CN102895912A - 一种双子表面活性剂及其制备方法 - Google Patents

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本发明公开了一种双子表面活性剂及制备方法，涉及表面活性剂技术领域，首先将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比加入有机溶剂中，用催化剂催化反应得到马来酸二蔗糖酯，再将该反应物与脂肪酸酯按1:2的摩尔比混合，得到马来酸二蔗糖脂肪酸酯。由于本发明采用分子设计原理，先将马来酸酐与蔗糖反应得到马来酸二蔗糖酯，然后再与脂肪酸酯反应得到马来酸二蔗糖脂肪酸酯，这是具有二聚型结构的表面活性剂，其结构为：

Description

一种双子表面活性剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面活性剂技术领域，尤其是一种双子表面活性剂及其制备方法。
背景技术
双子表面活性剂是由间隔基团通过化学键联接两个疏水基团和两个亲水基团的离子头基构成的一类新型表面活性剂。与传统的单基表面活性剂相比，双子表面活性剂具有较低的临界胶束浓度、降低水溶液表面张力或者水油之间界面张力的性能更强、更好的水溶性等优点。
糖酯基表面活性剂产品安全、无公害，对人体无毒、不刺激皮肤和粘膜，可生物降解，是一种绿色表面活性剂。随着石油资源的日益匾乏，石油基化工原料的价格提升必然导致表面活性剂价格的提高；而另一方面，糖（淀粉、葡萄糖、乳糖、麦芽糖、蔗糖等）、氨基酸、肽及油脂等来自动植物的天然可再生资源在自然界中含量十分丰富，价格低廉。因此，以蔗糖为原料制成的蔗糖酯基绿色表面活性剂是极具发展前途的研究方向之一。
目前市面上出现的蔗糖酯基表面活性剂大多数为单基表面活性剂，在通常情况下，有较好的水溶性，但有时难以满足工业中的一些低温条件，因此，低温条件下具有良好表面活性的表面活性剂将有广阔的发展前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有二聚型表面活性结构，低温溶解性和低温复配性好，表面活性很好的一种双子表面活性剂及其制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：这种双子表面活性剂具有如下结构通式：
Figure 2012104096343100002DEST_PATH_IMAGE001
其中，R为C12或者C18烷基或者C18烯基。
其制备步骤为：
A、在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为5.6:1~8:1的有机溶剂；
B、将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在步骤A的有机溶剂中，然后减压蒸馏；其中，马来酸酐和蔗糖的分子式分别为：C4H2O3，C12H22O11，结构式分别为：
Figure 156804DEST_PATH_IMAGE002
 ， ；
C、加入马来酸酐与蔗糖固体质量的4%~8%的碱金属氢氧化物作为催化剂，在60~70°C下混合2~3小时；
D、在步骤C得到的反应物中加入脂肪酸酯，使该反应物与所加入的脂肪酸酯按1:2的摩尔比混合；
E、在100~110°C的温度下分散1~2小时；
F、然后升温到120~130°C下，反应2~4小时，得到马来酸二蔗糖脂肪酸酯，即为所需的双子表面活性剂。
上述技术方案中，更具体的技术方案还可以是：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或者甲苯。
进一步的，所述碱金属氢氧化物为KOH或者NaOH或者CaO。
进一步的，所述脂肪酸酯为硬脂酸甲酯或者月桂酸甲酯或者油酸甲酯。
本发明通过分子设计原理，将马来酸酐与蔗糖混合，在酸酐键上引入醇，生成双酯，再利用蔗糖的羟基与脂肪酸甲酯进行酯交换，生成马来酸二蔗糖脂肪酸酯，这种物质为非离子双子表面活性剂，是一种具有二聚型结构的双子表面活性剂，表面活性很好。
本发明提供的制备方法，原料均为常用的化工原料，反应条件温和，操作简单。步骤A中使用有机溶剂将非均相反应转化为均相反应，避免了原料的损耗和浪费。步骤C中碱金属氢氧化物调节了反应体系的pH值，避免了反应原料的副反应；确定反应温度的依据：原料马来酸酐的熔点约为52°C ，而在所给温度范围内马来酸酐基本熔为液态，而蔗糖仍相对稳定，没有发生副反应。步骤D中加入的脂肪酸酯与之前步骤的产物进行酯交换反应时离去的小分子物质为甲醇，由于通常情况甲醇的沸点为64°C左右，因此在反应条件下甲醇即以气态形式离去，减少了分离产物的步骤。
由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
1、本发明制备的表面活性剂具有的临界胶束浓度比相应的普通脂肪酸蔗糖酯表面活性剂低1~2 个数量级。
2、本发明制备的表面活性剂更易吸附在气/液表面，在降低水的表面张力方面比相应的普通脂肪酸蔗糖酯表面活性剂更有效，相同浓度下降低水的表面张力的能力约为相应的普通脂肪酸蔗糖酯表面活性剂降低能力的2~3倍。
3、本发明制备的表面活性剂与相应的普通脂肪酸蔗糖酯表面活性剂相比，复配表现出很好的协同效应，与其他表面活性剂的配比在低于2:1即能复配良好。
4、本发明制备的表面活性剂有很低的Krafft点，在0°C以下，而且由于每个蔗糖分子中含有8个亲水性羟基官能团，酯化形成双子结构后仍保留大量羟基位点，因此它比相应的普通脂肪酸蔗糖酯表面活性剂具有更强的水溶性。
5、本发明制备的表面活性剂具有良好的钙皂分散性质。
6、本发明提供的方法原料价廉易得，且蔗糖酯基表面活性剂产品安全、无公害，对人体无毒、不刺激皮肤和粘膜，可生物降解。
具体实施方式
实施例1
在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为6:1的有机溶剂；将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在N,N-二甲基甲酰胺中，然后减压蒸馏；加入马来酸酐与蔗糖固体总质量的4%的KOH作为催化剂；60°C下混合2小时；加入硬脂酸甲酯，使有机溶剂中的产物与所加入的酯按1: 2的摩尔比混合；在100°C的温度下分散1小时；然后升温到120°C下，反应2小时，得到浅黄色固体，产物是结构式为
Figure 552014DEST_PATH_IMAGE004
的非离子双子表面活性剂。
实施例2
在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为8:1的有机溶剂；将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在N,N-二甲基甲酰胺中，然后减压蒸馏；加入马来酸酐与蔗糖固体总质量的4%的KOH作为催化剂；60°C下混合2小时；加入油酸甲酯，使有机溶剂中的产物与所加入的酯按1: 2的摩尔比混合；在110°C的温度下分散2小时；然后升温到130°C下，反应2小时，得到浅黄色固体，产物是结构式为
Figure 2012104096343100002DEST_PATH_IMAGE005
的非离子双子表面活性剂。
实施例3
在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为5.6:1的有机溶剂；将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在甲苯中，然后减压蒸馏；加入马来酸酐与蔗糖固体总质量的4%的NaOH作为催化剂；70°C下混合3小时；加入硬脂酸甲酯，使有机溶剂中的产物与所加入的酯按1: 2的摩尔比混合；在100°C的温度下分散2小时；然后升温到120°C下，反应3小时，得到浅黄色固体，产物是结构式为
Figure 428703DEST_PATH_IMAGE004
的非离子双子表面活性剂。
实施例4
在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为8:1的有机溶剂；将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在N,N-二甲基甲酰胺中，然后减压蒸馏；加入马来酸酐与蔗糖固体总质量的8%的KOH作为催化剂；60°C下混合2小时；加入月桂酸甲酯，使有机溶剂中的产物与所加入的酯按1: 2的摩尔比混合；在100°C的温度下分散2小时；然后升温到120°C下，反应4小时，得到浅黄色固体，产物是结构式为
Figure 64215DEST_PATH_IMAGE006
的非离子双子表面活性剂。
上述实施例中所得的非离子双子表面活性剂产物的临界胶束浓度采用电导率法测定。具体步骤为：测定电导池常数l/A；取以处理过的上述实施例中的非离子双子表面活性剂，用电导水分别配制不同浓度梯度的溶液各100ml；用电导率仪从稀到浓分别测定上述配制的各溶液的电导率；测定所用水的电导率；绘制电导率（或摩尔电导率）与浓度的关系图；从图中转折点找出各非离子双子表面活性剂的临界胶束浓度。本发明制备的非离子双子表面活性剂通过上述方法测定出临界胶束浓度为2.3×10-6mol/L~6.2×10-5mol/L。
上述实施例中非离子双子表面活性剂水溶液的表面张力采用电环法测定。具体步骤为：配制相同浓度的上述实施例中制备的非离子双子表面活性剂；将吊环慢慢浸入溶液里；将吊环慢慢往上提上，即液面相对下降，使得吊环下面形成一段液柱，并最终与吊环分离；根据吉布斯等温方程求出各溶液的表面张力。本发明制备的非离子双子表面活性剂通过上述方法测定出水溶液的表面张力约为：5.3mN/m~11.5mN/m。

Claims (5)

1.一种双子表面活性剂，其特征在于具有如下结构通式：
Figure 2012104096343100001DEST_PATH_IMAGE002
其中，R为C12或者C18烷基或者C18烯基。
2.一种双子表面活性剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、在真空环境中，在四口烧瓶放入与马来酸酐的摩尔比为5.6:1~8:1的有机溶剂；
B、将马来酸酐与蔗糖按1:2的摩尔比混合在步骤A的有机溶剂中，然后减压蒸馏；其中，马来酸酐和蔗糖的分子式分别为：C4H2O3，C12H22O11，结构式分别为： ， 
Figure 2012104096343100001DEST_PATH_IMAGE006
；
C、加入马来酸酐与蔗糖固体质量的4%~8%的碱金属氢氧化物作为催化剂，在60~70°C下混合2~3小时；
D、在步骤C得到的反应物中加入脂肪酸酯，使该反应物与所加入的脂肪酸酯按1:2的摩尔比混合；
E、在100~110°C的温度下分散1~2小时；
F、然后升温到120~130°C下，反应2~4小时，得到马来酸二蔗糖脂肪酸酯，即为所需的双子表面活性剂，其结构通式为：
Figure 572613DEST_PATH_IMAGE002
其中，R为C12或者C18烷基或者C18烯基。
3.根据权利要求1所述的一种双子表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺或者甲苯。
4.根据权利要求1所述的一种双子表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述碱金属氢氧化物为KOH或者NaOH或者CaO。
5.根据权利要求1所述的双子表面活性剂的制备方法，其特征在于：所述脂肪酸酯为硬脂酸甲酯或者月桂酸甲酯或者油酸甲酯。
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