CN104277215A - 一种油溶性聚醚硝酸酯及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种油溶性聚醚硝酸酯及其制备和应用;加入制得产物重量30~500ppm的催化剂,加入摩尔比为0:1~1:1的引发剂与环氧烷烃,先部分加入环氧烷烃,加热至30~150℃,保持压力0.5~1.5MPa,待温度上升,压力下降,再将剩余部分的环氧烷烃加入,达到所需的聚合物分子量后,老化,温度降至室温,放入冰浴中,使温度达到-10~0℃,加入与聚合物摩尔比为10:1~1:1的醋酸酐,加入与聚合物摩尔比为10:1~1:1的发烟硝酸,保持反应温度在10~40℃,得到油溶性聚醚硝酸酯;其加入0.05~0.5%到柴油中可大幅提高其十六烷值,具有优异的清净性、低温启动性和润滑特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种油溶性聚醚硝酸酯及其制备和应用。
背景技术
随着柴油消费量的提高,对柴油的质量要求也越来越高,尤其对柴油十六烷值的要求越来越高。十六烷值(Cetane Number,简称CN)是柴油在压燃发动机中着火性质的量度。十六烷值的高低直接影响着柴油发动机的冷启动性能、污染物排放、耗油量和工作噪音等。我国柴油国家标准要求,轻柴油的十六烷值不低于45,由中间基原油生产或混有催化组分的轻柴油十六烷值允许小于40。虽然各个炼化厂采用催化裂化二次加工工艺以提高轻质油的产量,但是此工艺的稳定性较差,这不能在短期解决市场的需求。目前在柴油中直接添加十六烷值改进剂,其成本低、制备工艺简单,得到广泛应用。
中国发明专利CN102041109A公开了一种柴油十六烷值添加剂及其制备方法,该添加剂中的十六烷值改进剂采用硝酸酯组合物,是由丙三醇三硝酸酯、三缩丙三醇三硝酸酯和4,4-二硝基戊酸甲酯组成,用以提高燃油的稳定性,燃烧更加安全充分,减少发动机的积炭,延长发动机的使用寿命。
欧洲专利EP015684A1公开了一种带有硝酸酯功能基的小分子柴油添加剂,其化学组成为乙二醇醚硝酸酯,其中乙二醇的重复单元为1~15。专利指出当使用0.01~3%的加入量时,可以提高柴油的十六烷值,并且可以使系统保持清洁。
中国发明专利CN102041113A公开了一种新型柴油添加剂组分,它包含十六烷值改进剂、清净分散剂、助燃剂、抗氧与金属钝化剂、低温流动改进剂。其中所述的十六烷值改进剂为一种小分子烷基硝酸酯和小分子烷氧基硝酸酯的协同组合。
中国发明专利CN101665731A公开了一种有机小分子组成的十六烷值改进剂组合物,其成分包括20-50%烷氧基单硝酸酯、15-45%烷氧基多硝酸酯和5-65%胺类化合物,其中胺类化合物作为稳定剂保证了此组合物的安全稳定可靠,该组合物以0.01-0.18%的用量加入到柴油中,最高可提高十六烷值9.7,从而改进柴油的燃烧性能。
中国发明专利CN101787092A介绍了一种柴油十六烷值改进剂――胺基聚乙烯醇多硝酸酯及其制备方法,具体步骤包括首先将碳个数在1000~10000的聚乙烯醇与硝酸反应得到聚乙烯醇多硝酸酯;其次利用胺化还原技术将聚乙烯醇多硝酸酯中的部分硝基还原为胺基,用以提高硝酸酯的稳定性。最终得到目标产品,专利指出将1‰该产品加入到柴油中,十六烷值可以提高6.7。
美国专利US20050160662A1介绍了一种可加入烃类柴油的十六烷值改进剂组合物,其中包括2,2,4-三甲基-6-乙氧基-1,2-二羟基喹啉和β-胡萝卜素。专利中指出将稳定剂2,2,4-三甲基-6-乙氧基-1,2-二羟基喹啉以重量比1:1-1:10的比例加入到β-胡萝卜素中,从而可以得到稳定的β-胡萝卜素组合物。将稳定的β-胡萝卜素组合物加入到柴油中,可以使得十六烷值提高19.2单位。
目前被广泛认可能有效提高柴油十六烷值并商业化的是硝酸酯类化合物,但是这些化合物均是小分子硝酸酯化合物,小分子硝酸酯化合物包含固有缺点,如:稳定性差,抗爆性差,甚至需要加入稳定剂,这不仅增加了制备工序,而且增加了成本。
经过相关文献的检索,目前并没有关于采用长链的油溶性聚醚硝酸酯作为柴油十六烷值改进剂的相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异的清净性、低温启动性、润滑特性和稳定性的油溶性聚醚硝酸酯作为柴油十六烷值改进剂。
本发明的另一目的在于提供一种柴油十六烷值改进剂的制备方法,该方法的工艺简单、生产周期短、可实现工业化生产。
本发明所述的油溶性聚醚硝酸酯,其分子通式为:
式中,m=0~5000,n=0~5000,m、n不同时为零,x≧1,R1为C1~C30的长链烷烃,R2为氢或甲基,R3为C2~C30的长链烷烃。
本发明提供一种油溶性聚醚硝酸酯的制备方法,按以下工艺步骤进行:
A、向有惰性气体保护的干燥反应釜中加入催化剂,催化剂的加入量为制得产物(重量百分比)的30~500ppm,再加入引发剂和部分环氧烷烃,引发剂与环氧烷烃的摩尔比为0:1~1:1,将反应釜加热至30~150°C,保持压力0.5~1.5MPa,待温度上升,压力下降,反应开始时,再将剩余部分的环氧烷烃按0.01~30克/分钟的速率加入到反应釜中,当达到所需的聚合物分子量后,继续老化2-4小时,停止加热,反应釜温度降至室温;
B、将反应釜放入冰浴中,使其温度达到-10~0°C,向反应釜内加入醋酸酐,醋酸酐与聚合物的摩尔比为10:1~1:1,再加入发烟硝酸,发烟硝酸与聚合物的摩尔比为10:1~1:1,升温并保持反应温度在10~40°C,反应1~12小时,反应结束对反应物进行过滤,得到油溶性聚醚硝酸酯。
所述的催化剂为Zn/Co类双金属催化剂,其结构中含有氯化锌、叔丁醇和水;或碱金属氢氧化物。碱金属氢氧化物为氢氧化钠或氢氧化钾或氢氧化铯。
催化剂用量最好为制得产物(重量百分比)的50~300ppm。
引发剂可以不加或者加入醇类引发剂,可以为单一醇,也可以使用两种醇并按任意比例的复配。包括甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、叔丁醇、正戊醇、异戊醇、己基醇、1-甲氧基-2-丙醇、壬基酚、乙二醇、丙三醇、甘油、双甘油、聚丙三醇、聚乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、正辛醇、异辛醇、双丙甘醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇、聚乙烯醇、山梨糖醇或蔗糖。
环氧烷烃为环氧乙烷或环氧丙烷或环氧丁烷或C5~C30的环氧烷烃或两种成分按任意比例的复配。
本发明具有如下优点:柴油十六烷值改进剂为油溶性聚醚硝酸酯,改进剂的添加量少,一般添加质量为0.05~0.5%,降低使用成本;能大幅提高柴油十六烷值,增加热值,稳定性好;具有优异的清净性、优良的低温启动性和润滑特性,可以在常温常压下使用,同时油溶性聚醚的凝固点低(一般为-40°C左右),低温条件下具有良好的流动性,改善发动机的低温启动性;对机器无腐蚀,能减少烟雾的排放,改善了发动机的尾气排放污染,提高了发动机的动力性能和经济性能,增加发动机使用寿命;油溶性聚醚硝酸酯的制备方法简单,易于操作控制,可以连续生产,生产效率高、生产成本低,适合工业化生产;单一组分的油溶性聚醚硝酸酯可以有效提高柴油十六烷值,并且可以在聚合物链上进行修饰,得到不同分子量的聚合物,用于得到不同性能的产品,适用于各种直馏柴油、催化柴油及调和柴油等不同的油品。
具体实施方式
实施例1
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入76.3毫克氢氧化钠催化剂,再加入86.4克正丁醇引发剂与84克环氧丁烷,加热反应釜至90°C,保持压力1.5MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以2克/分钟的速率继续添加剩余的84克环氧丁烷,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-5°C,加入5mol醋酸酐,再缓慢加入5mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在20°C,反应6小时,反应结束后,过滤,得到220克的油溶性聚醚硝酸酯A,其分子式为:
实施例2
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入53.6毫克氢氧化钠催化剂,再加入98.6克正丁醇引发剂与13.9克环氧乙烷和58.8克环氧丁烷的混合物,加热反应釜至100°C,保持压力1.2MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以5克/分钟继续添加剩余的20.9克环氧乙烷和80.64克环氧丁烷,加料完毕,继续老化4小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到0°C,加入6mol醋酸酐,再缓慢加入10mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在40°C,反应1小时,反应结束后,过滤,得到180克油溶性聚醚硝酸酯B,其分子式为:
实施例3
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入22.9毫克氢氧化钾催化剂,再加入26.2克乙醇和34.2克异丙醇引发剂的混合物与7.83克环氧乙烷和42.84克环氧丁烷的混合物,加热反应釜至90°C,保持压力1.2MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以5克/分钟的速率继续添加18.27克环氧乙烷与99.96克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化3小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-10°C,加入3mol醋酸酐,再缓慢加入1mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在30°C,反应0.5小时,反应结束后,过滤,得到212克油溶性聚醚硝酸酯C,其分子式为:
实施例4
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入29.1毫克Zn3[Co(CN)6]2·ZnCl2·t-BuOH·CeCl3·H2O催化剂,再加入123.4克环己基醇引发剂与12.5克环氧丙烷和37.8克环氧丁烷的混合物,加热反应釜至100°C,保持压力1.0MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以10克/分钟的速率继续添加29.1克环氧丙烷和88.2克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-5°C,加入7mol醋酸酐,再缓慢加入9mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在20°C,反应6小时,反应结束后,过滤,得到265克油溶性聚醚硝酸酯D,其分子式为:
实施例5
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入21.5毫克Zn3[Co(CN)6]2·ZnCl2·t-BuOH·LaCl3·H2O催化剂,再加入47.2克1,2-丙二醇引发剂与24.9克环氧丙烷和75.6克环氧丁烷的混合物,加热反应釜至30°C,保持压力1.0MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以20克/分钟的速率继续添加16.6克环氧丙烷和50.4克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-7°C,加入5mol醋酸酐,再缓慢加入5mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在35°C,反应2小时,反应结束后,过滤,得到204克油溶性聚醚硝酸酯E,其分子式为:
实施例6
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入11.8毫克Zn3[Co(CN)6]2·ZnCl2·t-BuOH·Ce(NO3)3·H2O催化剂,再加入65.4克1,3-丙二醇引发剂与13.1克环氧乙烷和71.4克环氧丁烷的混合物,加热反应釜至60°C,保持压力1.1MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以15克/分钟的速率继续添加13克环氧乙烷和71.4克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-4°C,加入6mol醋酸酐,再缓慢加入4mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在40°C,反应1小时,反应结束后,过滤,得到205克油溶性聚醚硝酸酯F,其分子式为:
实施例7
将高压反应釜进行无水干燥处理,通入惰性气体,向反应釜中加入49.5毫克Zn3[Co(CN)6]2·ZnCl2·t-BuOH·CeCl3·H2O催化剂,再加入79.3克季戊四醇引发剂与67.2克环氧丁烷,加热反应釜至80°C,保持压力1.2MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以25克/分钟的速率继续添加100.8克环氧丁烷,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到0°C,加入8mol醋酸酐,再缓慢加入3mol发烟硝酸,升温并保持反应温度在35°C,反应1小时,反应结束后,过滤,得到227克油溶性聚醚硝酸酯G,其分子式为:
实施例8
将高压反应釜无水干燥,通入惰性气体,向反应釜中加入305.6毫克催化剂Zn3[Co(CN)6]2·ZnSO4·t-BuOH·CeCl3·H2O,再加入292.9克壬基酚引发剂与6.9克环氧乙烷和26.9克环氧丁烷的混合物,密闭反应釜。加热至130°C,保持压力1.2MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以30克/分钟的速率继续加入27.9克环氧乙烷和65.4克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-5°C,加入5mol醋酸酐,慢慢加入5mol发烟硝酸,保持反应温度在20°C,反应6小时,反应结束后,过滤,得到432克油溶性聚醚硝酸酯H,其分子式为:
实施例9
将高压反应釜无水干燥,通入惰性气体,向反应釜中加入3.2毫克催化剂Zn3[Co(CN)6]2·ZnSO4·t-BuOH·Ce(NO3)3·H2O,再加入7克环氧乙烷和30克环氧丁烷的混合物,密闭反应釜。加热至70°C,保持压力0.6MPa,待温度上升,压力下降,反应开始后,以10克/分钟的速率继续加入27克环氧乙烷和42.8克环氧丁烷的混合物,加料完毕,继续老化2小时,停止加热。待反应釜降至室温后,将1mol聚合物的反应釜放入冰浴中,使其温度达到-4°C,加入2mol醋酸酐,慢慢加入2mol发烟硝酸,保持反应温度在15°C,反应5小时,反应结束后,过滤,得到152.8克油溶性聚醚硝酸酯I,其分子式为:
本发明不限于上述实施例。
将实施例1-9中制得的油溶性聚醚A-I,按照0.05%w/w用量加入到柴油中,通过GB/T386-2010方法测定柴油样品的十六烷值并评价柴油十六烷值改进剂的效果,结果见表1:
表1本发明的十六烷值改进剂对柴油十六烷值的改进效果
结果表明,添加油溶性聚醚硝酸酯能够有效提高柴油十六烷值,增大幅度最大可达11.8。
Claims (6)
1.一种油溶性聚醚硝酸酯,其特征在于:其分子通式为:
式中,m=0~5000,n=0~5000,m、n不同时为零,x≧1,R1为C1~C30的长链烷烃,R2为氢或甲基,R3为C2~C30的长链烷烃。
2.一种油溶性聚醚硝酸酯的制备方法,其特征在于:按以下工艺步骤进行:
A、向有惰性气体保护的干燥反应釜中加入催化剂,催化剂的加入量为制得产物重量百分比的30~500ppm,再加入引发剂和部分环氧烷烃,引发剂与环氧烷烃的摩尔比为0:1~1:1,将反应釜加热至30~150℃,保持压力0.5~1.5MPa,待温度上升,压力下降,反应开始时,再将剩余部分的环氧烷烃按0.01~30克/分钟的速率加入到反应釜中,当达到所需的聚合物分子量后,继续老化2-4小时,停止加热,反应釜温度降至室温;
B、将反应釜放入冰浴中,使其温度达到-10~0℃,向反应釜内加入醋酸酐,醋酸酐与聚合物的摩尔比为10:1~1:1,再加入发烟硝酸,发烟硝酸与聚合物的摩尔比为10:1~1:1,升温并保持反应温度在10~40℃,反应1~12小时,反应结束对反应物进行过滤,得到油溶性聚醚硝酸酯;
所述的催化剂为Zn/Co类双金属催化剂或碱金属氢氧化物。
3.根据权利要求2所述的一种油溶性聚醚硝酸酯的制备方法,其特征在于:在步骤A中催化剂用量为制得产物重量百分比的50~300ppm。
4.根据权利要求2所述的一种油溶性聚醚硝酸酯的制备方法,其特征在于:引发剂为醇类引发剂,为单一醇或两种醇按任意比例的复配。
5.根据权利要求2所述的一种油溶性聚醚硝酸酯的制备方法,其特征在于:环氧烷烃为环氧乙烷、环氧丙烷、环氧丁烷、C5~C30的环氧烷烃或两种成分按任意比例的复配。
6.一种权利要求1所述的油溶性聚醚硝酸酯的应用,其特征在于:该油溶性聚醚硝酸酯用作柴油十六烷值改进剂,添加质量为0.05~0.5%。
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