PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ MAESTRÍA EN INGENIERÍA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES
INFORME DE LABORATORIO N°9 DE POLÍMEROS Elaboración de polivinil butiral (PVB)
Presentado por:
SUAREZ GAVIDIA, CARLOS RUBEN
20156471
TORRES ÑAÑA, PABLO CESAR
20163824
Profesor: Dr. Juan Carlos Rueda
Lima, octubre 2016
Elaboración del polivinil butiral (PVB)
1. OBJETIVOS -Sintetizar polivinil butiral (PVB) a partir del polivinil alcohol (PVA) -Estudiar la conversión de polímeros para la obtención de polímeros por métodos indirectos. -Observar y estudiar el proceso de precipitación del producto de reacción.
2. INTRODUCCIÓN El polivinil butiral (PVB) es un polímero importante sintetizado a partir partir de la reacción de polivinil + alcohol (PVA) y butiraldehido catalizada por H , es ampliamente utilizado en la óptica, sellos, y áreas de unión, de vidrio de seguridad laminado especialmente en automóviles y parabrisas, ya que su índice de refracción es muy cercana a la del vidrio así c omo su buena flexibilidad, su baja temperatura de transición vítrea, su fuerte adhesión, y excelentes propiedades mecánico.[1] En los últimos años, las aplicaciones de PVB en las áreas de encapsulación de células fotovoltaicas, preparación de membranas de ultrafiltración , trasporte y liberación de medicamentos han impulsado la síntesis de productos de PVB con alta pureza y bajo costo. La ruta más comúnmente utilizada para sintetizar PVB es la que se trabajara en el laboratorio de hoy donde El polivinil alcohol previamente disuelto en agua se utiliza como material de partida, el segundo reactivo butiraldehido, que tiene una solubilidad de 7,1 g / 100 g (25 ° C) en agua, es protonado rápidamente por un ácido. A continuación, el butiraldehido protonada reacciona con el grupo hidroxilo en la cadena de polímero para formar una hemibutiral. El hemibutiral rápidamente pierde una molécula de agua, y el grupo butiral se genera con la liberación de un protón, debemos señalar que todas las reacciones en el proceso son reversibles [2].
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PARTE TEÓRICA
Polivinil butiral PVB es un material que se utiliza como capa c apa intermedia en protección de vidrios desde finales de 1930. Es un producto con más de 70 año de edad, actualmente es fabricado y comercializado por varias empresas en todo el mundo. Se sintetiza por la reacción del alcohol polivinílico con butiraldehído. El PVB puede ser producida por un proceso solvente o en un proceso acuoso. En el proceso solvente el polivinilacetato es saponificado por transesterificación en presencia de etanol y un catalizador ácido mineral para producir alcohol de polivinilo. El etanol y el acetato de etilo se separan del alcohol de polivinilo precipitado por centrifugación. En una unidad de operación separada, el alcohol polivinílico es acetalizado después de ser lavado con etanol y calentado con butiraldehído y el catalizador ácido. En la terminación de la reacción de 1
acetalización tanto en el proceso en solvente y acuosa, se neutraliza el catalizador ácido. En ambos procesos, tanto acuosos como solvente, el PVB es separada, lavada y secada. Entre sus propiedades cuando se utilizan en el laminado de vidrios, el polivinil butiral exhibe alta adherencia, claridad óptica, estabilidad a la luz solar, y alta resistencia al desgarro y buenas propiedades de absorción de impacto [3]. Su función principal es absorber la energía, como la causada por un golpe de un objeto, sin permitir la penetración a través de la apertura o la dispersión de fragmentos de vidrio, minimizando así los daños o lesiones a los objetos o personas dentro de un área cerrada. Se adhiere a los fragmentos de vidrio después de que el vidrio se ha roto con el impacto, también proporciona otros efectos beneficiosos, como por ejemplo atenuar ruido, reducir la transmisión de luz UV o IR, I R, mejorar el aspecto y estética de las aberturas de la ventana. El PVB es superior sobre los polímeros del acetal de vinilo de formaldehído y acetaldehído, Propionaldehído que también se utilizan para vidrio laminado de seguridad debido a sus mejores características de temperatura fría. Como ya vimos el PVB se utiliza comúnmente en la fabricación de capas de polímero que pueden utilizarse como separadores de luz que transmiten los laminados tales como vidrio de seguridad o laminados poliméricos. Para la gafa de seguridad laminada, la fuerza de adherencia entre el vidrio y la capa intermediaria es controlado cuidadosamente con aditivos generalmente sales, para lograr el equilibrio adecuado [4].
MATERIALES Y EQUIPOS
Materiales. Polímero: reactivos:
Polivinil alcohol (PVA) H2SO4 (CC), H20, butiraldehido, H2SO4 (50%).
Equipos. Balón de vidrio, embudo, papel filtro, plancha de calentamiento, agitador magnético, vasos de precipitados, balanza electrónica, pipeta Pasteur. 4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En la presente práctica de laboratorio, se elaborará un sistema con las cantidades que se muestran en la tabla N° 1.
Componentes PVA (g) H2SO4 (cc) (g) Agua (ml) Butiraldehido (g) H2SO4 (50%) (g)
Sistema 5.075 0.303 50 3.3 1.006
Tabla N°1: cantidades utilizadas en el sistema
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Paso 1.- Disolución 1.- Disolución de PVA en agua. Utilizando los guantes y lentes de protección, se procede a pesar 5,075 g de PVA, se pasa a un balón con 50 ml de agua y en un baño de silicona se procede a calentar a 75 °C hasta que el PVA se disuelva. (Figura 1).
Figura N°1. Disolución del PVA en agua. Nota. Debemos Nota. Debemos señalar que la temperatura del baño de silicona debe ser estar entre 7 5 a 80 °C para que el sistema este a una temperatura de 65 °C.
Paso 2.- Adición 2.- Adición del H2SO4 (CC) en la solución de PVA Se procede agregar lentamente el H 2SO4 (CC) a la solución de PVA para que este se pueda esparcir en todo el sistema.
Paso 3.- Adición 3.- Adición del butiraldehido en la solución de PVA. Una vez que se añadió el H 2SO4 (CC) en la solución de PVA, procede añadir gota a gota con la ayuda de una pipeta pasteur el butiraldehido a la solución bajo agitación constante. (Figura 2)
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Figura N°2. Adición del butiraldehido al sistema. Paso 4.- Adición 4.- Adición del H2SO4 (50%) al sistema Se procede agregar lentamente el H 2SO4 (50%) al sistema para aumentar el rendimiento de la reacción, terminada la reacción se verá cómo se comienza a formar un gran precipitado en el balón. (figura 3) Paso 5.- Filtración 5.- Filtración y lavado del polivinilo butiral (PVB) Una vez que termino la reacción se procede a filtrar la solución y lavar repetidas veces con agua destilada hasta que el pH de la solución este entre 6 -7 (pH del agua destilada).
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Figura N°3. Filtración del polivinil butiral 5. OBSERVACIONES -
Se vio que conforme se disolvía el polivinilalcohol en el sistema, la viscosidad de la solución aumentaba rápidamente haciendo que la disolución fuera lenta.
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Se puede observar que luego de unos minutos después de terminar de añadir el ácido sulfúrico al 50%, se comienza a formar espontáneamente un gran precipitado en el sistema (Figura 4).
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Figura N°4. Precipitado de PVB.
6. RESULTADOS En la siguiente tabla se muestran los valores de rendimiento de la reacción tanto del rendimiento en peso como el rendimiento de conversión, los cálculos realizados serán mostrados más adelante.
PVB W teórico (g) W real (g) Rendimiento en peso (%) Rendimiento de conversión (%)
7.53 8.068 93 82.46
Tabla N°2: resultados de la polimerización.
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES -
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Se observó el proceso de solubilizacion del PVA fue lento a pesar de que este polímero es hidrofilico, esto debido al gran tamaño de las cadenas poliméricas por lo que para poder disolver esta alta cantidad de PVA las cadenas deben vencer los enmarañamientos a los que se encuentran sometidos. Como se aprecia en la figura 4 el producto forma un gran precipitado debido a que el PVB es un un polímero hidrofóbico ya que sus unidades presentan grupos apolares, que repelen a las moléculas de agua. 6
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Como vimos en el procedimiento es necesario agregar dos veces H 2SO4 para aumentar el rendimiento de la reacción, pero en la segunda vez que se agrega el H2SO4 este debe estar al 50 %, puesto que H 2SO4 CC podría quemar el PVB que se comenzó a formar, quiere decir podría alterar la naturaleza del polímero formado debido a su fuerte acidez si es que el H 2SO4 entrara en contacto directo con el PVB que se va formando. Como se puede ver en la Tabla 2 se muestran dos rendimientos uno el rendimiento en peso y el otro el rendimiento de conversión, el rendimiento en peso es un valor muy simple puesto que solo nos muestra una comparación del peso esperado de producto contra el peso obtenido de producto, mientras que con el rendimiento de conversión se puede saber cuál es porcentaje de unidades de polivinil alcohol que se convierten en polivinil butiral. En este caso si bien el rendimiento en peso nos puede hacer creer que el rendimiento de ah sido alto (93%) al observar el valor del rendimiento de conversión vemos que solo el 82.46% del polivinil alcohol se ha convertido en polivinil butiral mientras el restante 17.54 % se mantuvo como polivinil alcohol. Esta diferencia se debe a que rendimiento en peso toma en cuenta el peso de las unidades de polivinil alcohol remanente lo que incrementa el valor del porcentaje, mientras que para los cálculos para obtener el rendimiento de conversión diferencia entre las unidades de polivinil alcohol remante y polivinil butiral ya que para hallar este valor se trabaja con los grados de polimerización y no con pesos. Los cálculos realizados que se muestran más adelante en el cuestionario nos dan una idea más clara de estas diferencias. Debido a la naturaleza estadística de la reacción es muy difícil obtener altos rendimientos de conversión en esta reacción. PVB con alto contenido de grupos butiral (en fracción de masa), también conocido como el grado de acetalización (AD), es por lo general menos de 70% (En producción industrial), sin un control estricto, teóricamente la conversión completa del grupo hidroxilo al grupo butiral es imposible, esto es debido a que cada molécula de butiraldehido debe ser conectada a dos grupos hidroxilo en el extremo. Sin embargo, cuando un hemibutiral se forma al principio, la distribución es decidido por la distribución de la concentración del butiraldehido, es decir,la agitación y también la aleatoriedad de la reacción juegan un papel importante. En otras palabras, incluso si la mezcla es ideal, el contenido máximo del grupo butiral se limita a una estadística máximo, alrededor del 85%. Para que el PVB sea aplicado en laminados de vidrio de seguridad, el contenido de grupos butiral tiene que llegar a 78%, lo cual es una valor difícil de obtener industrialmente debido a las grandes cantidades con las que se debe trabajar, a nivel de laboratorio como en nuestro caso se puede obtener valor alto comparado con el grado industrial siendo el porcentaje obtenido en este laboratorio de 82.46 % esto debido a que se trabaja con cantidades minimas por lo que se puede tener un mayor control sobre la temperatura y agitación en el sistema.
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CUESTIONARIO a) ¿Cuál es el mecanismo mecanismo de reacción de formación del polivinilbutiral?
Esquema 1. Protonación del butiraldehido por el ácido sulfúrico.
Esquema 2. Formación del primer grupo acetal en la cadena polimérica. 8
Esquema 3. Continuación de la formación de los grupos acetales en la cadena polimérica. 9
b) ¿Cuál es el rendimiento obtenido? realice los cálculos estequiometricos de esta síntesis.
Esquema 4. Reacción general para la obtención del polivinil butiral 1. Hallando los moles del butiraldehido
g peso peso mol molec ecul ular ar = 72 mol
n° de mole moless = peso peso molecular n° de mole moless = 3.3 gg 72 mol n° de mole moless = 0.0458 0.0458 moles moles 2. Hallando los moles de polivinil alcohol
n° de mole moless = peso peso molecular n° de mole moless = 5.075gg 72000 mol n° de mole moless = 6.94 94 × 10− moles 3. Hallando el grado de polimerización (n) del polivinil alcohol Sabiendo que el peso de la unidad repetitiva es de: 44 g / mol
molecular del acetato de polivinilo n = peso peso molecular de unidad repetitiva g 72000 mol n= g 44 mol n = 1636 636.36 .36
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4. Hallando el peso teórico del polivinil butiral Como vemos en el esquema 1 de acuerdo al n° de moles, el reactivo limitante en esta reacción es el polivinil alcohol. De acuerdo a la ecuación química (esquema 4) el número moles de producto debe ser el mismo que los del producto, en este caso deberá ser 6.94 x 10 -5 moles.
teorico n° de moles = n/2 peso × peso de la unidad repetitiva repetitiva 6.94 ×10− mol moles es =
peso teorico g (1636.36/2)×44 mol
peso teorico = 8.068 068 g 5. Hallando el rendimiento en peso
×100% % = 7.53 ×100% % = 8.068 % =93% 6. Hallando el grado de polimerización de las unidades polivinilbutiral y las unidades de polivinil alcohol
Esquema 5. Reacción para la obtención del polivinil alcohol con un rendimiento de conversión diferente al 100%. En el esquema 5 vemos la reacción general donde el producto obtenido no se llega a convertir en su totalidad en polivinil butiral, manteniendo cierto porcentaje de unidades de polivinil alcohol donde el grado de polimerización n = a + b del esquema 5, ya que por cada dos unidades de vinilalcohol se forma una unidad de vinilbutiral para facilidad en los cálculos el grado de polimerización del producto de las unidades de butiral se pondrá como b/2.
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° =
7.53 ( (×44) ×44) + 2 × 142 )/ )/ (44+71) 44+71) = 7.53 6.94×10− 44 + 71 = 108432
6.94×10−=
Además podemos ver 108432 g/mol es el peso molecular del PVB sintetizado.
(+=1636.36) +=1636.36) ×44 → 44+44=72000 44+71=108432 44 + 44 = 72000 27 = 3643 6432 = 1349. 349.3 ; = 674. 674.7 =287 ; 2 = 818. 818.18 18
(-)
7. Hallando el porcentaje de unidades de polivinil alcohol que se s e convierten en polivinil butiral
b/2 ×100% % rendimiento rendimiento de conversi conversión ón = n/2 674.7 ×100% % rendimiento rendimiento de convers conversión ión = 818.18 % rendimi rendimient entoo de convers conversión ión = 82.46 82.46 % c) ¿Cuál es el uso más difundido del polivinilbutiral? Una de las aplicaciones más difundindas del polivinilbutiral es para el laminado de vidrios. El vidrio laminado es un acristalamiento de seguridad compuesto por dos o más vidrios unidos por medio de una o varias láminas de polivinil butiral (PVB), material polimerico de muy buenas cualidades de elasticidad, transparencia y resistencia. El PVB present una a perfecta adherencia vidrio-butiral el cual se obtiene mediante un tratamiento térmico y de presión. La tendencia en arquitectura e ingeniería nos ha llevado hacia un mayor eso de vidrio en edificaciones. Por lo que se requiere de vidrio laminado, el cual esta formadocomo un sándwich de dos o más hojas de vidrio y una capa intermedia de plástico (Figura 5). El vidrio laminado puede ser utilizado por ejemplo en escaleras, suelos, techos, fachadas y balcones, barandillas y más comúnmente en las ventanas de los carros.Normalmente la capa intermedia es un polímero blando como el polivinil butiral (PVB), acetato acetato de acetato de vinilo
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(EVA) y/o SentryGlas® (SGP) de la compañía compañía DuPont. cuando la capa de vidrio se rompe esta se hace añicos y es la capa intermedia de plástico que mantiene los trozos de vidrio en su lugar. Esto reduce el riesgo de cortes causados por astillas. El PVB es la capa intermedia más comúnmente utilizada en vidrios laminados y con los años muchas nuevas variedades de PVB se han desarrollado. trabajos anteriores sobre las propiedades mecánicas de la capa intermedia se han centrado principalmente en estándares de PVB. Una investigación más reciente se ha hecho en el PPD y los resultados han sido comparados con PVB. El vidrio es un material complejo, y así es el comportamiento del material viscoelástico PVB por ello es que actualmente sigue siendo el material más utilizado uti lizado para el laminado de vidrios [5].
Figura N°5. Laminado de vidrio con capa polimérica de PVB.
Referencias
1. Mark, H. F. (2013). Encyclopedia of polymer science and technology, concise . John Wiley & Sons. 2. Lin, X. Y., Wang, K., Zhang, J. S., & Luo, G. S. (2015). Process Intensification of the Synthesis of Poly (vinyl butyral) Using a Microstructured Chemical System. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(14), 3582-3588.
3. Faries, R. H. (Sept.1993) Chemtech 23, p 38. 4. Teotia, M., & Soni, R. K. Polymer Interlayers for Glass Lamination-A Review. 5. Fors, C. (2014). Mechanical Properties of Interlayers in Laminated Glass-Experimental and Numerical Evaluation. TVSM.
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