CN101385954A - 造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种造纸工业用高纯度表面活性剂的制备方法。通过分子内结构设计，控制琥珀酸双烷基酯磺酸钠表面活性剂中异辛醇含量，可调节该类表面活性剂的亲水性和渗透性及涂布涂料的表面张力，很好地满足了造纸业的需求，促进了造纸业的发展。提出的制备方法具有制备简单，酯化反应后不需减压蒸馏提纯，磺化反应中不需用惰性气体作保护气，也不需要加入相转移催化剂，不耗时不耗力，降低了表面活性剂的生产成本，制备的琥珀酸双烷基酯磺酸钠纯度高，副产物少，不需提纯，反应所需材料廉价易得，且具有低毒性等优点，有很好的应用前景。

Description

造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法

技术领域

本发明属于表面活性剂的制备技术，特别涉及一种造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法。

背景技术

现有技术：无碳复写纸是一种化学反应型的涂布加工纸，采用40g/m2原纸，在涂布机上将涂料均匀地涂在纸上，通过上下纸涂层中包埋的不同物质在压力作用下的显色反应，实现复写的目的。为使涂料中各组分均匀分散并均一地涂布在原纸上，在涂布生产过程中，需在上述涂料体系中加入少量不同的表面活性剂，以改善涂料的润湿性能，使其在涂布时能够在纸基上迅速铺展，即使在高速涂布条件下涂层也具有良好的平整性。该表面活性剂除对涂料各组分具有良好的分散性，还应具有很大的表面活性，有效降低涂料表面张力，提高其润湿性、流平性和对原纸的亲和性，最大限度地降低涂料悬液的厚度亦即涂层的厚度，并保持该涂料悬液的均一性和连续性。为寻找该类表面活性剂，各国科研工作者及企业业主进行了大量的工作，并已开发出许多优秀的产品。例如Snover等人在其专利US7144475中宣称使用阳离子型表面活性剂能降低涂料中各分散粒子的界面张力，且由于粒子间的静电排斥作用使粒子间很难发生团聚而能均匀地分散在涂料中，与此同时该类表面活性剂还能与其他助剂如非离子型润湿剂通过协同作用，提高涂布液的稳定性。我国科研工作者唐宏磊等通过测定涂料体系的表面张力、润湿性能、接触角及涂料粘度，比较了磺酸盐类阴离子型表面活性剂、季铵盐类阳离子型表面活性剂和聚氧乙烯类非离子型表面活性剂对无碳复写纸CB涂料性能的影响，指出磺酸盐类阴离子型表面活性剂对降低涂料表面张力、提高润湿性能具有较好的效果。

琥珀酸双烷基酯磺酸钠系列表面活性剂在水中电离成阴离子，属于阴离子表面活性剂，具有优良的渗透、润湿性能，还具有较低的表面张力和较好的表面活性。但是，我国对这类表面活性剂结构设计的研究还很少。因此，按其用途和需要专门设计、开发分子内亲水基和亲油基可调的琥珀酸双烷基酯磺酸钠，从而获得一系列渗透、润湿性能和表面活性在一定范围内可调的表面活性剂，以满足多种应用领域的特殊需要。这也是本发明的要点之一。

此外，我国目前生产琥珀酸双烷基酯磺酸钠的制备工艺有一定的缺陷，如工艺烦琐，酯化反应后需减压蒸馏提纯，磺化反应中需用惰性气体作保护气，还需加入相转移催化剂，耗时费力；副产物较多、产品成分复杂，生产的琥珀酸双烷基酯磺酸钠表面活性剂纯度较差，提纯困难，应用范围受到很大的限制。本发明中制备的琥珀酸双烷基酯磺酸钠纯度高，副产物较少，设备和制备工艺简单，酯化反应产物不需减压蒸馏提纯，磺化反应中不需用惰性气体作保护气，也不需要加入相转移催化剂，不耗时不费力。该法所制备的琥珀酸双烷基酯磺酸钠系列表面活性剂很好地满足了造纸业的需求，比工业中现用的表面活性剂效果好，价格更便宜，为生产降低了成本，促进了造纸业的发展。

发明内容

技术问题：本发明针对上述技术问题，提供一种制备工艺简单，制备成本低，产物副产物少，不需提纯，渗透、润湿性能和表面活性在一定范围内可调的造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法。

技术方案：造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂，产品外观为淡黄色液体，平均产率大于93％，折光率：1.45，固含量大于60％，纯度大于98％。将本产品用于造纸工业，其上纸涂料表面张力显著降低，且表面张力降低值可以通过表面活性剂结构设计即控制表面活性剂中异辛醇含量来调节，当琥珀酸异辛酯磺酸钠分子中5-30％异辛醇被异十三醇取代后，涂料的亲水性和渗透性有明显改变，且表面张力在28-35N/m之间可调节。

该造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂制备步骤为：将顺丁烯二酸酐和异辛醇或异辛醇与异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇、异十三醇的任意比混合物按总摩尔比1:2加入到反应釜中，加入占混合物质量百分比0.3％的对甲苯磺酸作催化剂，加热至80℃-190℃，恒温4～6个小时，然后冷却至室温，得酯化产物。将第一步所制得的酯化产物按酯化产物与盐溶液1:10的体积比进行洗涤，先用质量百分比浓度为5％碳酸钾水溶液，再用质量百分比浓度为5％的氯化钠水溶液，直至去除水溶性杂质及催化剂。在洗涤过的酯化产物中加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠，再加入酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，搅拌，加热至95-110℃回流5～7小时，即获得烷基琥珀酸酯类系列表面活性剂。酯化产物为琥珀酸二异辛基酯或琥珀酸烷基异辛酯，所述琥珀酸烷基异辛酯为琥珀酸二异辛基酯分子中的一个异辛基链部分被异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇或异十三醇所取代的产物，取代的量分别各为异辛醇总量的5％、10％、20％和30％。

合成路线：

(1)酯化反应：投料比为摩尔比1:2的琥珀酸和醇，以对甲苯磺酸为催化剂，在80℃以上恒温4～6个小时。反应式如下：

R：异辛醇：CH₃(CH₂)₃CH(CH₂CH₃)CH₂OH

R’：异戊醇：CH₃CH₂CH(CH₃)CH₂OH；异辛醇：CH₃(CH₂)₃CH(CH₂CH₃)CH₂OH；

     正十二醇：CH₃(CH₂)₁₀CH₂OH；正十四醇：CH₃(CH₂)₁₂CH₂OH；

     正十六醇：CH₃(CH₂)₁₄CH₂OH，异十三醇：CH₃(CH₂)₉CH(CH₃)CH₂OH

(2)加成反应：投料比为摩尔比1:1的酯和亚硫酸氢钠，机械搅拌，95℃以上恒温5～7个小时。反应式如下：

有益效果：

(1)反应中所用醇的链长不同，结构不同，所得产物性能不同。我们发现带支链醇的产物亲水性、渗透性及涂料表面张力降低效果比直链醇的产物好，其涂料表面张力降低值最多可达7.3N/m。当用其他烷基醇，如正十二、十四、十六烷基醇或异十三醇，部分取代异辛醇而制得的琥珀酸异辛酯杂合烷基酯磺酸钠产物可使两亲(亲水/亲油)性质和表面张力在一定范围可调节，如产品掺杂5-30％异十三醇可使涂料表面张力在28-35N/m范围内改变。该技术很好地满足了造纸业的需求，大大地促进了造纸业的发展。

(2)该方法制备简单，酯化反应后不需减压蒸馏提纯，磺化反应中不需用惰性气体作保护气，也不需要加入相转移催化剂，不耗时不耗力。因此降低了表面活性剂的生产成本，价格更便宜，为造纸生产降低了原料成本。

(3)该方法制备的琥珀酸双烷基酯磺酸钠纯度高，副产物少，不需提纯，方便简单。

(4)反应所需材料廉价易得，且具有低毒性，有很好的应用前景。

具体实施方式

实施例1：

(1)在反应釜中加入摩尔比1:2的顺丁烯二酸酐和异辛醇，加入摩尔总量0.3％的催化剂对甲苯磺酸，配上冷凝管、控温装置、分水器，加热至130℃并在此温度下保持5个小时，然后冷却至室温得淡黄色粘稠液体。

(2)将所制得的第一步产物分别用碳酸钾水溶液和氯化钠水溶液洗三次即得琥珀酸二异辛酯。其外观为淡黄色液体，平均产率为94％，折光率为1.4543。

(3)在反应釜中加入经过洗涤、分离的产物，再加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠及酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，配上冷凝管和机械搅拌，加热至100℃回流6个小时。然后将溶液冷却至50℃左右，在溶液中加入异丙醇，稍微搅拌，冷却至室温后，离心除去少量的不溶物得淡黄色粘稠状液体产品。常压蒸馏回收异丙醇和水，再在温度150℃下油浴，油泵减压除去极少量的残存的异辛醇，冷却后得到琥珀酸二异辛酯磺酸钠粗品。其外观为淡黄色胶状物，平均产率为93％，纯度大于98％。

实施例2：

(1)在反应釜中按摩尔比1:2加入顺丁烯二酸酐和正十二醇，加入0.5％对甲苯磺酸作为催化剂，配上冷凝管、控温装置、分水器，加热至165℃并在此温度下保持5个小时，然后冷却至室温。

(2)在反应釜中加入第一步产物，再加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠及酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，配上冷凝管和机械搅拌，加热至110℃回流6个小时。溶液冷却至50℃左右时，在溶液中加入异丙醇，稍微搅拌即可。

实施例3：

(1)在反应釜中按摩尔比1:2加入顺丁烯二酸酐和正十四醇，加入0.5％对甲苯磺酸作为催化剂，配上冷凝管，控温装置，分水器。加热至190℃，并在此温度下保持5个小时，然后冷却至室温。

(2)在反应釜中加入第一步产物，再加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠及酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，配上冷凝管和机械搅拌，加热至95℃回流6个小时。溶液冷却至50℃左右时，在溶液中加入异丙醇，稍微搅拌即可。

实施例4：

(1)在反应釜中按摩尔总量比为1:2加入顺丁烯二酸酐和醇，其中醇为异辛醇和异戊醇或正十二醇或正十四醇或正十六醇或异十三醇中任意一种醇的混合物，异辛醇占总醇摩尔比为70-95％。按总量0.3％比例加入催化剂对甲苯磺酸，配上冷凝管，控温装置，分水器。加热至165℃并保温5个小时，然后冷却至室温。得淡黄色粘稠液，平均产率为94％。

(2)将所制得的第一步产物分别用碳酸钾水溶液和氯化钠水溶液洗涤得杂合琥珀酸双烷基酯。

(3)在反应釜中加入经过洗涤、分离的第一步产物，再加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠和水，配上冷凝管和机械搅拌，加热回流6个小时。溶液冷却至50℃左右时，在溶液中加入异丙醇，稍微搅拌即可。冷却至室温后，离心除去少量的不溶物得淡黄色粘稠状液体产品，其固含量大于66％。常压蒸馏回收异丙醇和水，再在温度150℃下油浴，油泵减压除去极少量的残存的异辛醇和异十三醇，冷却后得到琥珀酸双烷基酯磺酸钠粗品。其外观为淡黄色胶装物，平均产率大于93％，纯度大于98.5％。

实施例5

将顺丁烯二酸酐和异辛醇或异辛醇与异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇或异十三醇的任意比混合物按总摩尔比1:2加入到反应釜中，加入占混合物质量百分比0.3％的催化剂对甲苯磺酸，加热至80℃-190℃，并保温5个小时，然后冷却至室温，得酯化产物；将上步所制得的酯化产物按酯化产物：盐溶液体积比为1:10的比例，先用重量百分比浓度为5％碳酸钾水溶液，再用重量百分比浓度为5％的氯化钠水溶液洗涤，直至去除水溶性杂质及催化剂；在上步洗涤过的酯化产物中加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠，再加入酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，搅拌，加热至95-110℃回流6小时，即获得烷基琥珀酸酯类系列表面活性剂。酯化产物为：琥珀酸二异辛基酯或琥珀酸烷基异辛酯，所述琥珀酸烷基异辛酯为琥珀酸二异辛基酯分子中的一个异辛基链部分被异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇或异十三醇所取代的产物，取代的量分别各为异辛醇总量的5％、10％、20％和30％。

Claims (3)

1.一种造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法，其特征在于制备步骤为:

a.将顺丁烯二酸酐与异辛醇或异辛醇与异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇、异十三醇的任意比混合物，按总摩尔比1:2加入到反应釜中，加入占混合物质量0.3％的对甲苯磺酸作催化剂，加热至80℃-190℃，并恒温4～6个小时，然后冷却至室温，得酯化产物；

b.将上步所制得的酯化产物按酯化产物与盐溶液1:10的体积比进行洗涤，直至去除水溶性杂质及催化剂，然后向洗涤过的酯化产物中加入摩尔比1:1的亚硫酸氢钠，再加入酯化产物和亚硫酸氢钠总摩尔量15％的水，搅拌，加热至95-110℃回流5～7小时，即获得烷基琥珀酸酯类系列表面活性剂。

2.根据权利要求1所述的一种造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法，其特征在于所述的酯化产物为琥珀酸二异辛基酯或琥珀酸烷基异辛酯，所述琥珀酸烷基异辛酯为琥珀酸二异辛基酯分子中的一个异辛基链部分被异戊醇、正十二醇、正十四醇、正十六醇或异十三醇所取代的产物，取代的量分别各为异辛醇总量的5％、10％、20％和30％。

3.根据权利要求1所述的一种造纸工业用高纯琥珀酸酯系列表面活性剂的制备方法，其特征在于所述的盐溶液为质量百分比浓度为5％的酸钾水溶液和质量百分比浓度为5％的氯化钠水溶液，洗涤顺序为先用碳酸钾水溶液，再用氯化钠水溶液。