用ZSM－5分子篩催化劑合成月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的研究及應用

張白瑜

(廣州市利日有限公司，廣東廣州 511442)

0 前言

脂肪醇琥珀酸單酯磺酸鈉是一類新型的陰離子表面活性劑，由于它們的分子結構中含有羧酸鈉和磺酸鈉兩個親水基團，因而具有較為突出的表面活性，廣泛用于石油工業(yè)、紡織工業(yè)、洗滌用品工業(yè)、金屬加工業(yè)、皮革工業(yè)、顏料及涂料工業(yè)，作為破乳化劑、潤濕劑、上漿退漿劑、滲透劑、分散劑、乳化劑、鞣革助劑、抗靜電劑等，特別是它們對人體皮膚及眼睛的刺激性低、毒性低，更適宜于作為香波產(chǎn)品，如嬰兒香波、洗發(fā)香波以及化妝品的助劑。由于脂肪醇琥珀酸單酯磺酸鈉具有的優(yōu)良品質，需求量日益增長。在合成脂肪醇琥珀酸單酯磺酸鈉時，常用的酯化催化劑是硫酸、對甲苯磺酸、乙酸鈉等。使用這些催化劑進行酯化時，副反應多、腐蝕設備、后處理麻煩，還產(chǎn)生污水，危害環(huán)境。本研究選用ZSM－5作酯化催化劑，因此催化劑是固體，酯化后，去除催化劑時，僅用過濾就可以去除，還可以減少中和、洗滌等步驟，簡化工藝。

1 實驗部分

1.1 化學試劑和催化劑

順丁烯二酸酐，分析純，廣州化學試劑廠生產(chǎn);月桂醇，上?；瘜W試劑采購供應站;無水亞硫酸鈉，分析純，廣州化學試劑廠生產(chǎn);ZSM－5分子篩催化劑，原粉，南京石油化工公司生產(chǎn)。

1.2 合成原理

酯化反應，順丁烯二酸酐在ZSM－5分子篩催化劑作用下，與月桂醇反應，首先順丁烯二酸酐的環(huán)破裂，其中一個羧基與醇的羥基反應，生成順丁烯二酸月桂醇單酯。

磺化反應，順丁烯二酸月桂醇單酯與亞硫酸鈉反應，生成月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉。

1.3 實驗操作

1.3.1 催化劑制備

將一定量的ZSM－5分子篩催化劑原粉放入燒杯中，用1N HCl溶液浸泡一定時間，傾出鹽酸溶液，然后用蒸餾水洗滌，如此浸泡、洗滌多次，一直洗至無氯離子為止(用硝酸銀溶液檢驗洗液無白色沉淀)，烘干，隨后，在高溫馬弗爐內于500℃條件下焙燒4 h，冷卻至室溫待用。

1.3.2 酯化反應

反應在帶有液封及電動攪拌器、回流冷凝冷卻器、溫度計的三口燒瓶中進行。先加入月桂醇，加熱升溫至60℃后，加入ZSM－5分子篩催化劑，最后分兩批加入順丁烯二酸酐，將反應溫度升高到規(guī)定的溫度和酯化時間。

反應終止后，剩熱將酯化產(chǎn)物與催化劑過濾，因酯化產(chǎn)物易于凝固，故漏斗在過濾前應在烘箱中預熱到65℃。取樣分析酸值。

1.3.3 磺化反應

將濾液傾回三口燒瓶中，同時加入Na2SO3，其用量為順丁烯二酸單酯物質的量的1.05倍。上述Na2SO3是以30%的水溶液形式加入的。

磺化溫度為80℃，磺化時間為3 h?；腔磻?，得到了含水的月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉。

1.3.4 產(chǎn)品分析

用亞甲基蘭法［1］測定磺化產(chǎn)物中月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的含量，并計算出月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的收率。

2 結果與討論

2.1 正交試驗及結果

根據(jù)探索性實驗的結果，選定醇酐物質的量比A、酯化溫度B、酯化時間C和催化劑用量D作為考察因素，以月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的收率作為考察指標。選定的四因素三水平見表1。

表1 正交試驗的因素與水平

根據(jù)表1所列的因素及水平進行正交試驗，試驗結果見表2。

對正交試驗結果采用直觀分析方法進行分析，其結果見表3。

由表3可知，以月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的收率作為考察目標，四個因素對收率的影響順序是:

催化劑用量≥酯化時間＞酯化溫度＞酐醇物質的量比。

在表3中還可看出，催化劑用量的極差與酯化時間相同(均為4.54)。隨著催化劑用量的增加，收率有提高的趨勢，因此，除將表2收率最高的第3號試驗重復做一次外，還增加催化劑用量到1.8%。試驗結果如表4所示。

表2 正交試驗的結果

表3 正交試驗結果直觀分析

表4 最佳合成條件試驗的結果

從表4可知，在正交3號試驗的基礎上，將催化劑用量從1.6%增加到1.8%時，收率達到96.33%。

由此可確定用氫型ZSM－5分子篩作催化劑時，合成月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的最佳條件為:

酐醇物質的量比1∶1，酯化溫度85℃，酯化時間4 h，ZSM－5分子篩催化劑用量為1.8%，磺化時間3 h，磺化溫度80℃，此時，月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的收率大于96%。

2.2 表面活性測試

對最佳1號合成的月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉產(chǎn)品進行表面活性測試，測試結果見表5。

表5 最佳1號合成產(chǎn)品表面活性測試［2］

由表5可知，月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉具有較好的表面活性:①臨界膠束濃度低。這表明達到在表面的飽和吸附的濃度較低，也就是表面活性較高，即改變界面狀態(tài)起到潤濕、乳化、起泡、洗滌等作用所需的表面活性劑濃度低;②有較優(yōu)良的起泡能力。形成的泡沫量較多，泡沫穩(wěn)定性亦較好，經(jīng)過2 min，泡沫量才減少10 mL;③去污能力強。去污指數(shù)達70%，這表明產(chǎn)品潤濕性能好，有利于油污的乳化、加溶等作用，因而洗滌性能優(yōu)越。

3 結論

本研究證實了氫型ZSM－5分子篩可作為制取月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的催化劑，在合成月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉時，最佳工藝條件是:酐醇物質的量比1∶1，酯化溫度85℃，酯化時間4 h，催化劑用量為1.8%，磺化時間3 h，磺化溫度80℃，此時，月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉的收率為96.33%;合成出的產(chǎn)品經(jīng)表面活性測試，測試結果證實月桂醇琥珀酸單酯磺酸鈉是一種優(yōu)良的陰離子表面活性劑。

［1］(日)北原文雄.表面活性劑分析方法［M］.北京:輕工業(yè)出版社，1988:5－13.

［2］梁夢蘭.表面活性劑和洗滌劑——制備、性質、應用［M］.北京:科學技術文獻出版社，1990:12－20.