Forskningsframsteg och klassificering av polyvinylpyrrolidon
Polyvinylpyrrolidon (PVP) är en mycket viktig vatten-löslig polymer. Det polymeriseras av N-vinylpyrrolidonc (NVP) under vissa förhållanden. Sedan 1938, när den tyska kemisten Reppe först använde acetylen som råmaterial för att syntetisera NVP och dess polymer PVP, har PVP utvecklats till tre kategorier: homopolymer, sampolymer och tvärbunden produkt. PVP-produkter har också utvecklats till tre specifikationer: industriell kvalitet, farmaceutisk kvalitet och livsmedelskvalitet.
PVP har använts allt mer på grund av dess unika egenskaper. Det har inte bara utmärkt löslighet, kemisk stabilitet, filmbildande-egenskaper, fysiologisk tröghet, bindningsförmåga och skyddande vidhäftande effekt, utan kan också kombineras med många oorganiska och organiska föreningar. Därför har PVP använts i stor utsträckning inom medicin, kosmetika, mat, bryggning, beläggningar, lim, tryck- och färgningshjälpmedel, separationsmembran, ljuskänsliga material och andra områden sedan lanseringen. Med utvecklingen av vetenskap och teknik blir tillämpningsområdet för PVP mer och mer omfattande. Det har även använts inom högteknologiska-områden som fotohärdbara hartser, optiska fibrer, laservideoskivor och material för att minska motståndet. Man kan säga att PVP har trängt in i alla delar av samhällsekonomin och människors liv.
Kina började sent med att forska om produktionstekniken för PVP. 1987 byggde Henan Boai Chemical Plant och Zhejiang Chemical Plant Research Institute tillsammans en pilotanläggning med en årlig produktion på 50 ton NVP. 1996 samarbetade Guangdong University of Technology med Luoding Pesticide Factory i Guangdong-provinsen för att bygga en produktionsanläggning med en årlig produktion på 500 ton PVP. Men mitt lands PVP-produkter är fortfarande huvudsakligen beroende av import, och det finns en stor klyfta i forskning och utveckling och tillämpningsområden jämfört med andra länder. Under de senaste åren, med utvecklingen av mitt lands ekonomi och framstegen inom vetenskap och teknik, har forskning om produktion och tillämpning av PVP också utförts i många aspekter. Dess efterfrågan ökar också. Därför har forskning om utveckling och tillämpning av PVP mycket viktig teoretisk betydelse och praktiskt värde.
Egenskaper och syntes av vinylpyrrolidon
Fysiska egenskaper hos NVP
NVP är en förkortning av vinylpyrrolidon, som är en monomer för att syntetisera PVP. NVP är en färglös eller ljusgul transparent vätska med en lätt lukt vid rumstemperatur. Det är lättlösligt i vatten, med en relativ densitet på 1,04 och en kokpunkt på 148 grader. Förutom att vara lösligt i vatten är NVP även lösligt i många organiska lösningsmedel, såsom metanol, etanol, propanol, isopropanol, kloroform, glycerol, tetrahydrofuran, vinylacetat, toluen, etc., och har utmärkta lösningsegenskaper.
Kemiska egenskaper hos NVP
NVP-molekylen är en fem-ring som innehåller en N-atom, som tillhör laktamföreningen. Det finns en vinylgrupp bunden till atomen. Denna grupp ger speciella egenskaper för polymerisation och applicering av NVP. Molekylformeln för NVP är C6H0NO.
NVP har två viktiga egenskaper, nämligen enkel polymerisation och hydrolys.
NVP kan genomgå polymerisationsreaktion för att erhålla polyvinylpyrrolidon i närvaro av lämpliga initiatorer eller under ljusförhållanden. Även i frånvaro av initiatorer kommer NVP att genomgå själv-polymerisering på grund av till exempel lång lagringstid. Därför innehåller kommersiellt tillgänglig NVP i allmänhet inhibitorer, och vi måste ta bort inhibitorerna under polymerisation. Det finns två behandlingsmetoder: en är att tillsätta aktivt kol och använda dess adsorptionseffekt för att ta bort inhibitorerna; den andra är att använda metoden för vakuumdestillation för att erhålla ren NVP vid ett tryck på cirka 133,32 Pa och en temperatur på cirka 50 grader.
En annan viktig kemisk egenskap hos NVP är att det är lätt att genomgå hydrolysreaktioner i närvaro av sura eller saltbetingelser för att producera pyrrolidon och acetaldehyd. Genom forskning kan vi erhålla hydrolysmekanismen för NVP under sura förhållanden.
Vinylladdningen i NVP-molekylen är obalanserad, det vill säga laddningstätheten på de två kolatomer som är förbundna med dubbelbindningen är olika. Under sura förhållanden sker isomerisering i NVP-molekylen, vilket bildar en serie övergångstillstånd och till slut genererar pyrrolidon och acetaldehyd. Den genererade pyrrolidonen reagerar med NVP-molekylen och sönderdelas till pyrrolidon och acetaldehyd med deltagande av vatten. Därför bör vi vara uppmärksamma på två punkter i syntesen och appliceringen av NVP: 1. Vatten bör avlägsnas helt under syntesen av NVP, och 2. Under lagring och transport bör 0,1 % alkali (såsom natriumoxid, ammoniak etc.) tillsättas på lämpligt sätt.
Syntesmetod för NVP
De huvudsakliga syntesmetoderna för NVP inkluderar acetylenmetoden, pyrrolidonmetoden, butyrolaktonmetoden, maleinsyraanhydridmetoden (kort maleinsyraanhydridmetoden), etc. Bland dem är acetylenmetoden huvudmetoden.
Acetylenmetoden uppfanns först av den tyske kemisten W. Reppe på 1930-talet. Den använder acetylen och formaldehyd som utgångsmaterial och genomgår acetylenaldehydaddition, katalytisk hydrogenering, katalytisk nedbrytning, aminering, alkynaddition och andra reaktioner för att erhålla monomer NVP.
Acetylenmetoden har strikta krav på driftsförhållanden på grund av den huvudsakliga råvaran acetylen som används. Processen måste utföras under högt tryck och höga temperaturer. Den har höga krav på utrustning, långa processflöden och utrustningsinvesteringar. Den är endast lämplig för stor-produktion och inte lämplig för konstruktion av medelstora och små tillverkare.
Pyrrolidonmetoden använder direkt pyrrolidon som huvudråvara och erhåller NVP genom intramolekylär additionsreaktion och sedan uppvärmning för att eliminera en molekyl. I allmänhet reageras pyrrolidon och vinylkarboxylat, vinyleter, etylenoxid, etc. under betingelser av en katalysator och upphettas sedan för att avlägsna molekylära substanser såsom karboxylsyra, alkohol och vatten för att erhålla N-vinylpyrrolidon; medan -butyrolaktonmetoden är en metod där -butyrolakton reagerar med etanolamin för att generera hydroxietylpyrrolidon (NHP), och sedan dehydratiseras NHP direkt i närvaro av en dehydratiseringskatalysator för att generera monomeren NVP.
Jämfört med acetylenmetoden har -butyrolaktonmetoden och pyrrolidonmetoden fördelarna med kort processflöde, små investeringar i utrustning, kort anläggningscykel och milda driftsförhållanden, men de har också nackdelarna med höga råvarupriser och höga produktionskostnader. Därför, oavsett om det är acetylenmetoden, -butyrolaktonmetoden eller pyrrolidonmetoden, finns det brister, och ytterligare förbättrade metoder behöver fortfarande studeras.