聚乙二醇脂肪酸酯基表面活性剂的制备及性能研究

摘要

聚乙二醇脂肪酸酯基表面活性剂具有高乳化性、润湿性和增溶性等特点,可以替代脂肪醇聚氧乙烯醚,广泛用于日用化工、食品、农药、纺织、金属加工等领域,是一种性能优良的绿色非离子表面活性剂。由于油脂化学品具有天然性、资源可再生、易生物降解、环境适应性好等优点。所以,油脂精细化工产品的开发与利用具有深远的经济效益和社会效益。
　　 本文以菜籽油与甲醇醇解所得的脂肪酸甲酯为主要原料,通过酯交换反应制备了聚乙二醇脂肪酸酯表面活性剂,探讨了用于酯交换反应的新型固体超强酸催化剂的制备工艺、反应条件对酯交换反应的影响。之后,将所得聚乙二醇脂肪酸酯与马来酸酐进一步酯化得到聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸单酯,同样对影响酯化反应的因素进行了考察。最后,以亚硫酸钠为磺化剂制得阴离子表面活性剂聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸单酯二钠盐,具体过程如下:
　　 采用沉淀-浸渍法制备了新型固体超强酸催化剂SO42-/ZrO2-凹凸棒,最佳制备条件为:以ZrO2掺杂的凹凸棒石(以50 mgZrO2/g凹凸棒的比例)为基体,用2 mol/L硫酸水溶液浸渍4 h,120℃下干燥12 h,450℃焙烧4 h得新型固体超强酸催化剂SO42-/ZrO2-凹凸棒。
　　 采用XRD、SEM、FT-IR、DSC-FG对SO442-/ZrO2-凹凸棒催化剂的晶粒大小、组织形貌、酸性、热稳定性进行了表征。结果表明:ZrO2在凹凸棒的表面高度分散,催化剂SO4z/ZrO2-凹凸棒的晶粒总体分布呈棒状,平均粒径为70 nm;以脂肪酸甲酯与聚乙二醇-400的酯交换反应为模型考察了不同温度焙烧的催化剂的活性,实验证实,焙烧温度为450℃的催化剂活性最高;与SO42-/凹凸棒相比较,实验发现ZrO2的加入提高了催化剂的酸性与稳定性,催化剂具有超强酸的特征。
　　 对于脂肪酸甲酯和聚乙二醇-400的酯交换反应,本课题分别采用了三种不同的催化剂,研究了反应条件对酯交换反应的影响,优化反应条件为:
　　 a S2O82-/ZrO2-CeO2为催化剂:m(脂肪酸甲酯):m(聚乙二醇-400)=2.8:1,催化剂用量(w)1.5％,反应温度130℃;反应时间7.5 h,酯交换率约为91.56％。
　　 b固体碱K2CO3/AL2O3为催化剂:m(脂肪酸甲酯):m(聚乙二醇-400)=2.8:1,催化剂用量(w)2.5％,反应温度140℃,反应时间6.5 h,酯交换率约为94.67％。
　　 c SO42-/ZrO2-凹凸棒为催化剂:m(脂肪酸甲酯):m(聚乙二醇-400)=2.8:1,催化剂用量(w)2.0％,反应温度130℃,反应时间6.5 h,酯交换率约为90.13％。
　　 产物经提纯后,红外光谱分析结果符合目标物的结构特征,各项物化性能指标如下:临界胶束浓度为5.3×10-5mol/L,Y(CMC)为27.04 mN·m-1,润湿力为59 s,浊点水数为9.98 mL,乳化力为622s,运动粘度为0.63 mPa·S,pH为6.98(常温下,质量分数为1％的水溶液)。
　　 聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸单酯磺酸盐各项物化性能指标:临界胶束浓度为7.32×10-4mol/L,,Y(CMC)为35.04 mN·m-1,润湿力为77 s,乳化力为380 s,瞬时发泡力为193 mm,运动粘度为1.35 mPa·S,pH为7.98(常温下,质量分数为1％的水溶液)。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号说明

1 前言

1.1 表面活性剂概述

1.1.1 表面活性剂的发展趋势

1.1.2 典型表面活性剂介绍

1.2 聚乙二醇脂肪酸酯的合成方法

1.2.1 脂肪酸与环氧乙烷酯化

1.2.2 脂肪酸与聚乙二醇酯化

1.2.3 脂肪酸甲酯与环氧乙烷的乙氧基化

1.2.4 脂肪酸甲酯与聚乙二醇的酯交换

1.2.5 酰氯醇解法

1.3 生产聚乙二醇脂肪酸酯的催化剂研究

1.3.1 脂肪酸与环氧乙烷的乙氧基化

1.3.2 脂肪酸甲酯与环氧乙烷的乙氧基化

1.3.3 脂肪酸与聚乙二醇的酯化

1.3.4 脂肪酸甲酯与聚乙二醇的酯交换

1.4 聚乙二醇脂肪酸酯的性质

1.4.1 物理性质

1.4.2 化学性质

1.4.3 表面活性剂的表(界)面化学性质

1.5 聚乙二醇脂肪酸酯的应用

1.5.1 民用

1.5.2 工业应用

1.6 本课题研究背景、目的和意义

1.6.1 研究背景

1.6.2 研究目的和意义

1.6.3 本课题主要工作

2 催化剂的制备与表征

2.1 实验试剂与仪器

2.1.1 主要实验试剂

2.1.2 主要实验仪器

2.2 实验部分

2.2.1 催化剂的制备

2.2.2 催化剂的表征

2.2.3 催化剂的活性评价

2.3 结果与讨论

2.3.1 催化剂的X射线衍射分析

2.3.2 催化剂的热稳定性分析

2.3.3 催化剂的微观形貌及粒径分析

2.3.4 催化剂的红外光谱分析

2.3.5 焙烧温度对催化剂酸性的影响

2.3.6 催化剂的活性

2.4 小结

3 聚乙二醇菜籽油脂肪酸酯表面活性剂的制备

3.1 实验试剂与仪器

3.1.1 主要实验试剂

3.1.2 主要实验仪器

3.2 实验前准备工作

3.2.1 菜籽油的精制

3.2.2 菜籽油酸值的测定

3.2.3 菜籽油皂化值的测定及平均分子量的估算

3.3 菜籽油脂肪酸甲酯的精制

3.3.1 菜籽油脂肪酸甲酯的制备

3.3.2 菜籽油脂肪酸甲酯的提纯

3.4 聚乙二醇菜籽油脂肪酸酯的制备

3.5 分析测试

3.5.1 聚乙二醇脂肪酸酯的提纯

3.5.2 聚乙二醇酯交换率的测定

3.5.3 聚乙二醇脂肪酸酯的定性分析

3.5.4 表面活性剂的性能表征及分析

3.6 结果与讨论

3.6.1 标准工作曲线

3.6.2 反应条件对酯交换反应的影响

3.6.3 产物的红外谱图分析

3.6.4 聚乙二醇脂肪酸酯的物理化学性能

3.7 小结

4 聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸单酯二钠盐的制备

4.1 主要研究内容

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂与仪器

4.2.2 聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸单酯二钠盐的制备

4.2.3 分析测试

4.3 结果与讨论

4.3.1 聚乙二醇脂肪酸酯琥珀酸单酯的制备

4.3.2 聚乙二醇脂肪酸酯磺基琥珀酸单酯二钠盐的制备

4.3.3 产物的红外谱图分析

4.3.4 磺基琥珀酸单酯二钠盐的物理化学性能

4.4 小结

5 结论

参考文献

致谢

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