Forschungsfortschritt und Klassifizierung von Polyvinylpyrrolidon
Polyvinylpyrrolidon (PVP) ist ein sehr wichtiges wasserlösliches Polymer. Unter bestimmten Bedingungen wird es durch N-Vinylpyrrolidon (NVP) polymerisiert. Seit 1938, als der deutsche Chemiker Reppe erstmals Acetylen als Rohstoff zur Synthese von NVP und seinem Polymer PVP verwendete, hat sich PVP in drei Kategorien entwickelt: Homopolymer, Copolymer und vernetztes Produkt. PVP-Produkte haben sich außerdem in drei Spezifikationen entwickelt: Industriequalität, Pharmaqualität und Lebensmittelqualität.
Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wird PVP immer häufiger eingesetzt. Es verfügt nicht nur über eine hervorragende Löslichkeit, chemische Stabilität, filmbildende Eigenschaft, physiologische Inertheit, Bindungsfähigkeit und schützende Klebewirkung, sondern kann auch mit vielen anorganischen und organischen Verbindungen kombiniert werden. Daher wird PVP seit seiner Einführung häufig in der Medizin, Kosmetik, Lebensmittelindustrie, Brauerei, Beschichtungen, Klebstoffen, Druck- und Färbehilfsmitteln, Trennmembranen, lichtempfindlichen Materialien und anderen Bereichen eingesetzt. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wird das Anwendungsgebiet von PVP immer umfangreicher. Es wurde auch in High-Tech-Bereichen wie fotohärtbaren Harzen, optischen Fasern, Laser-Video-Discs und Materialien zur Widerstandsreduzierung eingesetzt. Man kann sagen, dass PVP in alle Bereiche der Volkswirtschaft und des Lebens der Menschen eingedrungen ist.
China begann erst spät mit der Erforschung der Produktionstechnologie von PVP. Im Jahr 1987 bauten das Henan Boai Chemical Plant und das Zhejiang Chemical Plant Research Institute gemeinsam eine Pilotanlage mit einer jährlichen Produktion von 50 Tonnen NVP. Im Jahr 1996 arbeitete die Technische Universität Guangdong mit der Pestizidfabrik Luoding in der Provinz Guangdong zusammen, um eine Produktionsanlage mit einer jährlichen Produktion von 500 Tonnen PVP zu errichten. Allerdings sind die PVP-Produkte meines Landes immer noch hauptsächlich auf Importe angewiesen, und im Vergleich zu anderen Ländern besteht eine große Lücke in Forschung, Entwicklung und Anwendungsbereichen. In den letzten Jahren wurde mit der Entwicklung der Wirtschaft meines Landes und dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie auch in vielerlei Hinsicht Forschung zur Herstellung und Anwendung von PVP durchgeführt. Auch die Nachfrage steigt. Daher ist die Forschung zur Entwicklung und Anwendung von PVP von großer theoretischer Bedeutung und praktischem Wert.
Eigenschaften und Synthese von Vinylpyrrolidon
Physikalische Eigenschaften von NVP
NVP ist die Abkürzung für Vinylpyrrolidon, ein Monomer zur Synthese von PVP. NVP ist eine farblose oder hellgelbe transparente Flüssigkeit mit leichtem Geruch bei Raumtemperatur. Es ist leicht wasserlöslich, hat eine relative Dichte von 1,04 und einen Siedepunkt von 148 Grad. NVP ist nicht nur wasserlöslich, sondern auch in vielen organischen Lösungsmitteln wie Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol, Chloroform, Glycerin, Tetrahydrofuran, Vinylacetat, Toluol usw. löslich und weist hervorragende Lösungseigenschaften auf.
Chemische Eigenschaften von NVP
Das NVP-Molekül ist ein fünfgliedriger Ring mit einem N-Atom, das zur Lactamverbindung gehört. An das Atom ist eine Vinylgruppe gebunden. Diese Gruppe stellt besondere Eigenschaften für die Polymerisation und Anwendung von NVP bereit. Die Summenformel von NVP lautet C6H0NO.
NVP hat zwei wichtige Eigenschaften, nämlich einfache Polymerisation und Hydrolyse.
NVP kann in Gegenwart geeigneter Initiatoren oder unter Lichtbedingungen eine Polymerisationsreaktion eingehen, um Polyvinylpyrrolidon zu erhalten. Selbst in Abwesenheit von Initiatoren unterliegt NVP beispielsweise aufgrund der langen Lagerzeit einer Selbstpolymerisation. Daher enthält im Handel erhältliches NVP im Allgemeinen Inhibitoren, und wir müssen die Inhibitoren während der Polymerisation entfernen. Es gibt zwei Behandlungsmethoden: Eine besteht darin, Aktivkohle hinzuzufügen und deren Adsorptionswirkung zur Entfernung der Inhibitoren zu nutzen. Die andere besteht darin, die Methode der Vakuumdestillation zu verwenden, um reines NVP bei einem Druck von etwa 133,32 Pa und einer Temperatur von etwa 50 Grad zu erhalten.
Eine weitere wichtige chemische Eigenschaft von NVP besteht darin, dass es in Gegenwart von Säure oder Salz leicht zu einer Hydrolysereaktion unter Bildung von Pyrrolidon und Acetaldehyd führt. Durch Forschung können wir den Hydrolysemechanismus von NVP unter sauren Bedingungen ermitteln.
Die Vinylladung im NVP-Molekül ist unausgeglichen, das heißt, die Ladungsdichte an den beiden durch die Doppelbindung verbundenen Kohlenstoffatomen ist unterschiedlich. Unter sauren Bedingungen kommt es im NVP-Molekül zu einer Isomerisierung, die eine Reihe von Übergangszuständen bildet und schließlich Pyrrolidon und Acetaldehyd erzeugt. Das erzeugte Pyrrolidon reagiert mit dem NVP-Molekül und zerfällt unter Beteiligung von Wasser in Pyrrolidon und Acetaldehyd. Daher sollten wir bei der Synthese und Anwendung von NVP auf zwei Punkte achten: 1. Wasser sollte bei der Synthese von NVP vollständig entfernt werden und 2. Bei Lagerung und Transport sollten 0,1 % Alkali (wie Natriumoxid, Ammoniak usw.) entsprechend zugesetzt werden.
Synthesemethode von NVP
Zu den wichtigsten Synthesemethoden von NVP gehören die Acetylen-Methode, die Pyrrolidon-Methode, die Butyrolacton-Methode, die Maleinsäureanhydrid-Methode (kurz: Maleinsäureanhydrid-Methode) usw. Unter diesen ist die Acetylen-Methode die Hauptmethode.
Die Acetylenmethode wurde erstmals in den 1930er Jahren vom deutschen Chemiker W. Reppe erfunden. Es verwendet Acetylen und Formaldehyd als Ausgangsmaterialien und durchläuft Acetylenaldehyd-Addition, katalytische Hydrierung, katalytische Zersetzung, Aminierung, Alkin-Addition und andere Reaktionen, um Monomer-NVP zu erhalten.
Das Acetylenverfahren stellt aufgrund des verwendeten Hauptrohstoffs Acetylen strenge Anforderungen an die Betriebsbedingungen. Der Prozess muss unter Hochdruck- und Hochtemperaturbedingungen durchgeführt werden. Es stellt hohe Anforderungen an die Ausrüstung, den langen Prozessablauf und die Ausrüstungsinvestitionen. Es eignet sich nur für die Produktion in großem Maßstab und nicht für den Bau mittlerer und kleiner Hersteller.
Bei der Pyrrolidon-Methode wird Pyrrolidon direkt als Hauptrohstoff verwendet und NVP durch intramolekulare Additionsreaktion und anschließendes Erhitzen zur Eliminierung eines Moleküls gewonnen. Im Allgemeinen werden Pyrrolidon und Vinylcarboxylat, Vinylether, Ethylenoxid usw. unter der Bedingung eines Katalysators umgesetzt und dann erhitzt, um molekulare Substanzen wie Carbonsäure, Alkohol und Wasser zu entfernen, um N-Vinylpyrrolidon zu erhalten; während die -Butyrolacton-Methode eine Methode ist, bei der -Butyrolacton mit Ethanolamin reagiert, um Hydroxyethylpyrrolidon (NHP) zu erzeugen, und dann NHP in Gegenwart eines Dehydratisierungskatalysators direkt dehydratisiert wird, um das Monomer NVP zu erzeugen.
Im Vergleich zur Acetylen-Methode bieten die -Butyrolacton-Methode und die Pyrrolidon-Methode die Vorteile eines kurzen Prozessablaufs, geringer Ausrüstungsinvestitionen, eines kurzen Anlagenbauzyklus und milder Betriebsbedingungen, haben aber auch die Nachteile hoher Rohstoffpreise und hoher Produktionskosten. Unabhängig davon, ob es sich um die Acetylen-Methode, die -Butyrolacton-Methode oder die Pyrrolidon-Methode handelt, gibt es Mängel, und weitere verbesserte Methoden müssen noch untersucht werden.