CN101327416A - 木质素醇醚羧酸盐表面活性剂及其制备方法 - Google Patents

木质素醇醚羧酸盐表面活性剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种木质素醇醚羧酸盐新型表面活性剂的制备方法,将木质素醇醚100质量份和物质的量为木质素醇醚的物质的量1~1.2倍的碱催化剂在90~110℃反应30~60min,-0.1MP下减压抽除低沸点物,加入物质的量为木质素醇醚的1.2~1.5倍的卤代酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸盐。以上反应步骤中,木质素醇醚,自制;卤代酸可以是2-氯丙酸、一氯乙酸、2-溴丙酸、溴乙酸中的任意一种;碱催化剂为KOH或NaOH。木质素醇醚羧酸盐性能表征:罗氏泡沫仪测定泡沫性能水硬度150×10-6ppm,40℃,样品含量为0.25%,测得泡沫高度为起始高度150mm,5min后泡沫高度为130mm,表面张力(δ)样品含量分别为0.01%、0.05%、时的表面张力分别为57.2mN/m、51.2mN/m。临界胶速浓度(CMC)测定值为5.0g/L。

Description

木质素醇醚羧酸盐表面活性剂及其制备方法
技术领域
本发明属于表面活性剂的制备领域,尤其涉及一种木质素醇醚羧酸盐新型表面活性剂的制备方法。
背景技术
目前,因为石油资源短缺价格上涨,在表面活性剂的制造行业都积极使用天然可再生资源生产产品,木质素作为木材水解工业和造纸工业的副产物,由于得不到充分利用,变成了造纸工业中的主要污染源之一,不仅造成严重的环境污染,也造成资源的重大浪费。木质素主要由碳、氢、氧三种元素组成,一般公认木质素是由苯丙基(C9)单元通过C一0键或C-C键连接而成的交联网状的天然酚类高分子化合物。由于含有大量酚羟基和醇羟基,通式常记为R-OH。制浆工业通过碱或酸催化等方法,使木质素分子中的醚键发生断裂而与纤维素和半纤维素分离,并以盐的形式溶解在水中,形成所谓的黑液或红液,工业木质素实际上是由黑液中提取的天然木质素的碎片,其相对分子质量在几百到几百万之间。分子量范围在20000~50000约占50%。1000-20000之间约占45%。目前,木质素在工业中都是通过改性应用的。例如:在公开号为CN1360969公开日为2002.07.31,发明人为韦汉道的《一种适用于复合驱油的木质素表面活性剂制备方法》发明专利中,就公开了用电氧化,烷基化、磺化制备木质素表面活性剂的方法。该表面活性剂在高的矿化度和高的二价离子浓度的复合驱油体系中与航空煤油能形成6×10-3mN/m的超低界面张力。华南理工大学的公开号为CN101157531公开日为2007.9.13的《碱木质素改性氨基磺酸盐高效减水剂及其制备方法》发明专利中,公开了用碱木质素、酚类、水、缩合剂、碱性调节剂、氨基苯磺酸盐经过一系列的反应,制备成碱木质素氨基磺酸盐,能大幅度改善混凝土流动性,提高抗压强度。清华大学的公开号为CN1146999公开日为1997.04.09的《木质素季铵盐阳离子絮凝剂合成工艺》发明专利中,公开了通过曼尼希缩合反应在木质素骨架上嵌接铵盐基团,然后烷基化制备季铵盐阳离子絮凝剂。该产品具有较好的絮凝作用。
但是,使用木质素制备醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法未见报道。
发明内容
本发明提供了一种木质素醇醚羧酸盐表面活性剂及其制备方法,得到的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂具有很好的表面活性,且制备方法简单。
一种木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的化学分子式为:
Figure A20081002081100041
式中:R代表木质素醇醚为Lignin-(-O-CH2-CH2-)n-OH;其中n=2~15;Lignin是木质素的英文名在这里代表木质素结构,M为Na或者K。
与2-氯丙酸和NaOH反应的时候,反应方程式为:
Figure A20081002081100042
所述的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法,由以下步骤制得:
将木质素醇醚和卤代酸在碱催化剂催化下,反应温度为30~150℃,搅拌速度为140转/分钟,反应2~10h,得到最终产物木质素醇醚羧酸盐,木质素醇醚和碱催化剂的摩尔比为1∶1~1.2,木质素醇醚和卤代酸的摩尔比为1∶1.2~1.5。
以上反应步骤中,木质素醇醚,自制;卤代酸为2-氯丙酸、一氯乙酸、2-溴丙酸、溴乙酸中的任意一种;碱催化剂为KOH或NaOH。
木质素醇醚通过以下方法制备:
第一步,取木质素质量分数在95%以上的纯化木质素100质量份,催化剂NaOH 0.1~5质量份,溶剂甲苯20~100质量份,无氧环境反应,反应温度为80~150℃,反应压力为0.3~1.0MPa,搅拌,将10~100质量份的环氧乙烷、10~100质量份的环氧丙烷分成2~10组;
第二步,每次通入1组环氧乙烷后反应30~60min后,再通入1组环氧丙烷反应30~60min;
第三步,重复第二步,直至所有的环氧乙烷与环氧丙烷反应完后,停止反应并停止加热,冷却至室温后停止搅拌,补入惰性气体至1大气压,然后减压蒸馏,除去低沸点馏份,得到产物木质素醇醚。
最终产物木质素醇醚羧酸盐新型表面活性剂的性能测试结果:
1.罗氏泡沫仪测定泡沫性能(FP)参照GB13173-91:水硬度150ppm,测定温度恒定在40℃,样品含量为0.25%,测得泡沫高度为起始高度150mm,5min后泡沫高度为130mm,10min后泡沫高度为120mm。
2.表面张力(δ)的测定参照GB5546-85:样品含量分别为0.01%、0.05%、0.10%、0.50%、1.00%、2.00%时的表面张力分别为57.2mN/m、51.2mN/m、42.4mN/m、37.2mN/m、36.9mN/m、35.9mN/m。
3.临界胶速浓度(CMC)通过δ-logc曲线的转折点求得,测定值为5.0g/L。
本发明具有如下有益效果:
①应用本发明的方法使用天然可再生资源木质素,使造纸工业中的主要污染物变为对人们生活有用的表面活性剂,不仅改变了目前造纸工业造成的严重环境污染,也充分利用了资源。
②木质素醇醚羧酸盐作为表面活性剂产品具有很好的起泡性,具有可生物降解,反应条件温和,反应温度为30~150℃,工艺简单的特点。
③罗氏泡沫仪测定泡沫性能(FP)参照GB13173-91:水硬度150ppm,测定温度恒定在40℃,样品含量为0.25%,测得泡沫高度为起始高度150mm,5min后泡沫高度为130mm,10min后泡沫高度为120mm。
④表面张力(δ)的测定参照GB5546-85:样品含量分别为0.01%、0.05%、0.10%、0.50%、1.00%、2.00%时的表面张力分别为57.2mN/m、51.2mN/m、42.4mN/m、37.2mN/m、36.9mN/m、35.9mN/m。
⑤临界胶速浓度(CMC)通过δ-logc曲线的转折点求得,测定值为5.0g/L。
⑥Krafft点的测定:测定木质素醇醚羧酸盐Krafft点<0℃,说明该表面活性剂具有较强的亲水性。
附图说明
图1为木质素醇醚的红外光谱谱图。
图2为木质素醇醚羧酸盐的红外光谱谱图。
具体实施方式
原料制备:
木质素质量分数在95%以上的纯化木质素的制备:
取粗的碱木质素100质量份,配成10%质量分数的水溶液,用10%质量分数的NaOH调节溶液pH值为12,至木质素全部溶解,经6000r/rain离心分离5min去除不溶解杂质后,滤液加热至60℃,用20%质量分数的硫酸调节pH值为3,静置,去除上层清液,沉淀物水洗,经6000r/rain离心分离10min,沉淀物洗至中性,在105℃干燥后研磨成粉末,称量得到70质量份纯化木质素,密封保存备用。得到的纯化木质素的化学组成为:木质素质量分数为95%,总糖质量分数为2.70%,灰分质量分数为1.70%,酚羟基质量摩尔浓度为2.60mol/kg。
木质素醇醚的制备:
第一步,取木质素质量分数在95%以上的纯化木质素100质量份,催化剂NaOH 0.1~5质量份,溶剂甲苯20~100质量份,无氧环境反应,反应温度为80~150℃,反应压力为0.3~1.0MPa,搅拌,将10~100质量份的环氧乙烷、10~100质量份的环氧丙烷分成2~10组;
第二步,每次通入1组环氧乙烷后反应30~60min后,再通入1组环氧丙烷反应30~60min;
第三步,重复第二步,直至所有的环氧乙烷与环氧丙烷反应完后,停止反应并停止加热,冷却至室温后停止搅拌,补入惰性气体至1大气压,然后减压蒸馏,除去低沸点馏份,得到产物木质素醇醚。取样按GB7384-87中乙酐-吡啶法测定羟值为556.6mg/g.
实施例1
木质素醇醚羧酸盐的制备方法,由以下步骤制得:
将木质素醇醚100质量份和物质的量为木质素醇醚的物质的量1~1.2倍的碱催化剂在90~110℃反应30~60min,-0.1MP下减压抽除低沸点物,加入物质的量为木质素醇醚的1.2~1.5倍的卤代酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸盐。
其中碱催化剂可以是木质素醇醚的物质的量的1、1.1、1.2倍,反应温度可以是90℃、100℃、110℃,反应时间可以是30min、45min、60min,卤代酸的量可以是1.2倍、1.35倍、1.5倍,反应时间可以是4h、5.5h、8h。卤代酸可以是2-氯丙酸、一氯乙酸、2-溴丙酸、溴乙酸中的任意一种;碱催化剂为KOH或NaOH。
实施例2
木质素醇醚羧酸盐的制备方法:
将木质素醇醚100质量份,催化剂NaOH按木质素醇醚的物质的量的1.2倍的量加入,在90~100℃反应30min,减压抽除水,按木质素醇醚和一氯乙酸的摩尔比为1∶1.2的量滴加一氯乙酸,反应4h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。取样测定木质素醇醚羧酸钠盐羟值为40mg/g。
木质素醇醚羧酸钠盐IR与原料木质素醇醚的IR图谱分析比较:在3700cm-1~3030cm-1处吸收减少,说明木质素醇醚中的羟基被反应,造成3418.18cm-1吸收减少。。在1096.25cm-1处出现的吸收峰强度减小,表明羟基含量减小;在1726.65cm-1附近吸收峰明显增强,说明羰基含量增大,是一氯乙酸与木质素醇醚反应的结果。
木质素醇醚羧酸盐性能表征:
①罗氏泡沫仪测定泡沫性能(FP)参照GB13173-91:水硬度150×10-6ppm,40℃,样品含量为0.25%,测得泡沫高度为起始高度150mm,5min后泡沫高度为130mm,10min后泡沫高度为120mm。
②表面张力(δ)的测定参照GB5546-85:样品含量分别为0.01%、0.05%、0.10%、0.50%、1.00%、2.00%时的表面张力分别为57.2mN/m、51.2mN/m、42.4mN/m、37.2mN/m、36.9mN/m、35.9mN/m。
③临界胶速浓度(CMC)通过δ-logc曲线的转折点求得,测定值为5.0g/L。
④Krafft点的测定:测定木质素醇醚羧酸盐Krafft点<0℃,说明该表面活性剂具有较强的亲水性。
实施例3
将木质素醇醚100质量份,催化剂KOH按木质素醇醚的物质的量的1.2倍加入,在100~110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.3倍滴加一氯乙酸,反应8h,得到木质素醇醚羧酸钾盐。
实施例4
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.2倍加入催化剂NaOH在100~110℃反应50min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.3倍滴加2-氯丙酸,反应9h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例5
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.2倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.5倍滴加2-氯丙酸,反应9h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例6
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.1倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.2倍滴加溴乙酸,反应8h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例7
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.2倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.2倍滴加2-溴丙酸,反应9h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例8
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.0倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.0倍滴加2-溴丙酸,反应6h,得到木质素醇醚羧酸那盐。
实施例9
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.0倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.0倍滴加溴乙酸反应7h,得到木质素醇醚羧酸盐。
实施例10
将木质素醇醚100质量份,按木质素醇醚的物质的量的1.2倍加入催化剂NaOH在110℃反应60min,减压抽除水,按木质素醇醚物质的量的1.2倍滴加2-溴丙酸反应8h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例11
将木质素醇醚100份,催化剂1.4倍摩尔比的KOH在90~100℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.4倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钾盐。
实施例12
将木质素醇醚100份,催化剂1.6倍摩尔比的NaOH在100~110℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.2倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例13
将木质素醇醚100份,催化剂1.7倍摩尔比的KOH在90~100℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.1倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钾盐。
实施例14
将木质素醇醚100份,催化剂1.8倍摩尔比的KOH在100~110℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.4倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钾盐。
实施例15
将木质素醇醚100份,催化剂2倍摩尔比的NaOH在100~110℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.2倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钠盐。
实施例16
将木质素醇醚100份,催化剂2倍摩尔比的KOH在100~110℃反应一段时间,减压抽除水,滴加1.5倍摩尔比的一氯乙酸,反应4~8h,得到木质素醇醚羧酸钾盐。

Claims (5)

1.一种木质素醇醚羧酸盐表面活性剂,其特征在于化学分子式为:
Figure A2008100208110002C1
式中:R代表木质素醇醚结构为Lignin-(-O-CH2-CH2-)n-OH,其中n=2~15;Lignin是木质素的英文名在这里代表木质素结构,M为Na或者K。
2.如权利要求1所述的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法,其特征在于由以下步骤制得:
将木质素醇醚和卤代酸在碱催化剂催化下,反应温度为30~150℃,搅拌速度为140转/分钟,反应2~10h,得到最终产物木质素醇醚羧酸盐,木质素醇醚和碱催化剂的摩尔比为1∶1~1.2,木质素醇醚和卤代酸的摩尔比为1∶1.2~1.5。
3.如权利要求2所述的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法,其特征在于所述的木质素醇醚通过以下方法制备:
第一步,取木质素质量分数在95%以上的纯化木质素100质量份,催化剂NaOH 0.1~5质量份,溶剂甲苯20~100质量份,无氧环境反应,反应温度为80~150℃,反应压力为0.3~1.0MPa,搅拌,将10~100质量份的环氧乙烷、10~100质量份的环氧丙烷分成2~10组;
第二步,每次通入1组环氧乙烷后反应30~60min后,再通入1组环氧丙烷反应30~60min;
第三步,重复第二步,直至所有的环氧乙烷与环氧丙烷反应完后,停止反应并停止加热,冷却至室温后停止搅拌,补入惰性气体至1大气压,然后减压蒸馏,除去低沸点馏份,得到产物木质素醇醚。
4.如权利要求2所述的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法,其特征在于所述的卤代酸为2-氯丙酸、一氯乙酸、2-溴丙酸、溴乙酸中的任意一种。
5.如权利要求2所述的木质素醇醚羧酸盐表面活性剂的制备方法,其特征在于所述的碱催化剂为KOH或NaOH。
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