聚
乙烯吡咯(Polyvinyl pyrrolidone),简称PVP,是一种非离子型的绿色
高分子材料,是乙烯吡咯烷酮的聚合体,
化学分子式为(C6H9NO)n。PVP在一般情况下为白色、乳白色或者略带黄色的固体粉末,无臭、无味、易吸湿,在水、乙醇、氯仿、
2-丙醇中溶解,但不溶于
丙酮及乙醚,具有
化学性质稳定、溶解性好和毒性低等特点。
聚乙烯吡咯烷酮是N-
乙烯基酰胺类聚合物中最具特色,且被研究得最深、广泛的
精细化学品品种,按其平均分子量大小分为四级,常以K值表示,K值越大,其粘度越大,粘接性越强。目前已发展成为非离子、
阳离子、
阴离子3大类,工业级、医药级、食品级3种规格,相对分子质量从数千至一百万以上的
均聚物、
共聚物和交联聚合物系列产品。PVP以其优异独特的性能获得广泛应用,可用作药物
赋形剂、血液
相容剂、化妆品
增稠剂、
胶乳稳定剂等,不溶性PVP还是啤酒、
果汁饮料的稳定剂,可改善其透明度、色泽和味道。
由于PVP在人体内有积蓄作用,
世界卫生组织对此物质不予建议采用。2017年10月27日,世界卫生组织
国际癌症研究机构公布了致癌物清单初步整理,聚乙烯吡咯烷酮在三类致癌物清单中。
分子量
PVP按其平均分子量大小分为四级,习惯上常以K值表示,不同的K值分别代表相应的PVP平均分子量范围。K值实际上是与PVP
水溶液的相对粘度有关的特征值,而粘度又是与
均聚物分子量有关的
物理量,因此可以用K值来
表征PVP的平均分子量。通常K值越大,其粘度越大,粘接性越强。
以下是具体信息:
理化性质
密度:1.144g/cm
闪点:93.9°C
平均分子量:8000-700000
稳定性:常温常压下稳定
溶解性:极易溶于水及含
卤代烃类
溶剂、醇类、胺类、硝基
烷烃及低分子
脂肪酸等,不溶于
丙酮、
乙醚、
松节水、
脂肪烃和
脂环烃等少数溶剂。能与多数
无机酸盐、多种
没药树相容。
性状:具有
亲水性易流动白色或近乎白色的粉末,有微臭。
纯的
乙烯基吡咯烷酮的交联
均聚物。具有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)相厉的与多种物质(如导致
葡萄酒等饮料变色的各种醐类)络合的能力。并因其不溶性而易于过滤后除去。
制备
PVP是以
单体乙烯基吡咯烷酮(NVP)为原料,通过本体聚合、溶液聚合等方法得到。在本体聚合制备过程中,由于存在反应体系粘度大,聚合物不容易扩散,聚合反应热不容易移走导致局部
过热等问题,因此得到的产品分子量低,残留单体的含量高,而且多呈黄色,没有太大实用价值。工业上一般都采用溶液聚合法合成PVP。 PVP生产聚合有二条主要路线,第一是N-2-吡咯烷酮(NVP)在有机
溶剂中进行溶液聚合,然后进行蒸汽汽提。第二条路线为NVP
单体与水溶性
阳离子、
阴离子或非离子单体进行
水溶液聚合。
将NVP单体直接加热到140℃以上,或者在NVP溶液中加入
引发剂加热,或者在NVP的溶液中(溶剂可以是水、
乙醇、苯等)加入引发剂通过
自由基溶液聚合,或者直接用光照射NVP单体或其溶液都可以得到PVP
均聚物,聚合方法不同,得到的聚合物结构和性能都有所不同,其中自由基溶液聚合得到的聚合物组成、结构较均匀。性能也比较稳定,是NVP均聚最常用的方法,调节
单体浓度、聚合温度、引发剂用量等反应条件即可以得到不同分子量和不同水溶性的PVP均聚物。
工艺一:将NVP配置成质量分数为50%的溶液,用少量
过氧化氢作为
催化剂,在
偶氮二异丁腈作用下,于50℃下引发聚合,使NVP几乎全部转化成PVP。再向聚合物中加
氨水,使残存的偶氮二异丁分解,单体聚合转化率近100%,固含量50%。
工艺二:在250 mL四口
烧瓶中加入0.4 g
分散剂P(NVP-co-VAc)和80 g分散介质
乙酸乙酯,70℃恒温水浴搅拌溶解后,加入20 g
单体NVP和0.15 g
引发剂AIBN,
氮气氛围下反应6 h,冷却并过滤,不溶物置于
真空干燥箱内真空干燥24h,得白色PVP固体粉末。
PVP的聚合中绝大多数使用AIBN做引发剂,未见有用水溶性偶氮类引发剂进行引发合成PVP的文献,但有人正在做这一方面的工作。由于NVP单体与PVP均是溶于水的,完全可以使用水溶性的偶氮类引发剂引发聚合生成线性PVP
有机高分子化合物,况且AIBN含有对人体有害的
基团氰基,而水溶性偶氮类引发剂大多不含基,PVP又是大多用于与人体直接接触的产品,所以
水溶性偶氮引发剂比AIBN更有优势。
应用
PVP作为一种合成水溶性高分子化合物,具有水溶性高分子化合物的一般性质,
胶体保护作用、成膜性、粘结性、吸湿性、增溶或凝聚作用,但其最具特色,因而受到人们重视的是其优异的溶解性能及生理相容性。在
合成高分子中像PVP这样既溶于水,又溶于大部分有机
溶剂、毒性很低、生理相溶性好的并不多见,特别是在医药、食品、化妆品这些与人们健康密切相关的领域中,随着其原料丁内价格的降低,必将展示其发展的良好前景。以下是其应用领域的具体介绍:
医药卫生
PVP有优良的生理惰性,不参与人体
新陈代谢,又具有优良的生物相容性,对皮肤、粘膜、眼等不形成任何刺激。医药级PVP为国际倡导的三大药用新辅料之一,可用做片剂、颗粒剂的
粘结剂、注射剂的
助溶剂、胶囊的助流剂;眼药的去毒剂,延效剂,
润滑剂和
包衣成膜剂,液体制剂的
分散剂和酶及热敏药物的
稳定剂,还可用做低温保存剂。用于隐形眼镜、可增加其
亲水性和润滑性。PVP K30已获得国家医药管理部门的批准正式上市。公司同时供应带批准文号的聚维酮K30。
从生物学的观点来看,PVP的
分子结构特色类似于用简单的
蛋白质模型的那种结构,甚至于它的水溶性对某些
小分子的配合能力以及能够被某些蛋白质的
沉淀剂硫酸铵、
三氯乙酸、
单宁和酚类所沉淀等特性也和蛋白质相溶。以致于使PVP被广泛地用作
药物制剂专业的辅料,具体应用如下:①用作制剂的
粘结剂②共沉淀剂③作为注射液中的
助溶剂或结晶生成阻止剂④
包衣或成膜剂⑤延缓剂、缓释剂药物的可控释放可延长药物的作用时间⑥人工
玻璃体和角膜⑦外科包扎带⑧PVP碘
化学消毒剂。另外,PVP还可以作为
着色剂和X光造影剂;可用于片剂、颗粒剂、水剂等多种剂型药物,具有解毒、止血、提高溶解浓度、防止
腹膜粘连、促进血沉等作用。
食品加工
PVP本身不会致癌,有良好的食物安全性,能与特定
多酚化合物(如
单宁)形成
配位化合物,在食品加工方面主要作为啤酒、
果汁饮料、
葡萄酒等食品澄清剂和
稳定剂。PVP能与特定多酚化合物(如单宁)形成络合物,使其在
低热量天然果汁饮料中起到澄清作用和防凝作用。如Buschke H等人在
发酵罐中添加0. 01% ~0.02%可溶性PVP,可有效降低其凝固点。在酒和醋等的生产过程中使用PVP也能起到同样作用。交联PVP在啤酒和
茶饮料中的应用尤为广泛,啤酒中的多酚类物质能与啤酒中的
蛋白质结合,生成
单宁大分子复合物,会严重影响啤酒的风味,并缩短其
保质期。而
交联聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)能够与啤酒中的单宁酸和花色络合,从而使啤酒澄清,且提高啤酒的储存稳定,延长保质期。在茶饮料中,使用PVPP可适当降低
茶多酚的含量,且PVPP不残留在茶饮料中,可重复使用,大大
降低成本。
日用化妆品
在PVP的消费结构中,
发达国家的化妆品工业占30%~50%,我国占70%~80%。由于PVP具有极低的毒性和生理惰性,它对皮肤、眼睛无刺激,在医药领域中有长期使用的记录,所以用于化妆品等很安全。在日用化妆品中,PVP及
共聚物具有良好分散性及成膜性,PVP在乳液中有保护
胶体的作用,可用于脂肪性和非脂肪性膏体中,用作定型液、喷发胶及摩丝的定型剂、护发剂的遮光剂、香波的
泡沫稳定剂、波浪定型剂及染发剂中的
分散剂和亲合剂。在
雪花膏、防晒霜、
脱毛剂中添加PVP,可增强湿润和润滑效果。
洗涤剂
PVP具有抗污垢再沉淀性能,可用于配制透明液体或重污垢洗涤剂,在洗涤剂中添加PVP有很好的防转色效果,而且可以增强净洗能力,洗涤织物时可防止合成洗涤剂对皮肤的刺激,尤其对
合成纤维,此性能比
羧甲基纤维素钠(CMC)类洗涤剂更为突出。PVP可与
硼砂复配,作为含酚消毒清洁剂配方中的
有效成分。PVP与
过氧化氢固体复配的洗涤剂中,具有漂白、杀灭病菌的作用。
纺织印染
PVP与许多有机
染料有很好的亲和力,它可以与
聚丙烯腈、酯、
尼龙和纤维性材料等
疏水性合成纤维结合,提高染色力和
亲水性。Kirsh Y E等人报告了PVP和尼龙接枝共聚后,生产的织物改善了抗湿皱性能和防潮性。
涂料和颜料
用PVP包覆的油漆、涂料成膜透明而不影响本色,改善涂料和颜料的光泽和分散性,提高热稳定性并能改善
彩釉玻璃和墨水的分散性等。
高分子表面活性剂
聚乙烯基吡咯烷酮作为高分子表面活性剂,在不同的分散体系中,可作为
分散剂、
乳化剂、
增稠剂、流平剂、粒度调节剂、抗再
沉淀剂、凝聚剂、
助溶剂和
洗洁精。
催化剂制备
作为活性剂稳定胶粒,用于核壳催化剂的制备过程。
其它方面
PVP可作为三次采油的胶凝剂,提高油田的采油率。作为感光材料的助剂有助于降低
天然橡胶度和增强显影图像的覆盖能力。在高分子聚合过程中作为增稠剂、分散
稳定剂和粘结调节剂等。在
造纸行业作为分散剂,在丙烯胺气化反应中作为
助催化剂。PVP在分离膜、光固化树脂、
激光视盘、减阻涂料、建材、炼钢和
电镀等领域的应用也在兴起。