CN111518233A - 一种阳离子表面活性剂的制备方法及其应用 - Google Patents

一种阳离子表面活性剂的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种阳离子表面活性剂的制备方法，其中所述阳离子表面活性剂为(4‑乙烯基苯基‑4’‑亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮，其制备方法包括以下步骤：将乙烯基吡咯烷酮水溶液在催化剂、引发剂的作用下发生聚合反应，加入(4‑乙烯基苯基‑4’‑亚甲基羧基苯基)碘鎓，封端，干燥后即得。所述阳离子表面活性剂能与阴离子表面活性剂兼容的阳离子表面活性剂的制备方法；该阳离子表面活性剂能应用到特定改性纤维素的制备，该改性纤维素能同时具有吸附染料和抑菌衣物的功效。

Description

一种阳离子表面活性剂的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于纺织工程领域，具体地涉及一种阳离子表面活性剂的制备方法及其应用，具体地涉及(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的制备方法及其应用。
背景技术
现有的染料捕获剂为阳离子表面活性剂，与洗涤剂中的阴离子表面活性剂不相容，在洗涤过程中，阴离子表面活性剂占主导地位，直接导致阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂形成盐而增溶在体系中，消耗的阴离子表面活性剂影响了洗涤剂的去污力，反应了的阳离子表面活性剂则失去了捕获染料的能力。
现有技术未曾报道碘鎓化合物能作为阳离子表面活性剂，与阴离子表面活性剂兼容的特性，更不曾有报道其能应用到洗涤剂中，更不曾有报道其能应用到特定改性纤维素的制备中，该改性纤维素能同时具有吸附染料和抑菌衣物的功效。
因此，急需研发出一种阳离子表面活性剂，其能应用到特定改性纤维素的制备中，该改性纤维素能同时具有吸附染料和抑菌衣物的功效。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种能与阴离子表面活性剂兼容的阳离子表面活性剂，其所制备的改性纤维素能同时具有吸附染料和抑菌衣物的功效。
本发明所述阳离子表面活性剂的制备方法，其中所述阳离子表面活性剂为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮，其制备方法包括以下步骤：将乙烯基吡咯烷酮水溶液在催化剂、引发剂的作用下发生聚合反应，加入(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓，封端，干燥后即得。
进一步地，本发明所述乙烯基吡咯烷酮水溶液、催化剂、引发剂与4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓的质量比为100：(0.2～0.5)：(0.3～0.6)：(0.5～2)。
优选地，本发明所述催化剂为过氧化氢；优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
进一步地，本发明所述乙烯基吡咯烷酮水溶液、催化剂与引发剂聚合反应的温度40～80℃，反应时间为2～5h；优选地，加入(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓后反应时间为0.2～0.8h。
优选地，本发明在得到(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮后，再向聚合物中加质量分数为0.2～0.6％的氨水；优选地，所述干燥采用喷雾干燥，喷雾干燥的热风温度范围为120～180℃。
进一步地，本发明所述(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓通过以下方法制备而成：二苯基碘鎓盐与乙烯在分子筛催化剂的作用下反应，得到4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓，再经催化氧化得到4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓。
进一步地，本发明所述二苯基碘鎓盐与乙烯的质量比为(7:1)～(9:1)，分子筛催化剂的用量为乙烯质量的0.05～0.2％；优选地，其反应压力为0.8～2.0MPa，反应温度为120～220℃。
优选地，本发明所述分子筛催化剂选自镁、钙或钡交换的钠型ZSM-5型分子筛。
更进一步地，本发明所述4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓被氧化所采用的催化剂为负载型钯(Pd)杂多酸(heteropolyacid)催化剂；优选地，所述催化剂的用量为4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓质量的0.02～0.1％；优选地，其反应温度为140～260℃，反应压力为0.3～1.5MPa。
本发明的另一技术目的是提供上述的阳离子表面活性剂在织物洗涤吸色防染中的应用。
本发明采用上述技术方案所能达到的有益效果是：
。本发明提供了一种能与阴离子表面活性剂兼容的阳离子表面活性剂的制备方法；该阳离子表面活性剂能应用到特定改性纤维素的制备，该纤维素能同时具有吸附染料和抑菌衣物的功效。
在衣物洗涤时，该改性纤维素发生水解，(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮重新游离出来，聚乙烯吡咯烷酮为高效的染料捕获剂，碘鎓化合物为带阳离子性的表面活性剂，可以与阴离子表面活性剂兼容，在洗涤过程中依然可以发挥有效的抑菌效果。本发明的(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮所制备的改性纤维素既具有抑菌效果，也具有吸附染料的效果。
具体实施方式
以下通过具体较佳实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不仅限于以下的实施例。
(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓的制备中负载型钯(Pd)杂多酸(heteropolyacid)催化剂可选择美国NationalDistillers公司、美国StandOilCo，美国HalconInternationInc，法国InstitueFrancasduPetrol，日本触媒化成工业或日本昭和电工公司。
(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓的制备中二苯基碘鎓可以选择上海源叶生物科技有限公司、上海恒斐生物科技有限公司、上海彩佑实业有限公司、上海振誉生物科技有限公司、上海研谨生物科技有限公司和上海金穗生物科技有限公司等公司的CAS号为722-56-5的产品(包括，但不仅限于上述公司)此处不再一一例举。
一、(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓的制备
以分子筛为催化剂，二苯基碘鎓盐与乙烯反应，得到4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓(如式(I)所示)(实施例1-1、1-2、1-3的反应条件如表1所示)，4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓经过负载型钯(Pd)杂多酸(heteropolyacid)催化剂体系部分氧化得到4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓(如式(II)所示)(实施例1-1、1-2、1-3反应条件如表2所示)：
Figure BDA0002475998890000031
其中，分子筛选自镁、钙或钡交换的钠型ZSM-5型分子筛。
表1二苯基碘鎓盐与乙烯反应条件及物质用量
Figure BDA0002475998890000032
表2 4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓经部分催化氧化反应条件及物质用量
实施例 催化剂比例/％ 催化剂种类 反应压力/MPa 反应温度/℃
1-1 0.02 Pd-H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>-Au/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.3～0.5 140～160
1-2 0.05 PdO/V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.8～1.0 230～260
1-3 0.1 Pd/V<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 1.0～1.2 200～220
二、制备改性纤维素
实施例2-1
1、(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的合成
将单体乙烯基吡咯烷酮(NVP)配置成质量分数为45％的水溶液，用少量过氧化氢(0.2％的NVP)作为催化剂，在偶氮二异丁腈(0.3％的NVP)作用下，于40-50℃下引发聚合，反应2小时，单体聚合转化率为93～95％。加入实施例1-1所制得的(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓(用量为0.5％的NVP)，反应0.2小时，对聚合物进行封端，得到(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。
再向该聚合物中加0.2％氨水，使残存的偶氮二异丁腈分解。将聚合物在120-135℃热风下喷雾干燥，得到粉状的(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端率为80～85％。
(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮合成反应如下式(III)：
Figure BDA0002475998890000041
2、2,3-双羧基纤维素的合成
纤维素用甲醇-水溶液(1:5)浸泡2小时，用HIO4进行氧化，反应体系各物质浓度为：醋酸钠0.03g/mL，HIO4浓度为0.08g/mL，纤维素浓度为0.03g/mL，反应温度为35-40℃，反应时间为40h。反应得到二醛纤维素。二醛纤维素在50℃下，缓慢滴加酸性高锰酸钾溶液(5％水溶液)，至酸性高锰酸钾不褪色，得到2,3-双羧基纤维素。2,3-双羧基纤维素加入甲醇重结晶，50℃真空干燥。羧酸基团含量为45％。
2,3-双羧基纤维素的合成反应如下式(Ⅳ)：
Figure BDA0002475998890000051
3、改性纤维素的合成
(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素(质量比为1:9)在五氧化二磷(用量为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素总质量的3％)的作用下，加热至50～55℃，发生分子间脱水反应，(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的羧基与2,3-双羧基纤维素羧基缩合反应，得到改性纤维素。2,3-双羧酸纤维素的羧基的缩合率为75％。其反应方程式如式(Ⅴ)所示：
Figure BDA0002475998890000052
实施例2-2
1、(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的合成
将单体乙烯基吡咯烷酮(NVP)配置成质量分数为50％的水溶液。用少量过氧化氢(用量为0.3％的NVP)作为催化剂，在偶氮二异丁腈(0.4％的NVP作用下，于50～60℃下引发聚合，反应3小时，单体聚合转化率为96～98％。加入实施例1-1所制得的(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓(用量为0.8％的NVP)，反应0.5小时，对聚合物进行封端，得到(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。
再向该聚合物中加0.3％氨水，使残存的偶氮二异丁腈分解。将聚合物在135-150℃热风下喷雾干燥，得到粉状的(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端率为85～90％，其反应方程式实施例2-1的式(Ⅳ)所示。
2、2,3-双羧基纤维素的合成
纤维素用甲醇-水溶液(1:1)浸泡4小时，用HIO4进行氧化。反应体系各物质浓度为：醋酸钠0.05g/mL，HIO4浓度为0.1g/mL，纤维素浓度为0.04g/mL，反应温度为40-45℃，反应时间为50h。反应得到二醛纤维素。二醛纤维素在55℃下，缓慢滴加酸性高锰酸钾溶液(5％水溶液)，至酸性高锰酸钾不褪色，得到2,3-双羧基纤维素。2,3-双羧基纤维素加入甲醇重结晶，60℃真空干燥。羧酸基团含量为50％。其反应方程式实施例2-1的式(III)所示。
3、改性纤维素的合成
(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素(质量比为6:4)在醋酐(用量为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素总质量的4％)的作用下，加热至58～60℃，发生分子间脱水反应，(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的羧基与2,3-双羧基纤维素羧基缩合反应，得到改性纤维素。2,3-双羧酸纤维素的羧基的缩合率为80％。其反应方程式实施例2-1的式(Ⅴ)所示。
实施例2-3
1、(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的合成
将单体乙烯基吡咯烷酮(NVP)配置成质量分数为55％的水溶液。用少量过氧化氢(0.4％的NVP)作为催化剂，在偶氮二异丁腈(0.5％的NVP)作用下，于60-70℃下引发聚合，反应4小时，单体聚合转化率为97～99％。加入实施例1-2所制得的(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓(用量为1％的NVP)，反应0.6小时，对聚合物进行封端，得到(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。
再向该聚合物中加0.4％氨水，使残存的偶氮二异丁腈分解。将聚合物在150-165℃热风下喷雾干燥，得到粉状的(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端率为90～93％，其反应方程式实施例2-1的式(III)所示。
2、2,3-双羧基纤维素的合成
纤维素用甲醇-水溶液(3:1)浸泡5小时，用HIO4进行氧化。反应体系各物质浓度为：醋酸钠0.06g/mL，HIO4浓度为0.15g/mL，纤维素浓度为0.05g/mL，反应温度为35-40℃，反应时间为50h。反应得到二醛纤维素。二醛纤维素在45℃下，缓慢滴加酸性高锰酸钾溶液(5％水溶液)，至酸性高锰酸钾不褪色，得到2,3-双羧基纤维素。2,3-双羧基纤维素加入甲醇重结晶，70℃真空干燥。羧酸基团含量为55％。其反应方程式实施例2-1的式(Ⅳ)所示。
3、改性纤维素的合成
(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素(质量比为1:1)在乙酰氯(用量为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素总质量的5％)的作用下，加热至55～60℃，发生分子间脱水反应，(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的羧基与2,3-双羧基纤维素羧基缩合反应，得到改性纤维素。2,3-双羧酸纤维素的羧基的缩合率为85％。其反应方程式实施例2-1的式(Ⅴ)所示。
实施例2-4
1、(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的合成
将单体乙烯基吡咯烷酮(NVP)配置成质量分数为50％的水溶液。用少量过氧化氢(0.5％的NVP)作为催化剂，在偶氮二异丁腈(0.6％的NVP)作用下，于70-80℃下引发聚合，反应5小时，单体聚合转化率为98～99％。加入实施例1-3所制得的(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓(2％的NVP)，反应0.8小时，对聚合物进行封端，得到(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。
再向该聚合物中加0.6％氨水，使残存的偶氮二异丁腈分解。将聚合物在165-180℃热风下喷雾干燥，得到粉状的(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮。(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端率为93～95％，其反应方程式实施例2-1的式(III)所示。
2、2,3-双羧基纤维素的合成
纤维素用甲醇-水溶液(5:1)浸泡6小时，用HIO4进行氧化。反应体系各物质浓度为：醋酸钠0.08g/mL，HIO4浓度为0.2g/mL，纤维素浓度为0.06g/mL，反应温度为40-45℃，反应时间为60h。反应得到二醛纤维素。二醛纤维素在55℃下，缓慢滴加酸性高锰酸钾溶液(5％水溶液)，至酸性高锰酸钾不褪色，得到2,3-双羧基纤维素。2,3-双羧基纤维素加入甲醇重结晶，80℃真空干燥。羧酸基团含量为48％。其反应方程式实施例2-1的式(Ⅳ)所示。
3、改性纤维素的合成
(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素(质量比为1:5)在三氯氧磷(用量为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮和2,3-双羧酸纤维素总质量的4％)的作用下，加热至60～65℃，发生分子间脱水反应，(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮的羧基与2,3-双羧基纤维素羧基缩合反应，得到改性纤维素。2,3-双羧酸纤维素的羧基的缩合率为82％。其反应方程式实施例2-1的式(Ⅴ)所示。
三、效果测试
1、本发明所述的阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂兼容测试
表3本发明实施例的阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂兼容效果表
Figure BDA0002475998890000081
表3分别测试了实施例2-1、实施例2-2所得(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮、常用的阳离子表面活性剂1631(十六烷基三甲基氯化铵)与常见阴离子表面活性剂月桂醇硫酸钠和直链烷基苯磺酸钠的相容性。
结果发现：(4-乙烯基苯基-4-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮与阴离子表面活性剂在高于洗涤浓度的条件下，依然可以维持澄清透明的状态，两者可以兼容；而常用的阳离子表面活性剂1631与常用的阴离子表面活性剂在相同的浓度下则形成浑浊的溶液，阴离子表面活性剂和阳离子表面活性剂反应，溶液浑浊，不能兼容。
2、吸色效果测试
在染料的最大吸光度的波长下，制作染料的标准曲线。吸色纤维质量为0.5g，放入1L浓度为150ppm的染料溶液中，搅拌5分钟，测量测试前后染料溶液的吸光度，查标准曲线得到相应的染料浓度，计算得到染料的吸附率，如表4所示。
表4实施例2-1～2-4改性纤维素及对照例1～2的吸色效果对比
Figure BDA0002475998890000091
通过表4的吸色对比可知，实施例2-1～2-4改性纤维素有显著的染料吸附效果，染料吸附率超过市售吸色片15％甚至以上，普通市售棉纤维非织布则几乎不具有吸色效果。
3、抗菌效果测试
参照QB/T 2738-2012《日化产品抗菌抑菌效果的评价》中的7.3进行。将1g吸色纤维浸泡于100g去离子水10分钟，取浸泡后溶液作为试验样品溶液直接进行抑菌试验。计算吸色纤维的抑菌率，如表5所示。
表5实施例2-1～2-4改性纤维素及对照例1～2的抑菌效果对比
Figure BDA0002475998890000101
通过表5的抑菌效果对比可知，实施例2-1～2-4改性纤维素对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、铜绿假单细胞菌、白色念珠菌这四种菌种均具有显著抑菌效果(根据QB/T 2738-2012《日化产品抗菌抑菌效果的评价》规定，抑菌率≥50％为具有抑菌效果)，而普通市售棉纤维非织布和市售吸色片并无抑菌效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种阳离子表面活性剂的制备方法，其特征在于，所述阳离子表面活性剂为(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮，其制备方法包括以下步骤：将乙烯基吡咯烷酮水溶液在催化剂、引发剂的作用下发生聚合反应，加入(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓，封端，干燥后即得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙烯基吡咯烷酮水溶液、催化剂、引发剂与4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓的质量比为100：(0.2～0.5)：(0.3～0.6)：(0.5～2)。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述催化剂为过氧化氢；优选地，所述引发剂为偶氮二异丁腈。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述乙烯基吡咯烷酮水溶液、催化剂与引发剂聚合反应的温度40～80℃，反应时间为2～5h；优选地，加入(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓后反应时间为0.2～0.8h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在得到(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓封端聚乙烯吡咯烷酮后，再向聚合物中加质量分数为0.2～0.6％的氨水；优选地，所述干燥采用喷雾干燥，喷雾干燥的热风温度范围为120～180℃。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓通过以下方法制备而成：二苯基碘鎓盐与乙烯在分子筛催化剂的作用下反应得到4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓，再经催化氧化得到(4-乙烯基苯基-4’-亚甲基羧基苯基)碘鎓。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述二苯基碘鎓盐与乙烯的质量比为(7:1)～(9:1)，分子筛催化剂的用量为乙烯质量的0.05～0.2％；优选地，其反应压力为0.8～2.0MPa，反应温度为120～220℃。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述分子筛催化剂选自镁、钙或钡交换的钠型ZSM-5型分子筛。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓被氧化所采用的催化剂为负载型钯杂多酸催化剂；优选地，所述催化剂的用量为4,4'-二乙烯基二苯基碘鎓质量的0.02～0.1％；优选地，其反应温度为140～260℃，反应压力为0.3～1.5MPa。
10.如权利要求1～9中任意一项所述的阳离子表面活性剂在织物洗涤吸色防染中的应用。
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