負載硫酸氫鈉催化合成異硬脂酸異辛酯

吳愛娣,邵銀娟,吳建霞,陳瑩,劉興穩(wěn)

(江蘇金橋油脂科技有限公司,江蘇 南通 226000)

棕櫚酸異辛酯、硬脂酸異辛酯等長鏈脂肪酸異辛酯系列具有黏度低、浸潤性好、潤滑性佳、滲透性優(yōu)秀的特點被廣泛應(yīng)用于護膚品、化妝品中,是優(yōu)良的皮膚柔潤劑,使用后殘留感較低,并且能減少其他護膚品、化妝品的黏膩感。常溫下為無色液體,其性能穩(wěn)定,不易氧化或產(chǎn)生異味。而異硬脂酸異辛酯相比于正構(gòu)飽和酸酯異辛酯,具有更好的穩(wěn)定性、潤滑性、滲透性,是霍霍巴油的代替品。它不僅具有霍霍巴油的優(yōu)點,還大大改善了氧化穩(wěn)定性,具有更優(yōu)越的性能,應(yīng)用前景日益增加。因此,對異硬脂酸異辛酯的合成研究具有重要意義。

工業(yè)上常用濃硫酸或甲基磺酸催化酯化反應(yīng),濃硫酸、甲基磺酸雖廉價易得,但對反應(yīng)設(shè)備腐蝕嚴重,且氧化性強導致副反應(yīng)嚴重。近年來很多學者開始尋找其他催化劑如離子交換樹脂、固體酸、氧化鋅等金屬氧化物、硫酸氫鈉,它們大多已被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。活性炭負載硫酸氫鈉,克服了硫酸氫鈉易結(jié)塊、不易分散的缺點,借助于活性炭更好地分散在體系中;由于是固體催化劑,最后易從產(chǎn)品中分離,便于后處理,且活性炭同時還具有脫色功能。本文以活性炭負載硫酸氫鈉為催化劑,不使用帶水劑,主要考察酸醇物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量等對反應(yīng)程度的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

市售異硬脂酸異辛酯產(chǎn)品;異硬脂酸、工業(yè)級;硫酸氫鈉、工業(yè)級;767活性炭、上海唐新;2-乙基己醇,工業(yè)級;氫氧化鈉(AR)、鄰苯二甲酸氫鉀(基準試劑)、無水乙醇(AR)、碳酸氫鈉(CP)、酚酞(AR)。

1.2 實驗儀器

數(shù)顯恒溫油浴鍋(常州國宇儀器制造有限公司)、電動攪拌器(上海越眾儀器設(shè)備有限公司)、循環(huán)水式多用真空泵(上海越眾儀器設(shè)備有限公司)、電熱恒溫干燥箱(上海慧泰儀器制造有限公司)、超聲波清洗機(昆山市超聲儀器有限公司)、分析天平(梅特勒)、氣相色譜儀(安捷倫、8860),常規(guī)合成所需玻璃儀器。

1.3 活性炭負載硫酸氫鈉的制備

1)稱取一定量的活性炭,并在120 ℃下干燥4 h。

2)在燒杯中配制質(zhì)量分數(shù)10%的硫酸氫鈉溶液。

3)將提前干燥好的活性炭加入配好的硫酸氫鈉溶液中[m(活性炭)∶m(溶液)=1∶4],并將活性炭攪拌成糊狀,用封口膜將燒杯口封住,室溫下靜置15 h。

4)將靜置好活性炭過濾(注意不能用水沖洗),過濾后在120 ℃下干燥2 h,在200 ℃下干燥2 h,測試水分小于5%即可。

1.4 異硬脂酸異辛酯的合成

稱取100 g異硬脂酸和一定量的異辛醇于500 mL的四口燒瓶中,然后加入定量的負載硫酸氫鈉,安裝好溫度計和分水器,搭好反應(yīng)裝置,使用氮氣置換3次,開啟攪拌器攪拌,最后開啟油浴鍋升溫至反應(yīng)溫度,反應(yīng)到酸值合格后。合成反應(yīng)結(jié)束后,負壓蒸除多余的醇,降溫至室溫,過濾得無色至淡黃色異硬脂酸異辛酯粗品。

1.5 產(chǎn)品檢測

1)酸值:參考GB/T 5530—2005動植物油脂酸值和酸度測定。

酯化率=(1-測定酸值/初始酸值)×100%

2)異硬脂酸異辛酯含量檢測:使用氣相色譜法,氣相色譜型號為安捷倫8860,色譜柱為VF-5ht(30 m×320 μm×0.1 μm)。儀器設(shè)置參數(shù):載氣為氮氣,載氣流量為1 mL/min,進樣口溫度330 ℃,檢測器溫度350 ℃,進樣量為1 μL,分流比為50∶1。柱溫采用程序升溫:初始溫度為120 ℃,保持2 min;以20 ℃/min升至250 ℃,保持0 min;以15 ℃/min升至350 ℃保持2 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 酯化工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1 催化劑用量的影響

實驗條件:固定酸醇物質(zhì)的量比為1∶1.4,反應(yīng)溫度為150 ℃,反應(yīng)時間為6 h,催化劑用量分別為0.3%,0.4%,0.5%,0.6%和0.7%,升溫進行酯化反應(yīng),結(jié)果見表1。

表1 催化劑用量對酯化反應(yīng)的影響

由表1可知,保持其他反應(yīng)條件不變的情況下,在一定范圍內(nèi),隨著催化劑用量的增加,酸值逐漸變小,酯化率逐漸增大,但當催化劑用量達到0.5%以后,再增加催化劑的用量,酸值不再明顯降低,酯化率增加不明顯。這是因為隨著催化劑用量的增加,反應(yīng)體系催化活性數(shù)增加,從而提高反應(yīng)速率,酸值下降明顯。繼續(xù)增加催化劑的用量,體系催化活性已達到最大平衡值,酸值不再下降。因此,較優(yōu)的催化劑用量為0.5%。

2.1.2 反應(yīng)溫度的影響

實驗條件:固定酸醇物質(zhì)的量比為1∶1.4,催化劑用量為0.5%,反應(yīng)時間為6 h,反應(yīng)溫度分別為130,140,150,160和170 ℃,升溫進行酯化反應(yīng),結(jié)果見表2。

表2 反應(yīng)溫度對酯化反應(yīng)的影響

由表2可知,固定其他反應(yīng)條件一致的情況下,在130～150 ℃范圍內(nèi),隨著溫度的升高,酸值逐漸變小,酯化率逐漸增大,但當溫度繼續(xù)升高,酸值下降不明顯,酯化率增加不明顯。溫度的升高有利于反應(yīng)向正向進行,有利于酯化產(chǎn)物的生成。繼續(xù)升高溫度,雖然可以達到同樣的效果,但是從能耗、安全的角度考慮,選擇較低的溫度。因此,較優(yōu)的反應(yīng)溫度為150 ℃。

2.1.3 反應(yīng)酸醇比的影響

實驗條件:固定反應(yīng)溫度150 ℃,催化劑用量為0.5%,反應(yīng)時間為6 h,酸醇物質(zhì)的量比分別為1∶1.15,1∶1.3,1∶1.45,1∶1.55和1∶1.65,升溫進行酯化反應(yīng),結(jié)果見表3。

表3 酸醇物質(zhì)的量比對酯化反應(yīng)的影響

反應(yīng)中通過醇過量來促進酯化反應(yīng)的進行,使酸完全反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后脫醇,而脫出的醇可以回收使用。由表3可知,固定其他反應(yīng)條件一致的情況下,在物質(zhì)的量比由1∶1.15增加至1∶1.45時,酸值逐漸變小,酯化率逐漸增大,但當醇的量過量太多,酸的濃度被稀釋,酯化率反而略微下降。因此,較優(yōu)的酸醇物質(zhì)的量比為1∶1.45。

2.1.4 反應(yīng)時間的影響

實驗條件:固定反應(yīng)溫度150 ℃,催化劑用量為0.5%,酸醇物質(zhì)的量比1∶1.15,調(diào)控反應(yīng)時間分別為4,5,6,7和8 h,升溫進行酯化反應(yīng),結(jié)果見表4。

表4 反應(yīng)時間比對酯化反應(yīng)的影響

一般來講,延長反應(yīng)時間,可以促進酯化反應(yīng)的進一步進行,但如果當體系已達到平衡,繼續(xù)反應(yīng)可能會發(fā)生其他副反應(yīng),并且長時間高溫條件,對產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性不利。由表4可知,固定其他反應(yīng)條件一致的情況下,剛開始反應(yīng)速率較快,酸值減小很快,酯化率不斷增大。當反應(yīng)時間達到6 h時,酯化率已達到最大,繼續(xù)延長時間酯化率并沒有顯著提升。因此,較優(yōu)的反應(yīng)時間為6 h。

2.1.5 減壓反應(yīng)的影響

負壓反應(yīng),有利于將體系中的水脫除,從而促進酯化反應(yīng)正向進行。但前期酯化反應(yīng)速度較快,不需要進行負壓反應(yīng)。常壓反應(yīng)時,當反應(yīng)4 h后反應(yīng)速率逐漸減慢,此時可通過負壓回流,使水蒸出而異辛醇回流至反應(yīng)釜中。表5為常壓反應(yīng)與負壓反應(yīng)酯化反應(yīng)速率對比。

表5 常壓反應(yīng)與負壓反應(yīng)對比

由表5可知,固定其他反應(yīng)條件一致的情況下,負壓反應(yīng)確實比常壓反應(yīng)速率快,時間縮短了30 min,但因為此反應(yīng)本身就較快,縮短30 min意義不大,且負壓反應(yīng)能耗增加,綜合考慮采用常壓反應(yīng)。

2.1.6 重復性實驗

實驗條件:固定酸醇物質(zhì)的量比為1∶1.45,反應(yīng)溫度為150 ℃,反應(yīng)時間6 h,催化劑用量為0.5%常壓反應(yīng),升溫進行酯化反應(yīng),結(jié)果見表6。

表6 重復性實驗

由表6可知,在此工藝條件下,重復進行3批次實驗,3組酯化率結(jié)果相近,說明此工藝重復穩(wěn)定性好,可應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

2.2 產(chǎn)品理化性質(zhì)分析

經(jīng)過脫醇、脫酸、脫臭精制的異硬脂酸異辛酯,參考棕櫚酸異辛酯檢測項目如酸值、過氧值、羥值、含量、色澤、黏度、紅外光譜相似度均合格,同時符合化妝品級及工業(yè)級要求。

3 結(jié)論

1)以活性炭負載硫酸氫鈉為催化劑合成異硬脂酸異辛酯,采用直接酯化法,并且過程中未使用帶水劑。使用單因素多水平的方法考察了酸醇物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量等對反應(yīng)程度的影響。確定合適的反應(yīng)條件為:酸醇物質(zhì)的量比為1∶1.45,反應(yīng)溫度為150 ℃,反應(yīng)時間約為5～7 h,催化劑用量為0.5%。

2)在此工藝條件下,合成的異硬脂酸異辛酯酯化率高、副反應(yīng)少、合成工藝簡單、催化劑活性高、反應(yīng)速率快。催化劑中的活性炭在反應(yīng)中同時起到了脫色的作用,后期不需要脫色,可直接得無色透明液體。