行物料混合，确保混合均匀后进行醇解。

本发明的低醇解度聚乙烯醇制备方法，步骤S3获得的聚乙烯醇的醇解度为60mol％-80mol％。步骤S3中的醇解过程具体包括以下步骤：将聚醋酸乙烯酯的甲醇溶液与非极性有机溶剂的混合液、碱甲醇分别通过不同计量泵一同加入混合器中，混合器混合后送入皮带醇解机当中，待聚乙烯醇相变后，进行粉碎烘干即可得到成品低醇解度聚乙烯醇。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。