如何选择聚乙烯醇规格及影响其溶解性的因素分析

1. 化学结构和制备

聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）是一种水溶性聚合物，是由聚醋酸乙烯（Polyvinyl Acetate，PVAc）醇解而成的，碱催化醇解反应式如下（而并非由乙烯醇单体聚合而成的，因为乙烯醇极不稳定，不存在乙烯醇单体）。

以碱催化的聚醋酸乙烯的醇解产物更加稳定，易纯化，色泽好；在甲醇、苯、丙酮和醋酸乙酯等溶剂中会发生聚合，以醇为溶剂时，可以在聚合完成后直接醇解，若醇中含水，则醇解中会生成大量醋酸盐，需进行纯化。药用聚乙烯醇分子量为3×104～2×105，聚合度为500～5 000，国外市场有低黏度（分子量为3×104）、中黏度（分子量为1.3×105）和高黏度（分子量为2×105）的不同产品。醇解度是指聚醋酸乙烯醇解百分率。美国药典规定药用聚乙烯醇的醇解度为85％～89％。我国北京有机化工厂生产的药用级聚乙烯醇型号为PVA04-88，市售工业规格分别表示为PVA05-88和PVA17-88，前一组数字乘以100为聚合度，后一组数字为醇解度。各国生产的聚乙烯醇规格较多，表示方法也各不相同。

2.性质

聚乙烯醇是白色至乳白色、无臭的颗粒或粉末，25℃时的相对密度为1.19～1.31，理化性质与其醇解度、聚合度以及结构中的羟基有关。

（1）溶解性。聚乙烯醇的亲水性极强，溶于热水或冷水中，分子量越大，结晶性越强，水溶性越差，水溶液的黏度相应增加。醇解度是影响聚乙烯醇溶解性的主要因素。水溶性最好的产品醇解度为87％～89％，在冷水和热水中均很快溶解。醇解度更高的产品，一般需要加热到60～70℃才能溶解，醇解度越高，溶解温度越高。醇解度在75％～80％的产品只溶于冷水，不溶于热水，随着醇解度进一步下降，分子中乙酰基含量增大，水溶性下降，醇解度在50％以下的产品则不溶于水。聚乙烯醇在酯、醚、酮、烃和高级醇中微溶或不溶，醇解度低的产品在有机溶剂中的溶解度增加，在乙二醇、三乙醇胺、二甲基亚砜和分子量较小的聚乙二醇等低级醇和多元醇中加热能够溶解。例如，聚乙烯醇在120～150℃溶于甘油，冷却后即成冻胶。

聚乙烯醇溶于水和乙醇的混合溶剂，允许加入的醇量与醇解度有关。水溶解时，先将产品混悬于温水中，再在85～95℃时搅拌使其全部溶解。如图5.2.1所示，对于醇解度低者，需加入较多的乙醇助溶；醇解度88％以上的聚乙烯醇，溶剂最大含醇质量浓度约为0.4～0.6kg/L，含醇量继续增加则会转为不溶。

图5.2.1 聚乙烯醇在乙醇-水混合溶剂中的溶解度

（2）水溶液性质及其混溶性。聚乙烯醇水溶液与大多数聚合物溶液相似，为非牛顿流体，黏度随聚乙烯醇浓度增加而急剧上升，温度升高则黏度下降。在低水溶液浓度（＜0.5％）以及低剪切速率下（＜400s﹣1）测得聚乙烯醇的特性黏数[η]与其分子量（Mn）的关系如下：

浓度为7％～20％的聚乙烯醇溶液，在30℃以下储放黏度会逐渐升高，并且当温度越低，浓度和醇解度越高时，这种变化越明显。聚乙烯醇水溶液具有一定的比表面活性作用。醇解度低，残存酯基多，表面张力则越低，乳化能力越强（见图5.2.2）。

聚乙烯醇具有良好的成膜性。用10％～30％聚乙烯醇水溶液涂布在光洁平板上，待水分蒸发后即得具有优良力学性能的无色透明薄膜，膜的柔性、韧性及保湿性可通过加入甘油和多元醇等增塑剂来改善。聚乙烯醇水溶液可与多种水溶性聚合物混合，但与西黄蓍胶、阿拉伯胶和海藻酸钠等混合后，可能因配比不当而出现分层。聚乙烯醇可与大多数无机酸混合，但与多数无机盐有配伍禁忌，低浓度氢氧化钠、碳酸钙、硫酸钠和硫酸钾等可使聚乙烯醇从溶液中析出。各种盐使聚乙烯醇析出的能力依次为：

图5.2.2 各种PVA溶液的表面张力(www.xing528.com)

阴离子：SO42﹣＞CO32﹣＞PO43﹣≥Cl﹣、NO3﹣

阳离子：K﹢＞Na﹢＞NH4﹢≥Li﹢

聚乙烯醇水溶液与硼砂或硼酸水溶液混合时发生不可逆的凝胶化现象，形成水不溶性络合物。醇解度越大，凝胶化需要的硼砂或硼酸用量越大。重铬酸盐、高锰酸钾以及二醛、二酚、二甲基脲等多价金属盐均可使聚乙烯醇水溶液转变成不溶性凝胶。在低温（＜﹣20℃）反复冷冻高聚合度聚乙烯醇水溶液，亦可使之形成物理交联的不溶性凝胶。

（3）黏度。20℃时，4％的聚乙烯醇水溶液的黏度分别为40～65mPa·s（高黏度）， 21～33mPa·s（中黏度），4～7mPa·s（低黏度）。

（4）化学性质。聚乙烯醇是结晶性聚合物，玻璃化转变温度约85℃，在100℃开始缓慢脱水，180～190℃熔融。在干燥及高温脱水的条件下，会发生分子内和分子间醚化反应，同时伴有结晶度增加、水溶性下降以及色泽变化。聚乙烯醇的羟基可以发生醚化、酯化和缩醛化等化学反应，由于其化学结构为在交替相隔碳原子上带有羟基的多元醇，故它与环氧乙烷、丙烯、各种无机酸和有机酸等均可反应制得水溶性大分子醚或酯，也可与各种饱和或不饱和醛反应，大多形成不溶性交联聚合物。

3.应用

聚乙烯醇是良好的成膜和凝胶材料，广泛用于凝胶剂、透皮制剂、涂膜剂和膜剂中。聚乙烯醇具有优良的水溶性，可使杀精剂迅速分散，因此常用作外用避孕凝胶剂或膜剂的主要材料；聚乙烯醇用于经皮给药系统时可促进药物透皮作用，提高疗效；制备成水凝胶压敏胶，水凝胶基质可增加皮肤角质层的水合程度，使药物易于释放并与皮肤或病灶紧密接触。

聚乙烯醇是较理想的助悬剂和增黏剂，最大用量为10％。在各种眼用制剂中都有应用，如人工泪液、滴眼液和隐形眼镜保养液等产品中，常用浓度为0.25％～3.0％，具润滑剂和保护剂作用，可显著延长药物与眼组织的接触时间。在糊剂、软膏以及面霜、面膜和发型胶等众多化妆品中，聚乙烯醇具有增稠、增黏及在皮肤和毛发表面成膜等作用，常用浓度为2.5％，最大用量为7％。与表面活性剂合用时，聚乙烯醇还具辅助增溶、乳化及稳定作用，常用量为0.5％～1％。

近年来，已有聚乙烯醇作为片剂黏合剂用于口服给药系统的报道；用于缓释控释骨架材料、经皮吸收制剂和口腔用膜剂等。此外亦有研究报道称，利用热、反复冷冻以及醛化等交联手段制备不溶性药膜而达到缓释目的。聚乙烯醇酞酸酯（PVAP）是PVA的衍生物，其制法是通过PVA与醋酸和酞酸酐反应，PVAP目前已成为美国NF的收载品种，规定其酞酰基总含量为55％～62％，不易水解，含水限量为5％。

4.安全性

聚乙烯醇是一种安全的外用辅料，对眼和皮肤无毒、无刺激性。口服聚乙烯醇在胃肠道吸收甚少，长期口服未见肝、肾损害，大鼠口服LD50＞20g/kg，但大鼠皮下注射5％聚乙烯醇水溶液后，引起器官和组织的浸润及贫血。某些规格的聚乙烯醇还会引起高血压和其他病变。美国食品药品管理局（FDA）已批准聚乙烯醇作为口服片剂、局部外用制剂、经皮给药制剂及阴道制剂的辅料。