月桂酰二乙醇胺的合成及性能研究

周雅文，　韓　富，　徐寶財，　王　磊

(北京工商大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京　100048)

烷醇酰胺具有良好的表面活性，是非離子表面活性劑中最重要的品種之一，是現(xiàn)代合成洗滌劑中重要的活性物單體，廣泛用于穩(wěn)泡劑、增稠劑、柔軟劑、防銹劑、抗靜電劑，并且在三次采油方面也有非常好的應(yīng)用效果[1]. 烷醇酰胺具有沒有濁點，并有增泡、穩(wěn)泡、增稠、生物降解等優(yōu)良性能，是與環(huán)境相容性好、生態(tài)學(xué)優(yōu)良的綠色表面活性劑,因而烷醇酰胺的合成與應(yīng)用便成為相當(dāng)有價值的研究課題.

脂肪酸烷醇酰胺的制備方法有3種：一是用脂肪酸直接與二乙醇酰胺反應(yīng)[2-4],該法工藝簡單,產(chǎn)品水溶性好,但純度低,只含有60%～65%的活性成分,品質(zhì)較差,為低活性烷醇酰胺. 二是用脂肪酸甲酯與二乙醇胺反應(yīng)[5-8],產(chǎn)物含有90%以上的活性成分,為高活性烷醇酰胺,其反應(yīng)溫度低,時間短,對設(shè)備的要求較低,但工藝復(fù)雜,原料消耗大,成本高,產(chǎn)物在室溫下為膠態(tài)或固態(tài),水溶性較差. 三是改進的一步法(兩步法反應(yīng))[9-12]，第一步是使脂肪酸與部分二乙醇胺反應(yīng)，以利于多生成酰胺單酯和酰胺雙酯；第二步在堿性催化劑和剩余二乙醇胺的作用下，將酰胺單酯、酰胺雙酯氨解為產(chǎn)物烷醇酰胺，可使產(chǎn)品的產(chǎn)率提高.

本研究采用改進的一步法考察反應(yīng)溫度、反應(yīng)物配比和反應(yīng)時間對月桂酰二乙醇胺合成的影響并對產(chǎn)物泡沫性能進行測定.

1　實驗部分

1.1　主要試劑

月桂酸(化學(xué)純，北京化工廠)，二乙醇胺(化學(xué)純，北京化工廠)，甲醇(化學(xué)純，天津市西華特種試劑廠)，氫氧化鈉(分析純，北京化工廠)，溴酚藍(分析純，北京化工廠)，鹽酸(化學(xué)純，北京化工廠).

1.2　實驗方法

1.2.1均勻設(shè)計試驗[13]

均勻設(shè)計表見表1.

1.2.2產(chǎn)物的性能測定方法

1) 滴定分析. 滴定分析主要用于考察化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)特征，滴定內(nèi)容為產(chǎn)物的游離酸值和游離胺值.

根據(jù)滴定消耗的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液量，就可以計算出產(chǎn)物體系的游離酸值.

m0——試樣的質(zhì)量，g.

表1　均勻設(shè)計表

圖1　月桂酰二乙醇胺紅外光譜Fig.1　IR picture of lauroyl diethanolamine

根據(jù)滴定消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液量，可計算出產(chǎn)物體系的游離胺值.

2) 產(chǎn)物醇胺、酰胺、胺酯含量確定. 根據(jù)紅外光譜中醇胺、酰胺、胺酯的特征吸收峰，用歸一化法可求出醇胺、酰胺和胺酯的相對百分含量[14].

其中，A醇胺、A酰胺、A胺酯分別為醇胺、酰胺、胺酯在特征吸收峰處的吸光度. 需要注意的是紅外譜圖中給出的縱坐標(biāo)是透光率T，透光率和吸光度的關(guān)系為A=-lgT. 醇胺、酰胺、胺酯的特征吸收峰大致在1 565，1 625和1 740 cm-1處.

3) 發(fā)泡性能測定. 產(chǎn)物的發(fā)泡性能采用羅氏泡沫儀，將產(chǎn)物用去離子水配制成0.3%的溶液，測定溫度為45 ℃. 測定0 min最大泡沫高度和5 min的泡沫高度.

2　結(jié)果與討論

2.1　產(chǎn)物分析及發(fā)泡性能

產(chǎn)物的紅外光譜見圖1，試驗結(jié)果及性能測定數(shù)據(jù)見表2.

表2　月桂酰二乙醇胺性能測定

從表2可以看出，對于胺值高的產(chǎn)物，在紅外光譜分析中醇胺的百分含量也高，這是因為胺值滴定的是游離胺的含量，而紅外光譜中醇胺指的就是游離的二乙醇胺，所以在數(shù)據(jù)上二者是正相關(guān)的.

產(chǎn)物的酸值、胺值和紅外分析數(shù)據(jù)與投料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間沒有明顯的依賴關(guān)系，這可能是反應(yīng)歷程較為復(fù)雜，主反應(yīng)與副反應(yīng)同時存在且相互影響的緣故. 產(chǎn)物的發(fā)泡性能隨試驗編號依次增加，直觀分析可知9號試驗對應(yīng)的工藝條件較好. 該試驗產(chǎn)物發(fā)泡性能優(yōu)良.

2.2　均勻試驗設(shè)計分析

利用遺傳算法，可得到最優(yōu)合成條件點為：

x1=2.2，即反應(yīng)的投料比為1∶2.2；

x2=159，即反應(yīng)溫度控制在159 ℃；

x3=3.2，即反應(yīng)時間為3.2 h.

通過函數(shù)解析式雖然可以準(zhǔn)確表達試驗分析結(jié)果，但在理解和操作上并不直觀. 因此，本試驗以圖像的方式對結(jié)果進行分析. 試驗考察的控制變量有3個，以目標(biāo)變量y對控制變量作圖將是四維圖形，軟件MATLAB7給我們提供了幾種顯示四維圖形的工具，試驗使用其中的slice函數(shù)，得到的函數(shù)圖像見圖2.

圖2中對角面上的9個點即為均勻試驗的試驗點，從圖中可以清楚地看出產(chǎn)物發(fā)泡性能隨控制變量的變化關(guān)系.

圖2　月桂酰二乙醇胺合成工藝擬合函數(shù)圖Fig.2　　　　Proposal functional diagram of synthesis of lauroyl diethanolamine

雖然產(chǎn)物的發(fā)泡性能隨投料比x1和反應(yīng)時間x3的增加都增大，但從圖2中卻看到沿x3增大的方向爬升體對角面，產(chǎn)物的發(fā)泡性能反而下降. 這種現(xiàn)象是3個控制變量綜合作用的結(jié)果. 沿斜面爬升的時候雖然x3增加，但x1卻在下降，所以綜合作用的結(jié)果使得產(chǎn)物的發(fā)泡性能明顯下降. 這說明在交互作用中，x1的影響最大.

3　結(jié)　論

月桂酰二乙醇胺的最優(yōu)合成條件為投料比n(月桂酸)∶n(二乙醇胺)=1∶2.2；反應(yīng)溫度159 ℃；反應(yīng)時間3.2 h；在此條件下，產(chǎn)物在0.3%的水溶液中泡沫高度為183.3 mm. 紅外分析表明，在最優(yōu)合成條件附近的試驗點，產(chǎn)物產(chǎn)率和選擇性都很高，副產(chǎn)物的含量相對較少.