聚甘油脂肪酸酯的合成及性能研究

施祺儒,劉 芳

(1.蘭州城市學(xué)院傳媒學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州城市學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 蘭州730070)

聚甘油脂肪酸酯簡稱聚甘油酯，是由聚甘油和脂肪酸直接酯化制備的一類非離子型表面活性劑。聚甘油脂肪酸酯的品種多，其結(jié)構(gòu)取決于聚甘油的聚合度、脂肪酸的種類以及酯化度等。這類產(chǎn)品具有良好的乳化、分散、潤濕等性能，且安全、綠色環(huán)保[1-3]，因此被廣泛應(yīng)用于食品添加劑、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、化妝品、塑料等多個領(lǐng)域。在當前人們注重生態(tài)綠色環(huán)保的情況下，研究和開發(fā)聚甘油脂肪酸酯表面活性劑具有重要意義。

本文以甘油、月桂酸為原料，通過兩步法，在氮氣保護及減壓蒸餾的條件下合成聚甘油酯。首先通過單因素實驗確定聚甘油的最佳制備工藝條件，分別探討了催化劑種類、反應(yīng)溫度、催化劑用量、反應(yīng)壓力和反應(yīng)時間對聚甘油的聚合度的影響，得到聚合度適當且外觀優(yōu)異的聚甘油，進一步提高了聚甘油脂肪酸酯產(chǎn)品的品質(zhì)。接著對所得到的聚甘油酯產(chǎn)品的表面張力、乳化力、滲透力、泡沫力、保濕等性能進行測定，最后將聚甘油酯與其他表面活性劑、添加劑等復(fù)配制備洗手液，旨在為聚甘油酯開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

丙三醇、月桂酸、氫氧化鈉、無水碳酸鈉、氫氧化鉀、正丁醇(均為AR)。

分析天平、增力電動攪拌器、循環(huán)水真空泵、表面張力儀、阿貝折光儀、旋轉(zhuǎn)黏度計、電熱鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 聚甘油的合成

將200g的甘油加入到500mL三頸燒瓶中，再加入一定量的催化劑，加熱，使混合液達到一定的反應(yīng)溫度，在一定壓力下反應(yīng)一段時間。反應(yīng)結(jié)束后用阿貝折光儀測試產(chǎn)品的聚合度。分別研究催化劑種類、催化劑加入量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和反應(yīng)壓力對聚甘油聚合度和產(chǎn)品色澤的影響。

1.3 聚甘油脂肪酸酯的合成

聚甘油脂肪酸酯由上述合成的聚甘油和月桂酸在氫氧化鈉的催化下制備得到。具體的制備條件是：催化劑用量為1.5%，反應(yīng)溫度240℃，壓力0.08MPa，月桂酸和聚甘油的摩爾比是1∶1。

合成方法：在三頸燒瓶中加入一定量的聚甘油、月桂酸和氫氧化鈉，慢慢加熱至融化，攪拌，并通入氮氣，溫度控制在240℃左右，同時用真空泵抽真空。反應(yīng)一段時間后，待反應(yīng)液呈澄清透明的淡黃色，即轉(zhuǎn)化完成。停止加熱，攪拌并繼續(xù)通氮氣直到溫度降到室溫。

樣品提純：將產(chǎn)物完全溶解到一定量的正丁醇中，恒溫70～80℃下，用飽和氯化鈉溶液洗滌多次，用分液漏斗對油、水兩層進行分離，油層即為聚甘油脂肪酸酯。

1.4 聚甘油聚合度的計算

采用折光率法測定聚合度。聚甘油的聚合度可以通過測定羥值確定，因為聚甘油的羥值與折光率有一定的關(guān)系，測定出聚甘油的折光率就可以計算出聚甘油的聚合度[3]。

1.5 性能檢測

分別對聚甘油脂肪酸酯的表面張力[4]、乳化力[5]、濁點[6]、保濕率[7]、泡沫性能[5]、總活性物[8]和去污能力[9]進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑種類對聚甘油聚合度的影響

設(shè)定反應(yīng)溫度為240℃，反應(yīng)時間為4h，催化劑的用量為4.5%，壓力為0.08MPa，探究催化劑種類對聚合度的影響，實驗結(jié)果見圖1。由圖1可知，分別以碳酸鈉、氫氧化鈉和氫氧化鉀為催化劑，得到的聚甘油的聚合度分別為4.07、4.27、4.32。雖然使用氫氧化鉀得到的產(chǎn)品的聚合度比氫氧化鈉的高，但其產(chǎn)品的色度不如氫氧化鈉，所以選擇氫氧化鈉作為催化劑。

圖1 催化劑種類對聚合度的影響

2.2 溫度對聚甘油聚合度的影響

以氫氧化鈉為催化劑，設(shè)定反應(yīng)時間為4h，催化劑的用量為4.5%，壓力為0.08MPa，探究反應(yīng)溫度對聚合度的影響，實驗結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著溫度升高，聚甘油的聚合度隨之增大，240℃時，產(chǎn)品的顏色為淡黃色且呈透明狀，260℃和275℃時，產(chǎn)品的顏色是深紅色和褐色的。所以溫度定為240℃。

圖2 溫度對聚合度的影響

2.3 催化劑用量對聚甘油聚合度的影響

以氫氧化鈉為催化劑，溫度定為240℃，反應(yīng)時間4h，壓力為0.08MPa，探究催化劑用量對聚合度的影響，實驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，當催化劑的用量為6.0%時，聚甘油的聚合度最高為4.79，顏色呈淡黃且透亮。故催化劑的用量確定為6.0%。

圖3 催化劑用量對聚合度的影響

2.4 壓力對聚甘油聚合度的影響

以氫氧化鈉為催化劑且加入量為6.0%，溫度240℃，反應(yīng)時間4h，探究常壓和減壓對聚合度的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，常壓下，聚甘油的聚合度很低，為1.87；0.08MPa下，聚甘油的聚合度和顏色均較好。因此選擇反應(yīng)壓力為0.08MPa。

2.5 時間對聚甘油聚合度的影響

以氫氧化鈉為催化劑且加入量為6.0%，反應(yīng)溫度240℃，壓力0.08MPa，探究反應(yīng)時間對其聚合度的影響，實驗結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著反應(yīng)時間增長，聚合度不斷增大，但同時聚甘油的顏色也逐漸加深。聚合度達到4.79已能滿足實驗要求，因此選擇反應(yīng)時間為4h。

圖4 壓力對聚合度的影響

圖5 反應(yīng)時間對聚合度的影響

由此得到合成聚甘油的最佳條件：以氫氧化鈉為催化劑，催化劑加入量為6.0%，在壓力0.08MPa、溫度240℃的條件下反應(yīng)4h，即可得到聚合度為4.79的聚甘油，產(chǎn)率為82.16%。

2.6 聚甘油脂肪酸酯的產(chǎn)率

在三頸燒瓶中分別加入200g聚甘油和115.6g月桂酸，以氫氧化鈉為催化劑，催化劑的加入量為聚甘油的1.5%，在溫度240℃、壓力0.08MPa的條件下反應(yīng)5h，得到聚甘油脂肪酸酯。經(jīng)正丁醇和氯化鈉溶液提純，稱重，得到219.3g的聚甘油脂肪酸酯，計算得到聚甘油脂肪酸酯的產(chǎn)率為69.5%。

2.7 聚甘油脂肪酸酯的性能

對合成的聚甘油脂肪酸酯產(chǎn)品進行各項理化性能測定，結(jié)果見表1。由表1的測定結(jié)果可知，本實驗合成的聚甘油脂肪酸酯具有表面張力低、乳化力高、保濕性能好、泡沫性及去污性能強等特點，說明該產(chǎn)品是一種性能優(yōu)異的乳化劑。

表1 聚甘油脂肪酸酯的性能測定結(jié)果

2.8 洗手液配方

本實驗將所制備的產(chǎn)品與市售表面活性劑進行復(fù)配，制備了一種洗手液。選擇椰子油二乙醇酰胺(6501)、脂肪醇聚氧乙烯(9)醚(AEO-9)、甘油、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸鈉(AES)與甘油脂肪酸酯進行復(fù)配，按配方依次加入表面活性劑，再加入余量的水，最后加入NaCl調(diào)節(jié)洗手液的黏度，溶解并攪拌均勻。根據(jù)實驗分析，得到表2的配方。對兩種配方制成的洗手液的各項性能進行測定，結(jié)果見表3。

表2 洗手液配方

表3 洗手液相關(guān)性能的測定結(jié)果

由表3可知，配方產(chǎn)品符合QB/T 2654-2013中對洗手液的pH、穩(wěn)定性、總活性物的規(guī)定，且具有較低的表面張力、優(yōu)異的泡沫性、去污力和保濕性。此外，由測定結(jié)果可知，加入NaCl可調(diào)節(jié)洗手液的黏度，且對產(chǎn)品的其他性能無影響。

3 結(jié)論

本文通過單因素實驗得到聚甘油的最佳制備條件，在此條件下可以制得聚合度為4.79、淡黃色、透亮的聚甘油。以聚甘油和月桂酸為原料進行反應(yīng)，可得到聚甘油脂肪酸酯，制備條件為：聚甘油和月桂酸的摩爾質(zhì)量比為1∶1，加入1.5%的NaOH為催化劑，在溫度240℃、壓力0.08MPa的條件下反應(yīng)，聚甘油脂肪酸酯的產(chǎn)率為69.5%。合成的產(chǎn)品具有良好的性能，乳化力為14.28min，泡沫穩(wěn)定性為78.57%，總活性物為50.25%，去污力為0.85g。最后將聚甘油脂肪酸酯用于配制洗手液，可得到性能優(yōu)異的洗手液。由實驗結(jié)果可知，聚甘油脂肪酸酯與其他表面活性劑的復(fù)配，具有協(xié)同增效作用，進一步說明該產(chǎn)品在日用化工行業(yè)中具有良好的發(fā)展前景。