聚乙烯醇縮丁醛的合成工藝探究

任天鵬

摘 ?要：聚乙烯醇縮丁醛（PVB）的制備反應過程復雜，影響因素頗多，通過對反應溫度的控制嚴格，加料量配比，攪拌過程中體系的穩定狀態，后處理過程等進行單一變量重復試驗，探索了反應過程中影響PVB顆粒形成和縮醛度的主要因素。由于PVB的熱敏性，當物料溫度超過50℃時，PVB粉料容易軟化并發生粘連，因此對后處理過程中的溫度限制，小試試驗（20升）干燥采用真空低溫干燥，實現工業化成本太高，故采用一般氣流干燥和嚴格控溫的沸騰床干燥結合的兩級干燥系統，并對PVB的干燥工藝進行了50kg/h處理量的工藝設計及計算，經干燥后得到了符合要求的PVB產品。

關鍵詞：縮合反應;聚乙烯醇縮丁醛（PVB）;干燥;物料衡算;熱負荷

1.實驗內容

1.1反應機理

本項目選擇的“沉淀法”工藝方案，該技術具有原料路線合理、反應條件緩和、能量利用率高、技術指標先進等優點。聚乙烯醇縮丁醛（PVB）是在酸的催化作用下，由聚乙烯醇與正丁醛進行縮合反應獲得。該縮醛反應的反應機理為：在催化劑[H+]的存在下，[H+]首先進攻正丁醛中的羰基，生成帶正電的活性基團，該活性基團中的帶正電的碳再去進攻PVA中的醇羥基，由于生成的產物不穩定，會脫去一分子水，脫水后正電荷又轉移到碳原子上。該帶正電荷的碳再去進攻相鄰的另一個羥基，生成帶有環狀基團的聚乙烯醇縮丁醛，同時再釋放出[H+]。

1.2實驗原料

PVA（1799）/正丁醛（98%）/鹽酸（63.5%）/DBS/氫氧化鈉（96%）/去離子水

1.3實驗儀器

反應釜一20L、水洗罐、真空泵、干燥箱，粉碎機，20一100目篩子

1.4實驗工藝流程及方法

l）取常溫的去離子水13800g，加入反應器，啟動攪拌，恒速。

2）取1200g的PVA，配制PVA質量含量為8%的溶液。

3）提前在30℃浸泡后，大約用3h勻速升溫到95℃左右，保溫1h，使PVA全溶。

4）溶解完畢，迅速降溫至40-45℃，約2h。

5）縮醛反應：先在40-45℃加入部分醛，降溫滴加酸。

6）繼續降溫至6℃后30min內滴加剩余的醛，攪拌恒速。

7）將反應系統勻速升溫，3h升溫至70℃。保證20℃/h，且升且保溫。

8）降溫后中和至PH至10。

9）水洗：反應完畢后，水洗。水洗至PH=7-7.5，每次用水量約15L，攪拌速度200rpm。。

10）干燥：真空過濾，烘干（50℃），再真空烘干（50℃）至恒重。

按照上述實驗步驟，分別進行單一變量重復試驗。

2.實驗結果與結論

2.1 丁醛加入量的影響

本實驗在加入一定量PVA（1200g）和鹽酸（150g）的情況下，對丁醛的加入量進行了研究。

從圖1中可以看出，隨著丁醛用量的增大，PVB產量也增加，但當丁醛加入量超過750g時，PVB產量增速減慢，對反應完后第一次過濾出的水進行分析，未反應的PVA的濃度約為0.1mg/ml，據此可認為PVA全部參加反應，丁醛的利用率圖，如圖1所示：

由圖2可知，丁醛的利用率最高為64%，丁醛加入過量，PVB的產量雖有所增加，但丁醛的利用率卻下降，綜合圖1與圖2，得出丁醛最佳加入量為750g，此時PVA與丁醛的質量比為100：62.5，經測試，其乙烯醇縮醛含量為74.5%。

2.2 鹽酸加入量的影響

本實驗在研究了在加入一定量PVA（1200g）和丁醛（750g）的條件下，鹽酸的用量對PVB產量的影響，如圖3所示。由圖3可知，鹽酸加入量大于150g以后，PVB產量不再有變化，說明此用量為鹽酸的最佳用量，此時PVA與鹽酸的質量比為100：11.7，丁醛的利用率為63.6%。

綜合1和2實驗數據可得出原料最佳配比條件為：PVA、正丁醛及鹽酸的質量比為100：62.5：11.7，按此配比進行中試放大實驗，得到的數據為：產品縮醛含量為74.5%，丁醛利用率為63.6%，得的夾層安全玻璃膜，符合夾層玻璃的使用要求。

2.3 反應溫度的影響

實驗過程中發現，縮醛反應溫度的控制對提高產品的縮丁醛基含量和防止產品粘連也至關重要，在加入全部醛和酸，開始反應之后，反應溫度高，反應快，產品易粘連;反應溫度低則反應慢，產品達不到要求的縮丁醛基含量，反應最初析出的產品的縮丁醛基含量僅30%。因此，為防止產品粘連，將起始反應溫度控制在4-15℃，然后緩慢階段性升溫，一般在4小時內，從20℃升至70℃，每上升10℃，保持一個小時，用此法要得到的PVB的縮醛含量可達74%左右，符合使用要求。

2.4 攪拌速度的影響

攪拌速度對PVB產品的形態也會產生影響，攪拌速度慢，正丁醛和鹽酸的都不能得到及時分散，容易發生分子間反應，得到結塊的PVB產品;攪拌速度過快，反應體系不穩定，也不利于反應的正常進行，反應過程中發生相變時掛壁比較嚴重，攪拌速度以形成一個穩定的渦輪為準，這樣可保證縮醛反應的均勻進行。

2.5 后處理水洗溫度對產品的影響

實驗中發現，后處理時水洗溫度>50℃時，濾出一部分水后，PVB仍容易粘結，給后處理帶來麻煩，得到的產品大多顆粒較大且酸值較高;當水洗溫度<40℃時，PVB的粒徑就明顯固定下來，不會相互粘結，容易得到粉末狀的產品，這可能是在高溫下，PVB分子鏈活動能力強，容易相互纏結的緣故。

2.6 干燥溫度對產品的影響

干燥采用干燥箱真空恒溫干燥的方式，實驗中發現，干燥溫度>50℃時， PVB容易粘結，甚至發生板結，得到的產品大多顆粒較大且酸值較高;干燥過程溫度控制在<45℃，PVB的粒徑就明顯固定下來，不會相互粘結，容易得到粉末狀的產品。真空低溫干燥只適合實驗室，若用于工業化生產，成本太大，因此需要一種干燥能力強，對被干燥物料溫度可嚴格控制的干燥系統。

3.干燥系統工藝設計與計算

3.1干燥系統說明

由于聚乙烯醇縮丁醛的熱敏性，本設計的特點在采用一般氣流干燥和嚴格控溫的沸騰床干燥結合的兩級干燥系統。一級干燥器為95-105℃氣流干燥，氣流干燥的出料進二級沸騰床的進料口。

3.2干燥設計條件及計算結果

3.3 干燥產品

經此干燥系統干燥后的4批產品指標如表3-2所示。

結束語：

通過本實驗可得到的高黏度，高縮丁醛基的PVB產品，經過兩級干燥處理可得到酸值低，揮發分低的PVB產品，符合制膜要求。目前，國外的PVB樹脂主要用于生產PVB薄膜，而我國由于大部分是低黏度，縮丁醛基含量低的樹脂，用途局限在陶瓷花紙和鋁箔紙粘貼等，國外對該產品實行壟斷和技術封鎖，因此對PVB合成工藝的進行探索和研究，我們進行工藝技術改造，實現高黏度、高縮丁醛基含量、高附加值產品的工業化生產和應用。