Технология производства поливинилацетата

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Волжский политехнический  институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования  «Волгоградский государственный технический  университет»

(ВПИ (филиал) ВолгГТУ)

 

 

Контрольная работа

по ОХТ полимерам

на тему: «Технология производства поливинилацетата».

 

 

Выполнила:

студентка гр. ВХК-652

Карпова М.А.

Проверил:

Шабанова В.П.

 

 

 

Волжский, 2013г.

Содержание

 

 

Введение   3

1 Поливинилацетат   6

2 Виды клея  ПВА и их особенности   10

3 Сырьевые  компоненты для изготовления  клея ПВА  11

4 Нормативные документы, регулирующие качество клеев  12

5 Оборудование  для производства клея ПВА  13

6 Получение   15

7 Применение  в промышленности   17

8 Заключение   20

Библиографический список    21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

Среди изобилия самых разнообразных  по строению и свойствам органических соединений есть особый класс - полимеры (от греч. «поли» - «много» и «мерос» - «часть»). Для этих веществ, прежде всего, характерна огромная молекулярная масса - от десятков тысяч до миллионов  атомных единиц массы, поэтому часто  их ещё называют высокомолекулярными  соединениями (сокращённо ВМС).

К молекулярным гигантам относятся, например, важнейшие природные полимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), синтетические материалы (полиэтилен, поливинилхлорид, каучук и т.д.). Поэтому  ВМС играют важную роль и в биологических  процессах, и в практической деятельности человека.

Органические полимеры построены  из элементарных звеньев - многократно  повторяющихся и связанных между  собой остатками молекул низкомолекулярных веществ (мономеров). Длину макромолекул выражают средним числом звеньев мономера, которое называют степенью полимеризации.

Полимеры могут иметь  линейное, разветвлённое и сетчатое строение. Если каждое звено мономера условно обозначить буквой М, то макромолекула  линейного строения будет выглядеть  так:

... -М-М-М-М-М-М- ...

В этом случае каждое из элементарных звеньев связано только с двумя  соседними и образует неразветвлённую  цепь. Основная цепь макромолекулы  может иметь короткие ответвления, и тогда построенные по такому типу полимеры будут разветвлёнными:

... -М-М-М-М-М-М- ...

В сетчатых (сшитых) полимерах  длинные линейные цепи связаны друг с другом в единую сетку более  короткими поперечными цепями.

Если молекула мономера несимметрична (СН₂=СН-Х, где Х - заместитель), могут образовываться и регулярные, и нерегулярные полимеры. В регулярном полимере происходит присоединение либо «голова к хвосту»:

-СН₂-СНХ-СН₂-СНХ-,

либо «голова к голове»:

-СН₂-СНХ-СНХ-СН₂-.

Макромолекулы полимеров  могут быть построены из остатков разных мономеров; ВМС такого типа называются сополимерами. При этом в зависимости  от способа чередования различных  звеньев они также бывают регулярного  и нерегулярного строения:

... -М-М-М-М-М-М- ...

регулярный сополимер

... -М-М-М-М-М-М- ...

нерегулярный сополимер

По своему происхождению  все МС делятся на природные - биополимеры (например, крахмал и целлюлоза) и  синтетические (полиэтилен, полистирол и др.).

Природные полимеры синтезируются  клетками растительных и животных организмов, а синтетические человек научился получать из проектов переработки природного газа, нефти, каменного угля.

Полимеры могут быть кристаллическими или аморфными. Для кристаллизации высокомолекулярных веществ необходимо упорядоченное строение достаточно длинных участков молекулярной цепи.

Высокомолекулярные соединения не имеют четкой температуры плавления. При нагревании многие полимеры не плавятся, а лишь размягчаются, что  позволяет формовать из них изделия  методами пластической деформации - прессованием, выдавливанием, литьём. Такие полимеры называют пластическими массами (пластмассами, пластиками). У пластмасс низкая плотность, они легче самых лёгких металлов (магния, алюминия) и потому считаются ценными конструкционными материалами. По прочности некоторые  пластики превосходят чугун и  алюминий, а по химической стойкости - почти все металлы. Они могут  быть устойчивы к действию воды и  кислорода, кислот и щелочей.

Обычно пластмассы - диэлектрики (не проводят электрический ток), и  отдельные их сорта известны как  лучшие изоляционные материалы из всех используемых в современной технике.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Поливинилацетат

 

 

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

 

 

Винилацетат представляет собой  бесцветную легкоподвижную негорючую  жидкость удельного веса 1,191, обладающую эфирным запахом, которая имеет  температуру кипения 72,7 ⁰С, и напоминает воду, имея вязкость 0,4 МПа при 20 ⁰С. Он немножко набухает в воде и неустойчив к действию кислот и щелочей.

Структурная формула:

[-CH₂CH(OCOCH₃)-]n

Основные физические и  химические свойства:

- физические свойства:

Молекулярная масса от 10 000 до 1 500 000;

Температура размягчения 30-50 ⁰С;

Плотность 1,19 г/см3;

Относительное удлинение 10-20 %;

Теплопроводность 0,16 Вт/(м·К);

Температура стеклования 280 ⁰C;

Теплостойкость по Вику 44-500 ⁰C, по Мартенсу 30-320 ⁰C;

Электрическая прочность 1 МВ/м;

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

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 ⁰C, образуя водостойкие пленки и покрытия. Введение 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 ⁰C 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. Эти  реакции протекают по следующим  схемам:

Алкоголиз:

Кислотный гидролиз:

Щелочной гидролиз:

 

 

 

Аминолиз:

 

Аммонолиз:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Виды клея ПВА и их особенности

 

 

На сегодняшний день коммерческое производство клеев очень развито, и ведущие предприятия изготовляют  такие виды клея ПВА:

1. ПВА бытовой – этот вид склеивающего вещества используется при поклейке обоев на штукатурные, деревянные поверхности, а также для соединения бумаги. Его особенности – высокая морозостойкость.

2. ПВА канцелярский – этот вид клея знаком каждому. Его используют для склеивания бумаги, картона или фотобумаги. Канцелярский клей широко применяется в типографии. Это склеивающее вещество наиболее безопасно для детей, оно легко растворяется в воде.

3. ПВА универсальный – это вещество позволяет склеить изделия из фарфора, дерева, различные виды тканей. Его морозостойкость составляет шесть циклов замораживания и оттаивания.

4. ПВА супер – это высококачественный клей, обеспечивающий надежное склеивание фарфора, металла, пластика, кожи, облицовочных плиток и других материалов. Этот клей имеет густую консистенцию, и в его составе есть много добавок.

5. Дисперсия гомополимерная поливинилацетатная – наиболее сильно склеивающий клей ПВА. В его состав включены пластификаторы. Этот вид клея широко применяется на промышленных предприятиях, он относится к третьей группе токсичности.

 

 

 

 

 

 

 

3 Сырьевые компоненты для изготовления клея ПВА

 

 

Состав сырьевых компонентов  в различных видах клея ПВА  разный. Однако все сырье, используемое на предприятиях, изготавливающих клей, можно разделить на такие группы:

1. Клеящие вещества – крахмал, растительные или синтетические смолы, декстрин, нитроцеллюлоза. Эти вещества обеспечивают когезионную, адгезионную прочность клеевого соединения.

2. Растворители – ацетон, бензин или сложные эфиры. Растворители оказывают огромное влияние на формирование физико-механических свойств клея, а именно на тепло-, водостойкость и величину усадочного напряжения. Однако растворители снижают прочность, герметичность клеевой прослойки. Поэтому состав растворителей в клее должен быть минимальным.

3. Пластификаторы – глицерин, мало-летучие жидкости, камфорное масло. Пластификаторы включают в состав клея для усиления пластичности и гибкости клеевой пленки.

4. Наполнители – мел, тальк и каолин. Благодаря наполнителям улучшается прочность, теплостойкость клеящего вещества.

5. Отвердители – способствуют скорейшему отверждению клея. В качестве отвердителей используют фарфор, металл, стекло.

6. Стабилизаторы и ингибиторы – включают в состав клея для увеличения срока хранения исходного сырья. В качестве ингибиторов используют ароматические амины, ингибиторы стирола, некоторые нитросоединения.

 

 

 

 

 

 

4 Нормативные документы, регулирующие качество клеев

 

 

Начинающие предприниматели, интересующиеся особенностями производства клея ПВА, должны ознакомиться и с  перечнем нормативных документов, который  регулирует качество готовой продукции.

К таким основным нормативным  документам можно отнести:

1. ГОСТ 28780-90 – Клеи полимерные. Термины и определения;
2. ГОСТ 30535-97 – Номенклатура показателей;
3. ГОСТ 26454-85 – Способ определения оптимальной упругости клея;
4. ГОСТ 18992-80 – Дисперсия поливинилацетатная гомополимерная грубодисперсная. Технические условия.

К нормативным документам, которые регулируют требования к  производственным помещениям, относятся:

1. СНиП 2.09.02 – требования к основным производственным зданиям и помещениям;
2. СНиП 2.09.04, СНиП 2.11.01 – требования к вспомогательным зданиям и помещениям.

На каждом предприятии  по производству клея должен быть документ – Технические условия, в котором отображены требования к качеству готовой продукции. Технические условия должны составляться в соответствии с вышеперечисленными государственными стандартами. Продукция, соответствующая ТУ, всегда будет высокого качества и конкурентоспособной.

Начинающие предприниматели  также должны помнить что, используя  химические вещества в производстве клея ПВА, необходимо разработать правила  по охране труда и использованию  вредных веществ. Для этого необходимо выполнять гигиенические требования к производственному оборудованию, придерживаться санитарных правил организации  технологических процессов и  правил пожарной безопасности.

 

5 Оборудование для производства клея ПВА

 

 

Завод по производству клея ПВА осуществляет изготовление клеящего вещества следующим образом:

В верхний растворосмеситель  загружают взвешенные порции сырьевых компонентов. На протяжении последующих 10-20 минут осуществляется перемешивание, диспергирование сырья в результате трения эластичных частей лопасти мешалки  о корпус смесителя.

После этого клей расплав  перемещается в накопительную часть  нижнего агрегата. Затем приводится в действие шнек и включается циркуляционное насосное оборудование. После обработки  композиции, клеящий раствор перемещается в емкость нижнего агрегата.

Одновременно с этими  действиями осуществляется повторная  загрузка сырьевых компонентов в  верхний агрегат. После окончания  этой загрузки рукав циркуляции перекрывается, и часть композиции идет на фасовку.

Автоматизированная линия  по производству водно-дисперсионных  материалов.

Стоимость линии составляет 310 000 рублей. На автоматизированной линии  можно изготавливать такие виды клея ПВА: экстра, универсальный и  строительный.

Производительность такого оборудования составляет 60 кг в час.

Производственники могут  также приобрести отдельно диссольвер для производства клея ПВА и аппарат фасовки.

Производительность диссольвера  также составляет 60 кг в час, а  стоимость – 100 000 рублей, а цена аппарата фасовки составляет 78 000 рублей.

Как видим, производительность диссольвера и аппарата фасовки  равна аналогичному показателю автоматизированной линии для производства клея ПВА. Однако, покупая отдельно каждый вид  оборудования, можно сэкономить 132 000 рублей. Стоит отметить, что данное оборудование позволяет изготавливать не только клей ПВА, но и краски, лаки, эмали, грунтовки, шпатлевку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Получение

 

 

В зависимости от назначения поливинилацетата полимеризацию осуществляют различными методами: блочным, лаковым, суспензионным  и эмульсионным.

Блочная полимеризация проводится в аппаратах с мешалками якорного типа и обратными холодильниками с большой поверхностью охлаждения. Реакцию проводят при 80-90 ⁰С, причем выделяется тепло: 89 кДж/моль (21,3 ккал/моль). По окончании экзотермической реакции массу нагревают до 110-120 ⁰С и направляют на грануляцию. Блочный поливинилацетат выпускают в виде гранул.

При полимеризации в растворителях  в качестве инициаторов применяют  перекись бензоила, динитрил азоизомасляной кислоты. Выбор растворителя определяется назначением поливинилацетата: для  склеивания и лакирования кожи поливинилацетат  получают в этилацетате; для склеивания бумаги, ткани, стекла – в среде  этилового спирта. Поливинилацетат  в виде спиртового раствора (ТУ 6-10-1081—70) выпускают трех марок, отличающихся по вязкости мольных растворов (в  сантипуазах): С-4 (3-6 сГ1), С-8 (6-10 сП); С-12 (10-14 сП). Концентрация лаков – 45-55 % полимера; содержание мономера не более 1,2 %.

Суспензионная полимеризация винилацетата проводится в водной среде, где поверхностно-активным веществом является поливиниловый  спирт с содержанием 10-15 % ацетатных групп, а инициатором – перекись бензоила или динитрил азоизомасляной кислоты. Суспензионный поливинилацетат выпускают семи марок, отличающихся вязкостью мольного раствора: 15, 25, 50, 75, 100, К, Ц. Марка К близка к № 50, а марка Ц – к № 15. Номер марки соответствует вязкости мольного раствора в сантипуазах. Высокомолекулярный поливинилацетат марок 75 и 100 в спиртах не растворяется.

Эмульсионной полимеризацией получают поливинилацетатные суспензии (ГОСТ 18992—73). Их выпускают 22 марки, отличающиеся по вязкости, содержанию пластификатора, размеру частиц и по физико-механическим свойствам.

Пленки и покрытия из эмульсионного  поливинилацетата обладают хорошей  адгезией и светостойкостью.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 Применение в промышленности

 

 

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.

Виды (наиболее распространенные):

Клей ПВА бытовой (обойный) применяется для склеивания изделий  из бумаги, для приклеивания бумажных и моющихся обоев на бумажной основе на оштукатуренные, деревянные и бетонные поверхности. По внешнему виду представляет собой однородную, без комков, массу  белого или кремового цвета. Морозостойкость  бытового клея ПВА составляет 6 циклов замораживания-оттаивания при −40 ⁰C.

Клей ПВА канцелярский (ПВА-К) применяется для склеивания бумаги, фотобумаги, картона. По внешнему виду представляет собой вязкую жидкость белого или слегка желтоватого цвета, без комков и механических включений; допускается поверхностная плёнка. Клей неводостоек, неморозоустойчив.

Клей ПВА универсальный (ПВА-МБ) применяется для склеивания изделий из дерева, бумаги, картона, кожи, для приклеивания бумаги, ткани  на деревянные, стеклянные, металлические  поверхности, в качестве компонента рецептур шпатлевок, грунтовок, бетонных смесей на водной основе. По внешнему виду представляет собой вязкую массу  белого или слегка желтоватого цвета, без комков и посторонних включений. Морозостойкость составляет 6 циклов замораживания-оттаивания при −20 ⁰C.

Клей ПВА супер (ПВА-М) применяется для склеивания изделий  из дерева, бумаги, картона, стекла, фарфора, кожи, тканей, а также приклеивания фотографий, линолеума, облицовочных плиток при ремонте. По внешнему виду представляет собой вязкую массу белого или  слегка желтоватого цвета, без комков и посторонних включений. Морозостойкость  составляет 6 циклов замораживания-оттаивания при −40 ⁰C.

Дисперсия ПВА - водный раствор полимера, стабилизированный защитным коллоидом, как правило, другим высокомолекулярным соединением (например поливиниловым спиртом), отличается высокой клеящей способностью. По внешнему виду представляет собой вязкую жидкость белого или слегка желтоватого цвета (желтизну придает в основном пластификатор), без комков и посторонних механических включений; допускается поверхностная пленка. Морозостойкость непластифицированной дисперсии составляет 4 цикла замораживания-оттаивания. Дисперсия ПВА находит широкое применение:

- в строительстве, как добавка в строительные растворы;

- в стекольной, текстильной, полиграфической, обувной и кожевенной промышленности;

- в производстве вододисперсионных красок, сигарет, упаковок, техно-тканей, бытовой химии;

- при склеивании дерева, бумаги и картона.

Добавление в строительные растворы ПВА повышает адгезию растворов  к основам и пр., придает пластичность, увеличивает прочность конечного  изделия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 Заключение

 

 

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 высокомолекулярными 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.

Многообразие ВМС неограниченно. Отсюда вытекает еще большее многообразие явлений природы, особенно жизненных  явлений, т.к. подавляющее большинство  природных процессов представляют собой процессы образования, изменения  и превращения высокомолекулярных тел. Характеризуя значения многообразия органических ВМС, один из создателей макромолекулярной химии – Герман Штаудингер в 1932г. указывал, что для  понимания жизненных процессов  биологическая химия требует  бесконечного числа органических веществ, и, соответственно, бесконечного ряда возможных реакций.

Устойчивость к физико-химическим превращениям и многообразие ВМС  являются теми фундаментальными принципами, которые определяют их роль и распространение  в природе.

В условиях земного шара непрерывно протекают разнообразные  взаимные превращения низко- и высокомолекулярных соединений.

 

 

Библиографический список

 

 

1. Линдеман M. Полимеризация  виниловых мономеров. - M., 1973. – 5112 с.

2. Розенберг М.Э. Полимеры  на основе винилацетата, Л., 1983. –  856 с.

3. А.М. Шур Высокомолекулярные  соединения. Изд. «Высшая Школа»  М-1966 г.

4. dic.academic/dic.nsf/enc3p/238278.htm

5. krugosvet/articles/43/1004368/1004368a5.htm

6. slovari.yandex/dict/krugosvet/article/6/60/1004368.htm

7. А. Рихе. Основы технологии  органических веществ. Пер. с  нем. /Под ред.Д. Д. Зыкова. - М.: Государственное  научно-техническое издательство  химической литературы, 1959. - 531 с., ил.

8. Дж. Теддер, А. Нехваталл, А. Джубб. Промышленная органическая химия. Пер. с англ. /Под ред. О.В. Корсунского. - М.: "Мир", 1977. - 700 с., ил.

9. Основы химии и технологии мономеров: Учеб. пособие/Н.А. Платэ, Е.В. Сливинский. - М.: Наука: МАИК "Наука/интерпериодика", 2002. - 696 с., ил.

10. "Справочник химика" т.2., Л. - М.: Химия, 1964. стр.1020 - 1021.