پلی وینیل الکل (PVA) و کاربردهای صنعتی آن

پلی وینیل الکل (PVA) یک پلیمر محلول در آب با کاربردهای گسترده صنعتی از جمله آهارزنی منسوجات، چسب ها، پلیمرهای امولسیونی و افزودنی های بتن است.

پلی وینیل الکل

پلی وینیل الکل (PVA) یک پلیمر مصنوعی محلول در آب است که در صنایع مختلف به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی منحصربه فرد خود کاربرد دارد. این پلیمر از طریق هیدرولیز پلی وینیل استات تولید می شود و به دلیل پایداری بالا، در تولید چسب ها، آهارزنی منسوجات، فرایندهای پلیمریزاسیون و بسیاری از ترکیبات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد.

تاریخچه توسعه PVA به دهه ۱۹۳۰ بازمی گردد، زمانی که دانشمندان برای نخستین بار این ماده را از طریق واکنش های شیمیایی کنترل شده سنتز کردند. پیشرفت های بعدی منجر به تولید فیبرهای مقاوم در برابر آب و کاربردهای گسترده در صنعت نساجی و بسته بندی شد.

یکی از ویژگی های مهم پلی وینیل الکل، توانایی تشکیل فیلم های مقاوم و انعطاف پذیر است که باعث استفاده از آن در پوشش های محافظ، چسب های صنعتی و تولید محصولات پزشکی شده است. این پلیمر به دلیل سازگاری زیست محیطی و قابلیت تجزیه پذیری، در فرایندهای تولیدی جایگزین بسیاری از مواد شیمیایی غیرقابل حل شده است.

PVA به طور گسترده در صنعت کاغذ و مقوا به عنوان ماده آهارزن و افزایش دهنده مقاومت به رطوبت استفاده می شود. همچنین در تولید پلیمرهای امولسیونی، فیلم های بسته بندی خوراکی، مواد دارویی و ترکیبات مقاوم در برابر حلال ها نقش مهمی ایفا می کند.

از دیگر کاربردهای مهم این پلیمر می توان به استفاده در ترکیبات سیمانی و افزودنی های بتن اشاره کرد که موجب افزایش استحکام و دوام سازه ها می شود. در صنایع کشاورزی نیز به عنوان عامل بهبوددهنده چسبندگی خاک و کاهش فرسایش سطحی مورد استفاده قرار می گیرد.

پیشرفت های فناوری و تحقیقات جدید، چشم اندازهای گسترده ای برای توسعه کاربردهای پلی وینیل الکل در حوزه های مختلف صنعتی ایجاد کرده است. با بهبود فرآیندهای تولید و ترکیبات اصلاح شده، این ماده همچنان یکی از مهم ترین پلیمرهای مورد استفاده در جهان باقی خواهد ماند.

چکیده

پلی وینیل الکل با شماره ثبت [9002-89-5] نخستین بار از طریق افزودن آلکیل به محلول شفاف الکلی پلی وینیل استات کشف شد و به رنگ عاجی به دست آمد. پلی وینیل الکل (PVA) یک پلیمر پلی هیدروکسی است که بیشترین حجم تولید رزین مصنوعی محلول در آب را در جهان به خود اختصاص داده است. این ماده به صورت تجاری از هیدرولیز پلی وینیل استات تولید می شود، زیرا مونومر وینیل الکل قابلیت تبدیل مستقیم به PVA با خلوص و هیدرولیز بالا را ندارد.

پایداری شیمیایی و خواص فیزیکی مطلوب PVA موجب گسترش کاربردهای صنعتی آن شده است. از مهم ترین موارد استفاده PVA می توان به آهارزنی منسوجات، تولید چسب ها، تهیه کلوئیدهای محافظ در پلیمریزاسیون امولسیونی، تولید الیاف، سنتز پلی وینیل بوتیرات و آهارزنی کاغذ اشاره کرد. علاوه بر این، PVA در افزودنی های بتنی و اتصالات سیمانی در ساخت و ساز، همچنین در ترکیبات آفت کش ها، علف کش ها و کودهای شیمیایی به کار می رود. در مقیاس محدودتر، این ماده به عنوان امولسیفایر در محصولات آرایشی، پوشش های محافظ موقت، افزایش چسبندگی خاک برای جلوگیری از فرسایش و همچنین در کاغذهای عکاسی کاربرد گسترده ای دارد.

مقدمه

پلی وینیل الکل (PVA) نخستین بار در سال ۱۹۳۲ توسط برگ، هاوه نل و هرمان ساخته شد و از طریق واکنش تبادل استری به دست آمد. پیشرفت چشمگیری که در سال ۱۹۳۸ توسط توما ناسی، یازاوا و ساکورادا در تولید فیبرهای استالیزه مقاوم به آب حاصل شد، منجر به سرمایه گذاری گسترده ای، به ویژه در ژاپن، برای تولید فیبر گردید. از آن زمان، کاربردهای متنوعی مانند آهارزنی الیاف، پوشش ها، چسب ها و محصولات قالب گیری شده برای این ماده توسعه یافت. امروزه سالانه حدود ۵۰۰ هزار تن PVA در سراسر جهان مصرف می شود.

ماده اولیه تولید پلی وینیل الکل، منومر وینیل الکل نیست، زیرا این ترکیب به صورت توتومری استالدهید وجود دارد. در عوض، پلی وینیل استات به عنوان ماده اولیه مورد استفاده قرار گرفته و از طریق فرآیند هیدرولیز به PVA تبدیل می شود. اصطلاح هیدرولیز در اینجا تا حدی گمراه کننده است، زیرا پلی وینیل استات به خودی خود در حضور آب واکنش نداده و PVA تولید نمی کند.

اگرچه پلی وینیل الکل (PVA) به صورت تجاری از طریق هیدرولیز پلی وینیل استات تولید می شود، اما روش های گوناگونی نیز در آزمایشگاه ها مورد بررسی قرار گرفته اند، از جمله:

1- هیدرولیز پلی وینیل استرها مانند پلی وینیل فرمات، پلی وینیل پروپیونات، پلی وینیل بوتیرات یا پلی وینیل بنزوات.
2- هیدرولیز پلی وینیل اترها شامل پلی وینیل بنزیل اتر، پلی وینیل بوتیل اتر یا پلی وینیل تری متیل سیلیل اتر.
3- هیدرولیز پلیمرهای مشتق از ترکیبات دی وینیل مانند دی وینیل اکسالات، دی وینیل مالونات یا دی وینیل سوکسینات.
4- پلیمریزاسیون مستقیم استالدهید به PVA.

انواع متعددی از پلی وینیل الکل (PVA) به صورت تجاری در دسترس هستند. ویژگی های بنیادی این ترکیبات به درجه پلیمریزاسیون و درصد هیدرولیز آنها وابسته است. با افزایش میزان هیدرولیز، مقاومت PVA در برابر آب، استحکام کششی و مقاومت در برابر پارگی افزایش می یابد، اما انعطاف پذیری، خاصیت چسبندگی و قابلیت پراکندگی آن کاهش پیدا می کند.

افزایش وزن مولکولی (یا درجه پلیمریزاسیون) موجب افزایش ویسکوزیته محلول، استحکام کششی، قابلیت پراکندگی، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر پارگی می شود. در حالی که درصد هیدرولیز به سادگی در طول فرآیند هیدرولیز قابل کنترل است، درجه پلیمریزاسیون PVA تا حد زیادی به شرایط پلیمریزاسیون پلی وینیل استات بستگی دارد. معمولاً هنگام هیدرولیز پلی وینیل استات (PVAc) به PVA، درجه پلیمریزاسیون کاهش می یابد. این امر ناشی از شکستن شاخه های جانبی میان PVA و حلقه های استری است. چنین شاخه های جانبی به ویژه در گروه های استوکسی متیل PVAc به طور رایج مشاهده می شوند.

در این پژوهش، تلاش شده است تا با بررسی ویژگی های متنوع پلی وینیل الکل، کاربردهای گسترده و اهمیت اقتصادی این ماده شیمیایی مورد مطالعه قرار گیرد. در ادامه، یک طرح تولید صنعتی برای این ماده ارائه شده است، به امید آنکه روزی این طرح به مرحله اجرا برسد.

پلیمرهای پلی وینیل الکل (PVA)

پلی وینیل الکل (PVA) یک پلیمر پلی هیدروکسی است که بیشترین حجم تولید رزین های مصنوعی محلول در آب را در جهان به خود اختصاص داده است. این پلیمر به صورت تجاری از طریق هیدرولیز پلی وینیل استات تولید می شود، زیرا منومر وینیل الکل قادر به پلیمریزه شدن با درجه خلوص و هیدرولیز بالا نیست.

پلی وینیل الکل که با شماره ثبت [9002-89-5] شناخته می شود، برای نخستین بار از طریق افزودن آلکیل به محلول شفاف الکلی پلی وینیل استات کشف شد که در نتیجه، پلیمری به رنگ عاجی حاصل گردید. روش مشابه دیگری برای تولید این ترکیب بر پایه بررسی تغییر شکل برگشت پذیر پلی وینیل استات از طریق استری سازی و صابونی سازی انجام شد. نخستین گزارش های علمی درباره پلی وینیل الکل در سال 1927 منتشر گردید.

پایداری شیمیایی بالا و خواص فیزیکی مطلوب این رزین، موجب شده است که PVA در بسیاری از مصارف صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. این پلیمر به عنوان یک ماده چسبنده قوی، دارای قابلیت انحلال بالا، روان سازی و مقاومت در برابر چربی است، ویژگی هایی که تنها در تعداد محدودی از پلیمرهای دیگر یافت می شود.

فیلم های نازک پلی وینیل الکل در شرایط خشک و بدون رطوبت، استحکام کششی فوق العاده ای نسبت به سایر پلیمرها دارند و از پایداری بالایی در برابر سایش و مقاومت زیاد در برابر اکسیژن برخوردارند. علاوه بر این، کشش سطحی پایین PVA، ویژگی های کلوئیدی و توانایی امولسیون سازی بسیار مطلوبی را برای این پلیمر فراهم می کند.

کاربردهای پلی وینیل الکل (PVA)

پلی وینیل الکل (PVA) کاربرد گسترده ای در صنایع مختلف دارد. از مهم ترین موارد استفاده آن می توان به آهارزنی منسوجات، تولید چسب ها، تهیه کلوئیدهای محافظ در پلیمریزاسیون امولسیونی، ساخت الیاف، تولید پلی وینیل بوتیرات و آهارزنی کاغذ اشاره کرد.

علاوه بر این، PVA نقش مهمی در تولید افزودنی های بتنی و اتصالات سیمانی در صنعت ساختمان دارد. همچنین در فرمولاسیون آفت کش ها، علف کش ها و کودهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد.

در مقیاس کوچک تر، این پلیمر به عنوان امولسیفایر در صنایع آرایشی، پوشش های محافظ موقت، بهبود چسبندگی خاک برای جلوگیری از فرسایش و همچنین در تولید کاغذ عکاسی کاربرد گسترده ای دارد.

خواص فیزیکی پلی وینیل الکل

خواص فیزیکی پلی وینیل الکل به روش تولید آن بستگی دارد. ویژگی های نهایی این پلیمر تحت تأثیر نحوه پلیمریزاسیون پلی وینیل استات اولیه، فرآیند هیدرولیز، شیوه خشک کردن و دانه بندی آن قرار دارد.

در واقع، پلی وینیل الکل را می توان به عنوان یک کوپلیمر متشکل از مونومرهای وینیل استات و وینیل الکل در نظر گرفت. میزان هیدرولیز و جرم مولکولی این پلیمر، تأثیر مستقیمی بر خواص فیزیکی آن دارد.

همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، تغییر در درصد هیدرولیز و جرم مولکولی منجر به تغییرات متنوعی در ویژگی های این پلیمر می شود. این تغییرات بر استحکام، انعطاف پذیری و سایر خصوصیات فیزیکی PVA تأثیر می گذارد.