CN111889131B - 催化合成2,2,4三甲基1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位催化剂及制备方法 - Google Patents

催化合成2,2,4三甲基1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位催化剂及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种催化合成2，2，4‑三甲基‑1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位催化剂及制备方法，以2，2，4‑三甲基‑1，3戊二醇与异丁酸酯和异辛酸为反应物，在双固体碱条件下进行酯化反应制得。本发明的优点是：反应步骤少、过程精简，且反应物来源广、价格适中，催化剂易制备，并且排除了水分对催化剂的侵蚀，可大规模生产；制备得到的产物2，2，4‑三甲基‑1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯含量大于99％，达到工业品要求；反应过程中无水之外的副产物产生，催化剂与产物易分离，符合环保要求。

Description

催化合成2,2,4三甲基1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位催化剂及制备方法
技术领域
本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种用于催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位催化剂及其制备方法。
背景技术
2，2，4-三甲基-1，3戊二醇单异丁酸酯也被称作Texanol醇酯，是一种非水溶性高沸点二元醇酯，因具有良好的树脂相溶性、黏滞性和成膜性，可改善漆膜耐候性、可清洁性和涂层的展色性等，而且毒性低、用量少、冰点低，能有效降低乳胶漆的成膜温度，已作为一种绿色新型涂料涂膜成型助剂得到广泛应用。此外，醇酯十二还可被用作增塑剂和高沸点溶剂。
2,2,4-三甲基-1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯是一种非邻苯类环保型增塑剂，是用于聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PU)和其它树脂的多用途环保改性剂，具有低粘度、低密度、低凝固点、抗水解、无色透明、高稳定性、安全无毒等特点，这种增塑剂符合法规要求标准，其无毒特性让众多玩具制造商和消费者感到放心。由于具有较低的初粘性和卓越的粘度稳定性与可加工性，该增塑剂可以满足高速的制模生产效率和循环周期要求，并且能保证厚度一致。因此广泛应用于各种PVC树脂制品，油墨、颜料和EVA乳液中，是水性丙烯酸乳液涂料高沸点的成膜助剂，是制备零VOC水性丙烯酸乳液涂料不可缺少的原料，但是对2,2,4-三甲基-1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的制备方面的研究很少。现有技术利用浓硫酸进行酯化反应，但是这种反应有副产物产生，对设备的腐蚀性很强，不易分离，对反应仪器要求很高。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺点，本发明提供了一种催化合成2,2,4-三甲基-1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的双碱位中心催化剂及其制备方法，所得催化剂不仅价格低廉，而且具有转化率很高，制备方案简单，对产物2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯更易分离的特点，具有很好的经济性和工业价值。本发明通过双碱位的共轭效应，助剂与催化剂具有协同作用，并且添加氧化锆可以避免水分对催化剂的干扰，使催化剂的脱水能力加强，更有利于酯化反应。
催化剂载体为具有固定形状的OMC，SBA-15，SiO2，Al2O3，ZrO2，TiO2，Nb2O3或CeO2，以氧化钡和氧化钾为双碱位活性中心，以氧化锆和氧化钙、氧化钠或氧化铷为助剂，活性组分的质量分数为1％～55％。
本发明采用以下技术方案：双碱位中心催化剂的制备方法：所述催化剂采用等体积浸渍法，将两种不同的碱中心和助剂一起负载在催化剂的载体上，再负载助剂锆，经过浸渍干燥，煅烧处理可以得到双碱位中心催化剂。
所述双碱位中心催化剂的具体制备方法步骤如下：
(1).取氢氧化钡和氢氧化钾以及助剂氢氧化钙、氢氧化钠或氢氧化铷溶于去离子水中，制成溶液A；使钡和钾摩尔比nBa):n(K)＝20:1～1:1，钡和钙、钠或铷的摩尔比n(Ba):n(钙/钠/铷)＝为1:1～1:0.1；取ZrOCl2·8H2O溶于去离子水中，制成溶液B；使钡和锆的摩尔比n(Ba):n(Zr)＝0.4:1～1:1。
(2).取一定量干燥后的载体，进行晶化干燥处理；
载体为OMC，SBA-15，SiO2，Al2O3，ZrO2，TiO2，Nb2O3，CeO2。干燥条件为干燥箱中100～140℃下干燥5～12h。
(3).将步骤(1)中A溶液逐滴滴入步骤(2)的载体中，静置12h，再将B溶液滴入负载有活性组分的载体，静置3h；分别浸渍能够形成包裹且排除相互反应的干扰。
(4).将步骤(3)的固体放入到特定温度的烘箱中，进行干燥处理，得到催化剂前驱体；干燥条件为中100～140℃下干燥5～12h。
(5).将步骤(4)得到的催化剂前驱体，在氮气气氛下升温煅烧，得到双碱位中心催化剂。
在氮气气氛下以1～5℃/min的温度速率从室温升至450℃～650℃，在终温保持2～6h，降温。
本发明方法得到的催化剂用于催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯。具体步骤如下：以2，4-三甲基-1，3戊二醇、异丁酸和异辛酸为原料，利用双碱性中心催化剂进行酯化反应。
通过釜式反应器进行反应；反应温度为50～150℃，反应压力为常压。
2，2，4-三甲基-1，3戊二醇、异丁酸和异辛酸的摩尔比为1:1:1～1.2:1:1，催化剂用量为0.1～1g。
有益效果
(1)本发明催化剂载体选择的范围广，利用无机金属碱作为活性中心，可以大大降低催化剂的制备成本，原料的转化率高，2,2,4三甲基1,3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯更易分离，催化效率更高。而且氧化锆的引入可以消除酯化反应生成的水对催化剂的影响。
(2)二价碱的氢氧化物和一价碱的氢氧化物在氮化时会和氧化锆发生载体间强相互作用，氧化锆会把双金属活性中心包裹起来，这种半包裹的现象不但提高了分散度，而且还有效地避免了反应中生成的水分对催化剂的毒化作用，提高了催化活性，有效的阻止了活性中心团聚的现象，使得催化剂分散均匀，颗粒尺寸在1nm左右，更有利于酯化反应的进行。
(3)、本发明催化剂对设备无要求，无需强酸强碱的环境，分离十分简单，且活性高反应温度仅在60℃～120℃之间，更有利于化工生产的进行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述，但不限于此。
实施例1
催化剂的制备：首先确定SBA-15的吸水率，然后精确称取1g SBA-15，经过100℃的温度烘干，作为载体备用；将0.11g Ba(OH)2和0.03g KOH与0.01gCa(OH)2溶于10ml去离子水得到溶液，将溶液静置半小时，然后逐滴滴入准备好的SBA-15，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置12h，再移入100℃烘箱中烘干处理，将0.06gZrOCl2·8H2O溶于5ml去离子水得到溶液，然后逐滴滴入上述处理好的催化剂前驱体，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置3h，再移入100℃烘箱中烘干处理，得到催化剂的前驱体，再将此前驱体进行程序升温反应：首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃，保持该温度3h，得到催化剂活性组分质量分数为10％的双碱位中心催化剂。
称取该催化剂0.5克，2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇15g，异丁酸9g，异辛酸14g，放入釜式反应器中，常压，加热炉升温，从室温以5℃/min升至70℃的反应温度，最后取出反应产物，采用气相色谱进行分析。
实施例2
用0.05gBa(OH)2代替实施例1中0.11gBa(OH)2，其它步骤同实施例1。
实施例3
用0.5g Ba(OH)2代替实施例1中0.11g Ba(OH)2，其它步骤同实施例1。
实施例4
用0.05gKOH代替实施例1中0.03gKOH，其它步骤同实施例1。
实施例5
0.1gKOH代替实施例1中0.03gKOH，其它步骤同实施例1。
实施例6
0.01gNaOH代替实施例1中0.01g Ca(OH)2，其它步骤同实施例1。
实施例7
0.01gRbOH代替实施例1中0.01g Ca(OH)2，其它步骤同实施例1。
实施例8
用活性炭代替实施例1中介孔SBA-15，其它步骤同实施例1。
实施例9
用CeO2代替实施例1中介孔SBA-15，其它步骤同实施例1。
实施例10
用ZrO2代替实施例1中介孔SBA-15，其它步骤同实施例1。
实施例11
用OMC代替实施例1中介孔SBA-15，其它步骤同实施例1。
实施例12
干燥箱和烘箱中干燥的温度为140℃，其他同实施例1。
实施例13
在氮气气氛下以1℃/min的速率进行程序升温至450℃，保持该温度6h，得到催化剂活性组分质量分数为10％的双碱位中心催化剂。
实施例14
在氮气气氛下以5℃/min的速率进行程序升温至650℃，保持该温度2h，得到催化剂活性组分质量分数为10％的双碱位中心催化剂。
实施例15
称取该催化剂1克，2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇15g，异丁酸9g，异辛酸14g，放入釜式反应器中，常压，加热炉升温，从室温以5℃/min升至90℃的反应温度，最后取出反应产物，采用气相色谱进行分析。
实施例16
将实施例1的催化剂重复利用十五次后，采用气相色谱进行分析。
对比例1
催化剂的制备：首先确定SBA-15的吸水率，然后精确称取1g SBA-15，经过100℃的温度烘干，作为载体备用；将0.11g Ba(OH)2和0.03g KOH与0.01gCa(OH)2溶于10ml去离子水得到溶液，将溶液静置半小时，然后逐滴滴入准备好的SBA-15，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置12小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，再移入100℃烘箱中烘干处理，得到催化剂的前驱体，再将此前驱体进行程序升温反应：首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃，保持该温度3h，得到双碱位中心催化剂。
其它步骤同实施例1。
对比例2
催化剂的制备：首先确定SBA-15的吸水率，然后精确称取1g SBA-15，经过100℃的温度烘干，作为载体备用；将0.11g Ba(OH)2和0.01gCa(OH)2溶于10ml去离子水得到溶液，将溶液静置半小时，然后逐滴滴入准备好的SBA-15，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置12小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，将0.06gZrOCl2·8H2O溶于5ml去离子水得到溶液，然后逐滴滴入上述处理好的催化剂前驱体，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置3小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，得到催化剂的前驱体，再将此前驱体进行程序升温反应：首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃，保持该温度3h，得到双碱位中心催化剂。其它步骤同实施例1。
对比例3
催化剂的制备：首先确定SBA-15的吸水率，然后精确称取1g SBA-15，经过100℃的温度烘干，作为载体备用；将0.11g Ba(OH)2溶于10ml去离子水得到溶液，将溶液静置半小时，然后逐滴滴入准备好的SBA-15，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置12小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，将0.06gZrOCl2·8H2O溶于5ml去离子水得到溶液，然后逐滴滴入上述处理好的催化剂前驱体，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置3小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，得到催化剂的前驱体，再将此前驱体进行程序升温反应：首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃，保持该温度3h，得到催化剂活性组分质量分数为10％的双碱位中心催化剂。
对比例4
催化剂的制备：首先确定SBA-15的吸水率，然后精确称取1g SBA-15，经过100℃的温度烘干，作为载体备用；将0.11g Ba(OH)2和0.03g KOH溶于10ml去离子水得到溶液，将溶液静置半小时，然后逐滴滴入准备好的SBA-15，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置12小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，将0.06gZrOCl2·8H2O溶于5ml去离子水得到溶液，然后逐滴滴入上述处理好的催化剂前驱体，进行等体积浸渍，然后在室温下密封放置3小时，再移入100℃烘箱中烘干处理，得到催化剂的前驱体，再将此前驱体进行程序升温反应：首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃，保持该温度3h，得到双碱位中心催化剂。其它步骤同实施例1。
对比例5
将首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃替换为首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至700℃，其它步骤同实施例1。
对比例6
将首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至550℃替换为首先在氮气气氛下以2.5℃/min的速率进行程序升温至300℃，其它步骤同实施例1。
表1实施例和对比例中不同工艺条件下对产物性能比较
Figure BDA0002641250120000081
Figure BDA0002641250120000091
表1说明该方法负载的双碱位中心催化剂，对原料的加氢脱氧性能具有较高的反应活性，催化剂时固体产物易分离，不腐蚀设备，环境友好型绿色催化剂。
应当理解的对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明进行加以改进和变化，而所进行的这些改进和变化，都应属于本发明说属权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种双碱位催化剂在催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯中的应用，其特征在于：所述催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯的反应步骤为：以2，2，4-三甲基-1，3戊二醇与异丁酸和异辛酸为原料，加入双碱位催化剂通过釜式反应器进行反应；
其中，2，2，4-三甲基-1，3戊二醇与异丁酸和异辛酸的摩尔比为1:1:1~1.2:1:1，催化剂用量为0.1~1g；反应温度为50~150℃，反应压力为常压；
所述双碱位催化剂载体为具有固定形状的SBA-15或活性炭，以氧化钡和氧化钾为双碱位活性中心，以氧化钙、氧化钠或氧化铷中的一种和氧化锆作为助剂，活性组分的质量分数为1%~55%；
所述钡和钾的摩尔比为20:1~1:1；钡和助剂金属的摩尔比为1:1~1:0.1，钡和锆的摩尔比为0.4:1~1:1。
2.根据权利要求1所述催化剂双碱位催化剂在催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯中的应用，其特征在于：所述催化剂的制备方法具体步骤如下：
（1）．取氢氧化钡和氢氧化钾以及助剂氢氧化钙、氢氧化钠或氢氧化铷溶于去离子水中，制成溶液A；取ZrOCl2·8H2O溶于去离子水中，制成溶液B；
（2）．取载体，进行晶化干燥处理；
（3）．将步骤（1）中A溶液逐滴滴入步骤（2）的载体中，静置12h，再将B溶液滴入负载活性组分的载体，静置3h；
（4）．将步骤（3）得到的固体放入到烘箱中，进行干燥处理，得到催化剂前驱体；
（5）.将步骤（4）得到的催化剂前驱体，在氮气气氛下升温煅烧，得到双碱位催化剂。
3.根据权利要求2所述双碱位催化剂在催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯中的应用，其特征在于：步骤（2）所述干燥条件为干燥箱中100~140℃下干燥5~12h。
4.根据权利要求2所述双碱位催化剂在催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯中的应用，其特征在于：步骤（4）所述的干燥条件为100~140℃下干燥5~12h。
5.根据权利要求2所述双碱位催化剂在催化合成2，2，4-三甲基-1，3戊二醇异丁酸酯异辛酸酯中的应用，其特征在于：步骤（5）所述煅烧得到双碱位催化剂的条件为：氮气气氛围下以1~5℃/min的温度速率从室温升至450℃~650℃，在终温保持2~6h，降温。
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