Practica 1, Polimerizacion en emulsion PVA LABORATIO POLIMEROS PDF

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Practica 1, Polimerizacion en emulsion PVA LABORATIO POLIMEROS...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS ACADEMIA DE POLÍMEROS LABORATORIO DE FISICO QUÍMICA DE LOS POLÍMEROS PRÁCTICA 1. Síntesis de un adhesivo de poliacetato de vinilo (PVA)

EQUIPO: 1 GRUPO: 3IM77 ALUMNOS: Castillo Escobar Josué de Jesús Flores Madrigal Katia Scarlett Ocampo Plata Alan Alejandro FECHA: 29 DE MAYO DE 2020 Enero 2020- Junio2020

PERIODO ESCOLAR: 20/2

Resumen Se hizo un arreglo de un reactor con refrigerante y baño María para la obtención de PACV, sellado con un empaque de plástico y cinta teflón para evitar la fuga del monómero ya que este tiende a ser volátil. Posteriormente calculamos las porciones de reactivos que se iban a utilizar en la reacción en base a la tasa de sólidos, pureza y phr de los compuestos a utilizar. Una vez teniendo el reactor instalado se procedió a calentar el agua de baño María manteniéndola en un rango de 60-70°C, esto se hace con el objetivo de disminuir el oxígeno en el aire dentro del reactor que pudieran ocasionar radicales libres en la reacción afectándola. Se adiciono la mitad del agua cuantificada al reactor mientras que la otra parte se distribuyó en los contenedores de lauril sulfato de sodio, persulfato de potasio y bicarbonato de sodio, con el fin de que no quedaran residuos en los contenedores en el momento de adicionar al reactor. Se encendió y ajusto el agitador a 250 rpm, para acelerar el proceso de polimerización. Se adiciono los reactivos al reactor en la siguiente sucesión NaHCO 3, KPS, lauril sulfato de sodio y el acetato de vinilo. Ya adicionado todas las sustancias se dejó a una temperatura y agitación constante durante 2 horas, debido a que es una reacción exotérmica es importante tener el control de la temperatura ya que el termómetro marcaba la temperatura del agua fuera del reactor y probablemente dentro del reactor la temperatura era más elevada. El producto obtenido tiene una apariencia liquida color blanco como Resistol diluido, este se almaceno en un recipiente de vidrio durante una semana. Pasado ese tiempo se tomaron pruebas de adhesión en hojas de papel, pH con tiras indicadoras de pH y se determinó el porciento de tasa de sólidos y eficiencia pesando el látex antes y después de meterlo al horno por medio de charolas de aluminio.

Objetivos  El alumno aprenderá a llevar a cabo una polimerización de emulsión, para la obtención de un látex en una emulsión de 350g.  Realizara las pruebas de adhesión al látex obtenido y determinara las características del polímero obtenido, de acuerdo con su síntesis.

1. Introducción Acetato de Polivinilo Resina polivinílica termoplástica obtenida a partir de la polimerización en emulsión o suspensión, a través de radicales libres del acetato de vinilo. Fue descubierta a principios del siglo XX, aunque su comercialización comenzó en la década de 1930. Los acetatos de polivinilo son insolubles en agua (aunque forman fácilmente emulsiones acuosas) y solubles en cetonas, ésteres, alcoholes e hidrocarburos clorados. Presentan una buena resistencia al envejecimiento y son estables a la luz. ESTRUCTURA QUÍMICA Y SÍNTESIS La estructura química del polímero se compone sucesiones de grupos vinil acetato:

El acetato de polivinilo es preparado por polimerización vinílica por radicales libres del monómero acetato de vinilo.

El monómero de acetato de vinilo fue a escala industrial producido por primera vez por la adición de ácido acético al acetileno con una sal mercurio, pero ahora está compuesta principalmente por la adición oxidativa catalizado con paladio de ácido acético al etileno. PROCESO DE FABRICACIÓN En la industria de los adhesivos se obtiene el poli acetato de vinilo por los métodos convencionales de polimerización por adición o por emulsión. Para iniciar la polimerización es común activar la doble ligadura del vinilo ya sea térmicamente, o fotoquímicamente por reacción con un radical libre iniciador o por reacción con un catalizador iónico. La polimerización de adición industrial para los adhesivos, se inician por lo general, por medio de un radical libre obtenido de la descomposición de agentes oxidantes tales como el peróxido de benceno. Simultáneamente la ligadura de vinilo es activada ya que ahora ella tiene un electrón sin unir en el otro átomo de carbono. Es así como se inicia una reacción en cadena de radicales libres. EMULSIONES DE POLIVINIL ACETATO El polivinil acetato es ampliamente utilizado en la forma de una dispersión de resina sólida en agua. Se producen estas dispersiones por medio del proceso de polimerización por emulsión. La mayoría de los manufactureros especifican las propiedades de sus emulsiones las que ordinariamente incluyen: porcentaje de sólidos, viscosidad de la emulsión, pH, contenido de ácido, porcentaje de monómero sin reaccionar y densidad. Ocasionalmente se destacan otras propiedades como el tamaño de partícula, propiedades de la película del adhesivo tales como claridad, resistencia al agua y la grasa, y la tolerancia de la emulsión hacia productos químicos orgánicos o inorgánicos.

PROPIEDADES El grado de polimerización de acetato de polivinilo normalmente es de 100 a 5000. Los grupos éster del acetato de polivinilo son estables en sistemas neutros, pero son sensibles a los álcalis y poco a poco convertirán el PVAc en alcohol polivinílico y ácido acético.

El poli acetato de vinilo es demasiado blando y tiene una excesiva fluencia en frio debido a que su temperatura de transición vítrea es de 28°C, muy próxima a la temperatura ambiente. La densidad es de 1,19g/cm3 y su índice de refracción 1,47. Es atáctico y no cristaliza (amorfo). Los polímeros estereorregulares no se han ofrecido comercialmente. Es transparente si está libre de emulsificante. Su parámetro de solubilidad, d=19,4(MJ/m3)0,5; lo disuelven el benceno (d=18,8) y la acetona (20,4) Los polímeros de bajo peso molecular son frágiles, pero se hacen como goma cuando se mastican y de hecho se utilizan en las gomas de mascar.

APLICACIONES Y USOS Es usado generalmente para adhesivos de encuadernación, bolsas de papel, cartones para leche, sobres, cintas engomadas, calcomanías, etc. Existen grados alimenticios utilizados como aditivo para alimentos. También es materia prima para la producción de otros polímeros. Adhesivos: El poli acetato de vinilo es de uso extendido en adhesivos, tanto del tipo emulsión como del de fusión en caliente (hot melt) En emulsión acuosa, el PVAc se utiliza como adhesivo para materiales porosos, en especial para madera, papel y tela. Adhesivo para madera Recubrimiento y aglutinante: El homopolímero PVAc, pero sobre todo el copolímero, combinación de acetato de vinilo y etileno (etileno acetato de vinilo o VAE), se utiliza también en el recubrimiento de papel, pinturas y otros recubrimientos industriales, como aglutinante en telas no tejidas de fibra de vidrio, toallas sanitarias, papel de filtro y en acabado textil. También se utiliza como aditivo para el concreto. Una aplicación interesante es el uso de una emulsión de PVA para aumentar la adherencia entre el concreto viejo y el nuevo. Hay dos formas en que esto se puede hacer, ya sea cubriendo el concreto viejo antes de aplicar la mezcla de cemento, o la mezcla una proporción de la emulsión de PVA con la nueva mezcla. En alimentos: El PVAc también puede ser utilizado como recubrimiento para proteger el queso de los hongos y la humedad. Se usa como base de plástico neutro para la goma de mascar ya que es un sustituto barato de la savia gomosa natural del árbol Manilkara zapota. Goma de mascar

Industria farmacéutica El acetato de vinilo copolimerizado con vinilpirrolidona, poli(vinilpirrolidona-covinilacetato), también es utilizado como excipiente en algunos comprimidos. Comprimidos de Hidroxil (Excipientes: Copolímero polivinilpirrolidona-polivinil acetato 60/40) Base para otros polímeros El acetato de polivinilo es también la materia prima para hacer otros polímeros como: - Alcohol de polivinilo -[HOCHCH2]-: acetato de polivinilo es parcial o completamente hidrolizado para dar el alcohol polivinílico. El polivinil acetato parcialmente hidrolizado con NaOH y metanol da un copolímero de poli (alcohol vinílico-co-vinil acetato). Esta reacción se controla para dar un 20% de grupos acetato en el polímero. El poli (alcohol vinílico-co-vinil acetato) es utilizado en pinturas acrílicas para crear una suspensión de PMMA en agua puesto que presenta partes polares y no polares. A estas pinturas se las denomina pinturas al látex (pinturas en emulsión acuosa). - Copolímeros: El poli acetato de vinilo se copolimeriza frecuentemente con dimetil fumarato, vinil estereato, 2-etilhexil acrilato o etil acrilato, o se plastifica, para obtener composiciones más blandas para su uso en emulsiones. - Ftalato de acetato de polivinilo (PVAP): El acetato de polivinilo parcialmente hidrolizado y esterificado con ácido ftálico.

Referencias https://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012/02/el-poliacetato-de-vinilo-acetato-de.html Libro: Ciencia de los polímeros Autor: Fred W. Billmeyer pag.420

2. Metodología y desarrollo experimental 2.1 Materiales Los reactivos y compuestos químicos (o disolventes) que fueron utilizados en el proceso de síntesis del compuesto poli acetato de vinilo se enlistan en la Tabla 1. Los reactivos fueron utilizados sin previa purificación tal como se recibieron del proveedor.

Compuesto

Acetato de vinilo

Persulfato de sodio (KPS)

Formula

Función

Monómero

Iniciador

Propiedades físicas

Precauciones

 Apariencia: Liquido  Densidad: 0.791-0.792 g/cm3  Solubilidad en agua: Moderado 50-99%  Punto de ebullición: 65 °C

Toxicidad específica en determinados órganos  Exposición única categorías 1  Líquidos inflamables, categoría 2  Toxicidad aguda - Cutánea  Toxicidad aguda - Oral

 Apariencia: sólido (polvo cristalino)  Densidad:1.2 g/cm3 a 20°C  Solubilidad en agua: -555 g/L a 20°C  Punto de fusión: 148°C

 Puede agravar un incendio; comburente  Nocivo en caso de ingestión  Provoca irritación cutánea  Puede provocar una reacción alérgica en la piel  Provoca irritación ocular grave  Puede provocar síntomas de alergia o asma o dificultades respiratorias en caso de

inhalación  Puede irritar las vías respiratorias

Lauril sulfato de sodio (LSNa)

Bicarbonato de sodio (NaHCO3)

Agua destilada

Agente emulsificant e

 Apariencia: Polvo blanco  Densidad: No hay información disponible  Solubilidad en agua: si  Punto de fusión y ebullición: No hay información disponible

 Inhalación: el polvo puede irritar la nariz y la garganta  Ingestión: náuseas y vomito.  Piel: irritación  Ojos: irritación, posibles heridas permanentes.

Buffer

 Apariencia: Polvo blanco  Densidad:2.159 g/cm  Solubilidad en agua: Moderada 9.6 g/100 g a 20°C  Punto de fusión y ebullición: Comienza a perder CO2 a 50°C: 270°C y no hierve, se descompone

En general, las exposiciones a altas concentraciones por largo tiempo, pueden causar flujo nasal, ligero dolor de cabeza, nauseas. No se acumula en el cuerpo.

Solvente

 Apariencia: liquido incoloro  Densidad: 1 g/cm3  Solubilidad en agua: -- Punto de fusión y ebullición: 0 °C – 100 °C

Sustancia no peligrosa

2.2 Tabla de formulación Síntesis de un adhesivo de poli -acetato de vinilo ρ ( acetato de vinilo )=0.94 g /l

Preparar un lote de 350g de látex. Lote: 350g @15% Ts Compuesto Acetato de vinilo Persulfato de sodio (KPS)

Función Monómero

Pureza 100

Phr (%) -

Wt (g) 52

V (ml) 55

Iniciador

100

1

0.52

-

Lauril sulfato de sodio (LSNa)

Agente emulsificante

100

3

1.575

-

Bicarbonato de sodio (NaHCO3)

Buffer

100

1

0.52

-

Agua destilada

Solvente

100

-

295.39

295.39

2.3 Diagrama de bloques y metodología Acondicionamiento del reactor y preparación de reactivos.

I

II

III

Armar el equipo de acuerdo a la figura 1. Pesar en la balanza el NAHCO3, lauril sulfato de sodio y KPS. Medir volumetricamente los ml necesarios de agua destilda y el acetato de vinilo.

vertir la mitad del agua en el reactor y calentarla hasta 50°C en baño maria. Diluir en con el resto del agua lo pesado anteriormente. Cuando el reactor alcance la temperatura vertir las soluciones al reactor por el embudo evitando que se pegue en la paredes. Realizar lavados en los vasos de las solucones para aprovechar al maximo los reactivos.

Finalmente agregar el acetato nilico y comenzar el conteo de tiempo de reacción (2horas). Mantener una temperatura dentro del rango de (60°-70°)C y mantener la agitacion constante de 250 rpm

Purificación del polímero y caracterización de este:

IV

V

Una vez terminada la reacción, vertir el latex en unfrasco de 350ml. Medir el pH. Tomar 4 muestras en 4 charolas previamente pesadas.

Pesar las charolas con el latex para determinar la cantidad de latex en cada una de ellas. Meter las charolas a la estufa y esperar a que se seque.

VI

polímero. Obtener la tasa de solidos experimentales y la eificiencia de cada una de las charolas.

2.4 Reacción de polimerización La síntesis de polimerización del acetato de vinilo se llevó a cabo vía radicalar utilizando como iniciador persulfato de potasio.

Iniciación

Propagación Cabeza-- Cabeza

Cabeza--Cola

Terminación Combinación

Desproporción

3.Resultados Charola 1 2 3 4

Sn/ látex 0.31 0.34 0.40 0.32

Tabla de pesos de las muestras en gramos C/ látex En seco polímero látex 2.70 0.69 0.38 2.39 2.80 0.77 0.43 2.46 2.75 0.79 0.39 2.35 2.85 0.74 0.42 2.53

pH % Ts 15.89 17.47 16.59 16.6

%ƞ 105.93 116 110.6 110.6

4

Se obtuvo una emulsión de color blanco lechoso, la cual desprendía un olor a resistol 850, la emulsión cuando lo vertimos sobre el papel, para realizar la prueba de adhesión parecía que estaba muy diluido, pues no presentaba viscosidad. Pero al secarse, este resulto ser muy buen pegamento pues nos costó mucho trabajo despegar el papel. Se obtuvo una eficiencia alta ya que en la tasa de solidos es mayor al teórico (15%), esto puede ser ya que se pudieron solidificar los demás compuestos o quizás se cometieron errores al hacer la pesada.

4.1 Observaciones Durante esta experimentación pudimos observar que la temperatura es una de las condiciones de operación más importantes, pues esta nos puede afectar de manera directa en la reacción de polimerización ya que, por la temperatura podríamos tener perdida de iniciador, ya que la reacción es exotérmica y esta posee una temperatura mayor en el interior. Nosotros trabajamos con un termómetro que estaba en sistema inglés (°F), por lo cual estábamos al pendiente de las temperaturas las cuales no debía de rebasar (debía permanecer entre 140°F y 15°F). Teníamos espuma generada gracias al LSNa que era nuestro tenso activo para que se pudiera llevar a cabo la emulsión. Notamos como nuestra reacción tuvo una ligera expansión y esta comenzó a tomar un color blanco lechoso. Cuando termino la polimerización y desarmamos el sistema, ya no desprendía el aroma del monómero, sino ahora llegaba el olor característico del resistol 850. Finalmente obtuvimos un látex de color blanco lechoso y muy poco viscoso en comparación con el resistol 850. Una vez seco obtuvimos unas películas blancas-transparentes, el cual se pudo despegar con facilidad del aluminio.

4.2 Conclusiones El poli-vinil acetato es ampliamente utilizado en la forma de una dispersión de resina sólida en agua. Se producen estas dispersiones por medio del proceso de polimerización por emulsión. La polimerización en emulsión es un tipo de polimerización radical que generalmente comienza con una emulsión incorporando agua, monómero y un tensoactivo. La mayoría de los manufactureros especifican las propiedades de sus emulsiones las que ordinariamente incluyen: porcentaje de sólidos, viscosidad de la emulsión, pH, contenido de ácido, porcentaje de monómero sin reaccionar y densidad. Ocasionalmente se destacan otras propiedades como el tamaño de partícula, propiedades de la película del adhesivo tales como claridad, resistencia al agua y la grasa, y la tolerancia de la emulsión hacia productos químicos orgánicos o inorgánicos. Finalmente, en conclusión, podemos decir que obtuvimos un buen pegamento, ya que al realizar las pruebas de adición esta fue exitosa, porque las hojas pegaron tan bien que costaba trabajo separarlas pues se rompía el papel al jalarlo, en lugar de separarse. Se obtuvieron rendimientos mayores al 100% por lo solidos presentes en el látex ya que pudieron ocurrir algunos errores humanos al momento de pesar y por lo cual te siente un poco más del 15% en la tasa de sólidos, pero sin embargo este sirve a la perfección, pues se tienen las características requeridas como pegamento, demostrando así, que se llevó acabo de manera correcta la polimerización por emulsión....