聚合松香季戊四醇酯合成过程中催化剂的初步研究

聚合松香季戊四醇酯合成过程中催化剂的初步研究化学与材料工程学院08应用化学（本科）2008063533曾成财指导老师：吴粦华摘要本实验以聚合松香和季戊四醇为原料，选取不同的无机盐催化剂（如ZnO、MgO、Ce(SO4)2等），在一定温度范围内（本实验为220-240℃）合成聚合松香季戊四醇酯。通过对聚合松香的酸值以及酯化之后聚合松香季戊四醇酯酸值的测定，进而计算酯化率，可知反应进行的程度。对催化剂的选用、反应时间，反应温度等对合成聚合松香季戊四醇酯的影响进行研究，测定产物酸值，得到不同的酯化率，作正交对比，得出合成聚合松香季戊四醇酯的适宜条件。关键词：聚合松香季戊四醇聚合松香季戊四醇酯酸值酯化率PolymerizationpentaerythritolestersynthesiscatalystintheprocessofthepreliminaryresearchCollegeofChemistryMchemScience,LongyanUniversity2008063533zengchengcaiInstructorWULin-huaAbstract:Inthepresentstudypolymerizationrosinandpentaerythritolasrawmaterials,theselectionofdifferentinorganicsaltcatalysts(suchasZnO,MgO,Ce(SO4)2,etc),incertaintemperaturerange(thisexperimentfor220-240℃)syntheticpolymerpentaerythritolester.Throughtothepolymerizationofrosinacidvalue,esterificationafterpolymerizationpentaerythritolesterthedeterminationofacidvalue,andthencalculatingesterificationrate,itcanbeseenthattheextentoftheresponse.Thechoiceofcatalysts,reactiontimeandreactiontemperatureonsynthesisofpolymerizationpentaerythritolesterinfluenceoftheresearch,determineproductacidvalue,getdifferentesterificationrate,beorthogonalconcludesthatsyntheticpolymerpentaerythritolesterofsuitableconditions.Keywords:PolymerizationrosinpentaerythritolPolymerizationpentaerythritolesterAcidvalueEsterificationrate1引言1.1松香1.1.1松香概括松香由于其结构上的特点使其具有许多优良性能,如防腐、防潮、绝缘、粘合、乳化、软化等,因此广泛应用于肥皂、造纸、油漆、塑料、电气、医药、农药、印染、化工等领域[1]。但是,由于松香结构本身还存在一些不足,如在溶剂中的结晶倾向性大,易被大气中的氧所氧化,软化点偏低,易于和清漆中的重金属盐发生反应,因而限制了它在另外一些工业部门中的应用。我国松香资源丰富,脂松香产量居世界首位,因此,提高松香的使用价值,对于我国的国民经济有着很重要的现实意义。通常可以利用松香树脂酸结构中的双键和羧基这两个化学反应活性中心进行松香改性,制备松香衍生物。1.1.2松香的物理性质表1-1松香的物理性质项目指标外观黄色脆性固体色泽淡黄色至红色溶解性不溶于水,溶于有机溶剂软化点(℃)72～80相对密度1.070～1.085平均热容(20～245℃,kcal/(kg·℃))0.54熔解热(kcal/kg)15.8熔化松香膨胀系数(℃)0.00055热值(kcal/kg)9074～9171沸点(℃/5mmHg)250导热系数(kcal/(m·h·℃))0.11雾状粉尘燃点(℃)130闪点(℃)216爆炸下限(g/m3)12.61.2聚合松香概括聚合松香是松香重要的改性产品之一，既可直接应用，又可进一步与多元醇反应酯化合成为聚合松香酯。与松香相比，聚合松香酯具有更耐氧化、热稳定性更好、内聚力更高,与更多溶剂存在广泛的相溶性，还具有高软化点，低酸值等特点，广泛应用于造纸、涂料、油墨、日用化工、食品、粘胶剂、橡胶、油田及电气等行业。聚合松香的开发和利用，对增强我国的松香深加工能力，提高松香产品的附加值以及稳定松香原料价格有着重要的意义。但我国聚合香产品质量尚不能与国外优质产品相比，存在着成本高、产率低、色泽深、Zn2+含量高等问题限制了其深加工品的利用和出口创汇，仍需要攻关解决。聚合松香的制备一般采催工艺，催化剂有H2SO4、ZnCl2、AlCl3、BF3等[3～8]，但现有工艺存在着二聚体的含量低(30%～65%)化点低(110℃～150℃)和产品收率低(60%～80%)等缺陷。聚合松香中二聚体的含量测定，主要采用色谱法，并假定松香中树脂酸和二聚体的校正因子同，采用峰面积归一法进行定量计算。事实上，检测器对同系物的响应值是与同系物的碳原子数有关的二聚体分子的碳原子数比树脂酸的多一倍，如果假定这两种物质的校正因子相同，将会在定量计算时产生较大的误差。为了提高聚合松香的质量和更准确地测定聚合松香中二聚体的含量，有人研究采用GC－MS测定树脂酸与二聚体的相对校正因子，用GC分析聚合松香中二聚体的含量。通过改进聚合松香合成条件，大幅度改善了二聚体的含量、产品的软化点和酸值等质量指标。.1.3聚合松香多元酯聚合松香多元酯是其中的重要深加工产品之一，由于它具有良好的耐氧性，热稳定好，内聚力更高等特性，具有适宜的溶液粘度和广泛的相溶性、溶解性等特性，部分树脂还具有高软化点的特点。聚合松香多元醇酯广泛用于油墨、胶粘剂及涂料等行业。从市场来看，产品的色泽越浅，软化点越高，产品的价格就越高。在20世纪末，我国高等级公路的高速发展，传统使用的溶剂型马路线漆已经基本上被热熔性马路线漆所取代。而热熔性马路线漆所用树脂便是浅色松香酯，而树脂在马路线漆中占50%左右。可见，在交通领域，浅色松香酯使用量也十分可观。1.3.1聚合松香季戊四醇酯的性质本文以聚合松香和季戊四醇为原来，通过改变反应条件（包括使用不同催化剂、改变反应时间、时间和催化剂改变），对聚合松香的合成进行研究，计算反应进行程度，对合成效率进行正交对比评估，找出合成成本低、色泽浅、软化点高的聚合松香季戊四醇酯的方法。在工业应用中对产品质量，产率提高，经济效益增长具有指导意义。聚合松香季戊四醇酯具有耐氧化、热稳定性好、高内聚力、适宜的溶液粘度和广泛的相容性、溶解性等特性，部分聚合松多元酯还具有高软化性的特点。1.3.2聚合松香季戊四醇酯的应用聚合松香季戊四醇酯具有比聚合松香更耐氧化、热稳定性更好、内聚力更高，适宜更多的溶剂粘度和广泛的相溶性、溶解性等特性，还具有更高软化点，更低的酸值等特点，广泛应用于胶粘剂、接着剂、双面胶带、溶剂型胶水、书本装订版、色装、胶布、烯烃胶布、牛皮纸卡胶布、胶带标签、木工胶、压敏胶、热溶胶、密封胶、油漆和油墨及其它聚合物改质剂等方面。1.4选题背景与意义随着石油等一次性资源的渐渐枯竭，对松香及松香再加工产品进行深入的研究，利用松香这种可再生资源来代替一部分一次性资源成为研究的热点。全世界松香年总产量为110-120万t，其中脂松香约为80万t。中国是世界上第一脂松香生产大国，松香年产量约50万t，占世界总产量的40%以上。而且松香是我国主要出口商品之一，年出口量已达35万t，年创汇1.7亿美元以上，占世界松香贸易的50%以上。[9]但目前我国松香生产存在着“二少三低”的现象[10]，即产品深加工量少产品品种少，科技含量低，附加值低和经济效益低。这与我国这个“松香大国”很不相称。我国松香深加工产品在数量和质量上发展缓慢，产品层次低下的现象得不到改变原因虽多，但生产工艺水平落后，而导致产品质量不高是限制其发展的重要原因之一。因此，要发展中国松香这一优势产业，关键在于努力发展深加工产品，聚合松香和用聚合松香与醇类酯化制成的树脂是松香的一大类主要深加工产品，由于其抗氧化性好、软化点高、固化快、粘性大等特点，它们广泛用于油墨、粘胶剂及涂料等行业，特别是在高级油墨，如彩色打印油墨、激光打印油墨、复印油墨等用作粘结料，其性能优于其它树脂，国外在此领域的专利每年都有较大幅度的上升。聚合松香的开发和利用，对增强我区的松香深加工能力，提高松香产品的附加值以及稳定松香原料价格，促进松香工业及其相关行业的发展具有极其重要的意义。在拓宽松香应用途径的各种方法中，酯化改性是最基本和最重要手段之一，其改性产品松香酯不但酸值降低，稳定性得到改善，而且增强了耐酸、耐碱的能力，目前各种松香酯产品占松香改性产品的60%以上，具有广泛的化工应用。但原松香的酯化改性产物分子中仍存在共扼双键，为了同时克服羧基和双键所带来的产品的缺陷，松香经改性再酯化更为理想[11]，即先将松香改性为氢化松香、歧化松香、马来松香、聚合松香等再进行酯化改性。改性后的聚会松香酯的一个重要指标就是其酸值。从目前文献来看，酯化产物随着反应时间的延长，产物的酸值逐渐降低。因此，本实验采用聚合松香和季戊四醇为原料，进行聚合松香酯合成反应，并通过测定其酸值大小，得出酯化反应的酯化率。再进行分析、对比，为聚合松香催化酯化反应过程找出最佳条件。2实验部分2.1实验药品及主要仪器设备实验所用药品及主要仪器设备见表2-1和表2-2表2-1实验药品Table2-1chemicalreagentsofexperiment主要药品规格规格/生产厂家聚合松香B-140新洲（武平）林化有限公司季戊四醇分析纯广东光平化学厂有限公司氧化锌分析纯广东汕头西陇化工厂氧化镁分析纯广东汕头西陇化工厂硫酸铈分析纯国药集团化学试剂有限公司甲苯分析纯福建三明市三圆化学试剂有限公司丙酮分析纯广东汕头西陇化工厂无水乙醇分析纯广东光平化学厂有限公司邻苯二甲酸氢钾分析纯广东汕头西陇化工厂氢氧化钾化学纯福建三明市三圆化学试剂有限公司硅胶化学纯广东汕头西陇化工厂酚酞分析纯广东汕头西陇化工厂表2-2实验主要仪器Table2-2equipmentofexperiment主要仪器生产厂家双层铁片电炉上海武定电器厂丹阳分厂变压电炉德力西集团电气有限公司SHB-3循环水多用真空泵郑州杜甫仪器厂电子分析天平赛多利斯科学仪器（北京）有限公司电子天平上海光正医疗仪器有限公司机械搅拌器常州华普达教学仪器有限公司氮气瓶-斜三颈烧瓶250mL量筒10mL、50mL、500mL温度计300℃分水器-球形冷凝管-二管接头-DZF-O真空干燥箱上海博泰实验设备有限公司两用滴定管50mL移液管25mL容量瓶250mL、1000mL试剂瓶500mL锥形瓶250mL干燥箱-带胶头滴管的试剂瓶-铁架台-研钵-抽滤瓶-2.2反应原理化学方程式合成聚合松香季戊四醇酯的原理是聚合松香的羧基和季戊四醇的多羟基脱水缩合，生成聚合松香多元酯，因此反应需在高温条件下，在催化剂催化条件下进行反应。酯化反应和酯的水解反应是一对可逆反应，为了使反应有利于酯化反应方向，反应过程需要除去反应生成的水。本实验以ZnO[13,14,15]、MgO[16,17]、Ce(SO4)2[18,19]为催化剂。化学反应方程式：[20]2.3实验工艺流程图聚合松香与季戊四醇在催化剂催化作用下，进行酯化反应，制得聚合松香季戊四醇酯，其加热催化合成工艺流程图如图2-1所示。图2-1聚合松香与多元醇酯化反应流程示意图Fig.2-1Theflowdiagramofthereaction2.4实验装置图采用熔融法进行聚合松香与多元醇的酯化反应水聚