液体阳离子醚化剂合成工艺的优化_姜翠玉

2006年 第30卷 中国石油大学学报(自然科学版) V ol. 30 No. 4 第4期 Jour nal of China U niversity of Petroleum A ug. 2006

文章编号:1673-5005(2006) 04-0114-04

液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

姜翠玉, 张春晓, 宋林花

(中国石油大学化学化工学院, 山东东营257061)

摘要:阳离子醚化剂(CHPT M AC) 是淀粉等天然高分子进行阳离子改性的重要单体。阳离子醚化剂产品溶液中副产物对下游产品性能有不同程度的影响。考察了双季铵盐对产品性能的影响。结果表明, 当n(环氧氯丙烷) :n (三甲胺) =1. 05, pH 值为8. 5, 分段进行反应, 10~15 反应1h, 35~40 反应2h 时, 反应收率可超过97%, 并最大程度地降低了双季铵盐等副产物的生成。合成得到的产品粗溶液采用真空恒沸载汽蒸馏的方法进行精制, 精制后的产品中w (CHPT M AC) =69%, w (环氧氯丙烷) 0. 0005%, w (二氯丙醇) 0. 0015%, w (双季铵盐)

Optimization of synthetic process of aqueous cationic etherifying agent

JIANG Cu-i yu, ZHANG Chun -xiao, SONG Lin -hua

(College of Chemistry and Chemical Engineer ing in China Univer sity of Petr oleum,

Dongying 257061, Shandong Pr ovince, China)

Abstract :Cationic et herifying agent (CHP T MA C) is an important agent to etherify natur al polymers such as starch. T he by -product content in cationic etherifying agent has influences o f differ ent degree on the performance of dow nstr eam pro d -ucts. T he effect of high content of diquanter nary salt on t he stability o f the pr oduct was studied. T he r esults show that the ratio of epichlor ohy drin(ECH) to trimethy lmine is 1. 05, the reactio n was car ried out by one hour under the co ndition w ith the pH of 8. 5and the temperature zone of 10~15 , and by two hours with the temperature of 35~40 . T he r eaction yield w as more than 97%and the by -product content o f diquanter nary salt w as lowered enormously. T he product was pur -i fied by the method of vapor distillation in vacuum status. T he optimal product was obtained. T he mass fr action of CHPT-M AC is 69%, the mass fraction of ECH, dichloro hydrin is less than o r equal to 0. 0005%, 0. 0015%respectively, and the mass fr action of diquanternar y salt is less than 1%.

Key words :3-chloro -2-hydrox ypr opy-l t rimethylammonium chloride; cationic etherifying agent; epichlorohydrin; diquan -ternary salt; per for mance; yield

液体阳离子醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPT MAC ) 由叔胺或叔胺盐与环氧氯丙烷

-2](ECH) 在水相体系中反应制得[1。其主要杂质有

盐等副产物的生成进行研究, 以建立准确的分析方法, 优化合成反应条件, 提高液体阳离子醚化剂的质量。

残余ECH, 副产物有1, 3-二氯-2-丙醇(DCP) 、双季铵盐(Diquat) 和2, 3-二羟丙基三甲基氯化铵(Diol) 等。其中, 环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇是淀粉的高效交联剂, 少量存在就会严重影响阳离子淀粉的

-6]性能。现有的合成工艺[3多采用三甲胺盐酸盐过

1 实 验

1. 1 主要试剂与仪器

试剂有:环氧氯丙烷、浓盐酸、无水三甲胺(均为工业品) 。仪器包括:电动搅拌器、滴液漏斗、三颈烧

瓶、H P -6890型气相色谱仪和HP -1050型液相色谱仪(美国惠普公司生产) 。

量的办法, 以降低环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇的含量, 而没有考虑双季铵盐的影响。笔者对双季铵

收稿日期:2006-02-08

() , () , , , ,

第30卷 第4期 姜翠玉, 等:液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

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1. 2 反应原理

主反应为(CH 3) 3N+HCl CH 2

O 2Cl

CH 2

+(CH 3) 3Cl -;

(2)

CH 3) 3N HCl, 2Cl+(CH 3) 3N H Cl

(1)

0 45 m 滤纸过滤, 然后用超声波脱气15min 。

具体步骤如下:开启液相色谱仪, 调整好检测器和工作站, 先用质量分数为5%的的甲醇水溶液(同样过滤和脱气) 冲洗柱子至非活性, 然后换成离子对色谱试剂, 调整泵压力为20MPa, 控制流动相流量在1. 5mL/m in, 待基线稳定后, 进样品1. 5 L 得到色谱图。以异丙醇为内标物, 根据峰面积换算可得各组分的质量分数, 计算公式为

OH

2, Cl

OH

副反应为

CH 2

O

CH

2Cl+HCl

2Cl

A i m s

. A s m

式中, w i 为被检测物质的质量分数; f i 为被检测物

w i =f i

质的校正因子; A i 和A s 分别为被检测物质和内标物的峰面积; m s 和m 分别为进样中内标物质量和进样质量。

组分定性可由美国陶氏公司的产品组成确定。

-

(3)

2Cl

OH

2

OH

(4)

1. 3 合 成

在装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的三口烧瓶中加入定量的浓盐酸, 缓慢通入无水三甲胺, 控制反应温度小于50 , 反应完成后再用三甲胺调节体系的pH 值。

取一定量的三甲胺盐酸盐溶液至三口烧瓶中, 首先将反应温度控制在低温, 搅拌, 同时滴加需要量的环氧氯丙烷, 反应一段时间后, 将反应温度升高, 在较高温度下继续反应至体系的pH 值达到6. 5, 然后滴加盐酸(31%) 控制体系pH=6, 停止反应。分析粗溶液中醚化剂和各杂质含量, 计算反应收率。1. 4 检测方法

有效活性物CH PTMAC 的含量采用美国Dow Chemical 公司(季铵型醚化剂的主要生产商) 提供的方法分析。w (ECH ) 和w (DCP) 采用气相色谱法分析[6]。由于各季铵盐副产物在产品溶液中的含量均较小(0. 5%~2%) , 传统的化学分析方法满足不了分析精度的要求。它们在气相色谱的条件下发生分解而不能气化, 严重污染气相色谱柱而得不到理想结果, 所以采用高效液相色谱法分析。

液相色谱仪H P1050操作条件如下:柱子为C -18反相柱, 流动相采用离子对色谱试剂, 检测器为折光率检测器; 采用超声波脱气, 泵压力为20MPa; 流动相流量为1. 5mL/min; 进样量为1. 5 L; 离子对色谱试剂由3. 98g 1-辛磺酸+116g 高氯酸钠+

约g , CH 2

N (CH 3) 3Cl

+

CH 2

+(CH 3) 3Cl+(CH 3) 3N

.

Cl -(CH 3) 3N +

1. 5 CHPTMAC 的结构表征

图1是产品的红外光谱图。由图1可以看出, 在3000cm 以上存在形成氢键的O H 伸缩振动

吸收峰, 1480cm -1附近存在C H 弯曲振动吸收峰, 1000~1100cm -1存在C N 伸缩振动吸收峰。

-1

图1 CHPTMAC 的红外光谱图

2 结果及其分析

2. 1 季铵盐副产物对产品性能的影响

双季铵盐没有可以和淀粉中羟基反应的基团, 对阳离子淀粉生产来说是一种无效成分, 它的存在改变了醚化剂体系中固性物的含量, 由此改变了液体醚化剂产品的结晶点。产品的固含量与产品结晶点的关系见表1。

由表1数据可以看出, 随着固含量的增大, 产品中双季铵盐的含量增大, 产品的结晶温度也在逐渐升高。由于我国绝大部分地区冬季温度在-10 以下, 双季铵盐含量较高时, 室温下产品就会有结晶析出, 必然导致有效组分一起结晶析出。所以有效固含量为69%的产品, 无效季铵盐的含量小于1%时,

116

中国石油大学学报(自然科学版) 2006年8月

表1 产品的固含量与产品结晶点的关系

固含量w /%69. 470. 071. 171. 973. 0

w (CHPTMAC)

w (Diquat) /%

/%

68. 869. 069. 169. 369. 4

0. 30. 61. 62. 13. 0

结晶温度 / -20-13-7-1+7

Diquat 影响较大。随着pH 值的增大, DCP 的质量分数逐渐减小, 而Diquat 的质量分数逐渐增大。环氧氯丙烷在酸性条件下很易水解生成DCP; 在碱性条件下, 由于过量三甲胺的存在导致双季铵化合物的生成; 在中性条件下, 反应速度慢, 反应时间很长, 在经济上不可行。综合考虑DCP 的后处理成本及双季铵化合物的含量, 反应起始pH 值为8. 0~8. 5较为适当。

表3 反应体系起始pH 值对反应的影响

pH 值6. 57. 07. 58. 08. 59. 0

反应收率y /%

95. 095. 296. 197. 796. 594. 7

w (DCP) /%

4. 223. 343. 203. 112. 822. 01

w (Diquat) /%

0. 120. 150. 250. 310. 361. 21

2. 2 副产物双季铵盐的控制

环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇易和淀粉等发生交联, 严重影响阳离子淀粉的性能。但是, 由于环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇可以采用汽提精馏的方法除去, 而各种季铵盐在精馏过程中不能去除, 所以在合成过程中控制它们的生成是提高产品质量和降低生产成本的关键。

该合成反应的影响因素主要有反应温度、反应时间和反应物配比。按L 9(3) 表进行正交试验, 由极差分析可知这3个因素中n (ECH ) n (NM e 3 HCl) 的影响最大, 其次是反应的起始pH 值, 而反应温度对反应收率的影响最小。

2. 2. 1 环氧氯丙烷与盐酸三甲胺配比的确定

在反应起始pH 值为8. 0~8. 5, 反应温度为10~15 的条件下, n (ECH) n (NM e 3 HCl) 对反应的影响见表2。

表2 n (ECH) n (NMe 3 HC l) 对反应的影响

n (ECH) n (NM e 3 HCl)

0. 90. 951. 01. 051. 1

反应收率y/%97. 296. 895. 497. 598. 4

w (DCP) /%0. 951. 301. 953. 013. 76

w (Diquat) /%2. 651. 800. 870. 360. 23

3

2. 2. 3 反应温度的确定

该反应的主反应为三甲胺对ECH 的亲核取代反应, 主要的副反应为Cl -对ECH 的亲核取代反应, 二者为一对竞争反应。提高主反应速率, 控制副反应速率, 对提高反应选择性, 降低副产物DCP 的含量有利。由于三甲胺和Cl -在不同温度下反应活性存在差别, 因此, 采用分段控制反应温度, 以达到抑制副反应, 降低副产物含量的目的。

在n (ECH ) n (NMe 3 HCl) =1. 05, pH =8. 5时, 分别在35 , 恒温反应3h(A) 和在10 反应1h 后再在35 反应2h(B) 。实验结果见表4。

表4 反应温度对反应产物的影响

温度控制方法反应收率y /%

A B

98. 598. 9

w (DCP) /%

2. 821. 86

w (Diquat) /%

0. 620. 35

由表中数据可知, 当n (ECH ) n (NMe 3 HCl) =1时, 反应收率最低, 两种反应物中的任何一种过量都可使反应收率提高; 当环氧氯丙烷过量时, DCP 的质量分数呈上升趋势, 同时Diquat 的质量分数呈明显的下降趋势; 而当盐酸三甲胺过量时, 容易生成较多的双季铵化合物Diquat 。考虑到DCP 和ECH 用汽提的工艺较易除去, 而双季铵化合物Diquat 等很难去除, 故综合反应收率和各副产物含量考虑, 确定n (ECH ) n (NMe 3 H Cl) =1. 05较为适当。2. 2. 2 pH 值的确定

在n (ECH) n (NM e 3 HCl) 为1. 05, 反应温度15 时, 改变反应体系的起始pH 值, 结果见表3。

由表中数据可见, 反应体系起始pH 值为6. 5~8. , 由实验结果可知, 采用分段控制反应温度的方法, 反应收率基本保持不变, 但是可以降低副产物DCP 和Diquat 的生成。由于在低温下三甲胺的亲核性高于Cl -, 故前段在低温下反应可有效抑制副反应(3) , 减少DCP 的生成。后段在较高温度下反应, 目的为使残余的三甲胺反应完全, 同时提高反应收率。

2. 3 粗产品的精制

精制处理采用真空恒沸载汽提取的办法, 工艺流程如图2所示。

采用该工艺可以在绝对压力为5~20kPa 和较低温度下成功地将环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇含量降低到不影响后续产品的程度。而且由于采用,

第30卷 第4期 姜翠玉, 等:液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

117

降低了成本。同时最大程度地减少了物料在塔内的停留时间, 解决了产品长时间受热易分解, 产品外观

色泽较重的问题。

参考文献:

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的制备[J]. 化学世界, 1989, 30(1) :11-13.

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for preparation of halohy drox ypropy-l tr ialkylammo nium halides:U S, 5463127[P ].1995-10-31.

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3-chloro -2-hydrox ypropy-l trimethylam -Journal of the University of

monium chloride [J ].(3) :96-99.

图2 真空恒沸载汽蒸馏工艺流程

合成反应的粗溶液经过精制处理, 产品质量达

到了国外同类产品的水平:w (CH PTMAC) =69%, w (环氧氯丙烷) 0 0005%, w (二氯丙醇) 0 0015%, w (双季铵盐)

3 结 论

(1) 醚化剂副产物Diquat 含量影响产品的性能, 生产合格的CHPTM AC, 不仅要控制环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇的含量, 而且要控制双季铵盐的生成, 对于有效物含量为69%的产品, 要求双季胺盐的质量分数小于1%。

(2) 生产CHPTMAC 的适宜工艺条件为:n (ECH) n (NMe 3 H Cl) =1. 05, 反应起始pH 为8. 0~8. 5, 10~15 反应1h, 35~40 反应2h 。在此条件下, 反应收率可达97%, 产物中w (Diquat) 小于1%。

(3) 采用真空恒沸载汽蒸馏的方法对产品进行精制, 条件温和, 易于操作, 提纯后的产品中w (CH -PT MAC) =69%, w (ECH) 0. 0005%, w (DCP) 0. 0015%, 产品性能达到了国际水平。 (上接第113页)

[4] 杜守德, 邓立生, 李贤均, 等. 两相催化体系中辛烯的氢

甲酰化反应研究[J].化学研究与进展, 2001, 13(2) :149-152.

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物催化有机单相苯乙烯氢甲酰化反应研究[J]. 分子催化, 2000, 15(6) :410-412.

WAN G Y an -hua, KO NG Fan -zhi, CHENG F ang, et al.

P etroleum, China (Edition of Natur al Science) , 2004, 28

(编辑 刘为清)

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(

2006年 第30卷 中国石油大学学报(自然科学版) V ol. 30 No. 4 第4期 Jour nal of China U niversity of Petroleum A ug. 2006

文章编号:1673-5005(2006) 04-0114-04

液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

姜翠玉, 张春晓, 宋林花

(中国石油大学化学化工学院, 山东东营257061)

摘要:阳离子醚化剂(CHPT M AC) 是淀粉等天然高分子进行阳离子改性的重要单体。阳离子醚化剂产品溶液中副产物对下游产品性能有不同程度的影响。考察了双季铵盐对产品性能的影响。结果表明, 当n(环氧氯丙烷) :n (三甲胺) =1. 05, pH 值为8. 5, 分段进行反应, 10~15 反应1h, 35~40 反应2h 时, 反应收率可超过97%, 并最大程度地降低了双季铵盐等副产物的生成。合成得到的产品粗溶液采用真空恒沸载汽蒸馏的方法进行精制, 精制后的产品中w (CHPT M AC) =69%, w (环氧氯丙烷) 0. 0005%, w (二氯丙醇) 0. 0015%, w (双季铵盐)

Optimization of synthetic process of aqueous cationic etherifying agent

JIANG Cu-i yu, ZHANG Chun -xiao, SONG Lin -hua

(College of Chemistry and Chemical Engineer ing in China Univer sity of Petr oleum,

Dongying 257061, Shandong Pr ovince, China)

Abstract :Cationic et herifying agent (CHP T MA C) is an important agent to etherify natur al polymers such as starch. T he by -product content in cationic etherifying agent has influences o f differ ent degree on the performance of dow nstr eam pro d -ucts. T he effect of high content of diquanter nary salt on t he stability o f the pr oduct was studied. T he r esults show that the ratio of epichlor ohy drin(ECH) to trimethy lmine is 1. 05, the reactio n was car ried out by one hour under the co ndition w ith the pH of 8. 5and the temperature zone of 10~15 , and by two hours with the temperature of 35~40 . T he r eaction yield w as more than 97%and the by -product content o f diquanter nary salt w as lowered enormously. T he product was pur -i fied by the method of vapor distillation in vacuum status. T he optimal product was obtained. T he mass fr action of CHPT-M AC is 69%, the mass fraction of ECH, dichloro hydrin is less than o r equal to 0. 0005%, 0. 0015%respectively, and the mass fr action of diquanternar y salt is less than 1%.

Key words :3-chloro -2-hydrox ypr opy-l t rimethylammonium chloride; cationic etherifying agent; epichlorohydrin; diquan -ternary salt; per for mance; yield

液体阳离子醚化剂3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPT MAC ) 由叔胺或叔胺盐与环氧氯丙烷

-2](ECH) 在水相体系中反应制得[1。其主要杂质有

盐等副产物的生成进行研究, 以建立准确的分析方法, 优化合成反应条件, 提高液体阳离子醚化剂的质量。

残余ECH, 副产物有1, 3-二氯-2-丙醇(DCP) 、双季铵盐(Diquat) 和2, 3-二羟丙基三甲基氯化铵(Diol) 等。其中, 环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇是淀粉的高效交联剂, 少量存在就会严重影响阳离子淀粉的

-6]性能。现有的合成工艺[3多采用三甲胺盐酸盐过

1 实 验

1. 1 主要试剂与仪器

试剂有:环氧氯丙烷、浓盐酸、无水三甲胺(均为工业品) 。仪器包括:电动搅拌器、滴液漏斗、三颈烧

瓶、H P -6890型气相色谱仪和HP -1050型液相色谱仪(美国惠普公司生产) 。

量的办法, 以降低环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇的含量, 而没有考虑双季铵盐的影响。笔者对双季铵

收稿日期:2006-02-08

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第30卷 第4期 姜翠玉, 等:液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

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1. 2 反应原理

主反应为(CH 3) 3N+HCl CH 2

O 2Cl

CH 2

+(CH 3) 3Cl -;

(2)

CH 3) 3N HCl, 2Cl+(CH 3) 3N H Cl

(1)

0 45 m 滤纸过滤, 然后用超声波脱气15min 。

具体步骤如下:开启液相色谱仪, 调整好检测器和工作站, 先用质量分数为5%的的甲醇水溶液(同样过滤和脱气) 冲洗柱子至非活性, 然后换成离子对色谱试剂, 调整泵压力为20MPa, 控制流动相流量在1. 5mL/m in, 待基线稳定后, 进样品1. 5 L 得到色谱图。以异丙醇为内标物, 根据峰面积换算可得各组分的质量分数, 计算公式为

OH

2, Cl

OH

副反应为

CH 2

O

CH

2Cl+HCl

2Cl

A i m s

. A s m

式中, w i 为被检测物质的质量分数; f i 为被检测物

w i =f i

质的校正因子; A i 和A s 分别为被检测物质和内标物的峰面积; m s 和m 分别为进样中内标物质量和进样质量。

组分定性可由美国陶氏公司的产品组成确定。

-

(3)

2Cl

OH

2

OH

(4)

1. 3 合 成

在装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的三口烧瓶中加入定量的浓盐酸, 缓慢通入无水三甲胺, 控制反应温度小于50 , 反应完成后再用三甲胺调节体系的pH 值。

取一定量的三甲胺盐酸盐溶液至三口烧瓶中, 首先将反应温度控制在低温, 搅拌, 同时滴加需要量的环氧氯丙烷, 反应一段时间后, 将反应温度升高, 在较高温度下继续反应至体系的pH 值达到6. 5, 然后滴加盐酸(31%) 控制体系pH=6, 停止反应。分析粗溶液中醚化剂和各杂质含量, 计算反应收率。1. 4 检测方法

有效活性物CH PTMAC 的含量采用美国Dow Chemical 公司(季铵型醚化剂的主要生产商) 提供的方法分析。w (ECH ) 和w (DCP) 采用气相色谱法分析[6]。由于各季铵盐副产物在产品溶液中的含量均较小(0. 5%~2%) , 传统的化学分析方法满足不了分析精度的要求。它们在气相色谱的条件下发生分解而不能气化, 严重污染气相色谱柱而得不到理想结果, 所以采用高效液相色谱法分析。

液相色谱仪H P1050操作条件如下:柱子为C -18反相柱, 流动相采用离子对色谱试剂, 检测器为折光率检测器; 采用超声波脱气, 泵压力为20MPa; 流动相流量为1. 5mL/min; 进样量为1. 5 L; 离子对色谱试剂由3. 98g 1-辛磺酸+116g 高氯酸钠+

约g , CH 2

N (CH 3) 3Cl

+

CH 2

+(CH 3) 3Cl+(CH 3) 3N

.

Cl -(CH 3) 3N +

1. 5 CHPTMAC 的结构表征

图1是产品的红外光谱图。由图1可以看出, 在3000cm 以上存在形成氢键的O H 伸缩振动

吸收峰, 1480cm -1附近存在C H 弯曲振动吸收峰, 1000~1100cm -1存在C N 伸缩振动吸收峰。

-1

图1 CHPTMAC 的红外光谱图

2 结果及其分析

2. 1 季铵盐副产物对产品性能的影响

双季铵盐没有可以和淀粉中羟基反应的基团, 对阳离子淀粉生产来说是一种无效成分, 它的存在改变了醚化剂体系中固性物的含量, 由此改变了液体醚化剂产品的结晶点。产品的固含量与产品结晶点的关系见表1。

由表1数据可以看出, 随着固含量的增大, 产品中双季铵盐的含量增大, 产品的结晶温度也在逐渐升高。由于我国绝大部分地区冬季温度在-10 以下, 双季铵盐含量较高时, 室温下产品就会有结晶析出, 必然导致有效组分一起结晶析出。所以有效固含量为69%的产品, 无效季铵盐的含量小于1%时,

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中国石油大学学报(自然科学版) 2006年8月

表1 产品的固含量与产品结晶点的关系

固含量w /%69. 470. 071. 171. 973. 0

w (CHPTMAC)

w (Diquat) /%

/%

68. 869. 069. 169. 369. 4

0. 30. 61. 62. 13. 0

结晶温度 / -20-13-7-1+7

Diquat 影响较大。随着pH 值的增大, DCP 的质量分数逐渐减小, 而Diquat 的质量分数逐渐增大。环氧氯丙烷在酸性条件下很易水解生成DCP; 在碱性条件下, 由于过量三甲胺的存在导致双季铵化合物的生成; 在中性条件下, 反应速度慢, 反应时间很长, 在经济上不可行。综合考虑DCP 的后处理成本及双季铵化合物的含量, 反应起始pH 值为8. 0~8. 5较为适当。

表3 反应体系起始pH 值对反应的影响

pH 值6. 57. 07. 58. 08. 59. 0

反应收率y /%

95. 095. 296. 197. 796. 594. 7

w (DCP) /%

4. 223. 343. 203. 112. 822. 01

w (Diquat) /%

0. 120. 150. 250. 310. 361. 21

2. 2 副产物双季铵盐的控制

环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇易和淀粉等发生交联, 严重影响阳离子淀粉的性能。但是, 由于环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇可以采用汽提精馏的方法除去, 而各种季铵盐在精馏过程中不能去除, 所以在合成过程中控制它们的生成是提高产品质量和降低生产成本的关键。

该合成反应的影响因素主要有反应温度、反应时间和反应物配比。按L 9(3) 表进行正交试验, 由极差分析可知这3个因素中n (ECH ) n (NM e 3 HCl) 的影响最大, 其次是反应的起始pH 值, 而反应温度对反应收率的影响最小。

2. 2. 1 环氧氯丙烷与盐酸三甲胺配比的确定

在反应起始pH 值为8. 0~8. 5, 反应温度为10~15 的条件下, n (ECH) n (NM e 3 HCl) 对反应的影响见表2。

表2 n (ECH) n (NMe 3 HC l) 对反应的影响

n (ECH) n (NM e 3 HCl)

0. 90. 951. 01. 051. 1

反应收率y/%97. 296. 895. 497. 598. 4

w (DCP) /%0. 951. 301. 953. 013. 76

w (Diquat) /%2. 651. 800. 870. 360. 23

3

2. 2. 3 反应温度的确定

该反应的主反应为三甲胺对ECH 的亲核取代反应, 主要的副反应为Cl -对ECH 的亲核取代反应, 二者为一对竞争反应。提高主反应速率, 控制副反应速率, 对提高反应选择性, 降低副产物DCP 的含量有利。由于三甲胺和Cl -在不同温度下反应活性存在差别, 因此, 采用分段控制反应温度, 以达到抑制副反应, 降低副产物含量的目的。

在n (ECH ) n (NMe 3 HCl) =1. 05, pH =8. 5时, 分别在35 , 恒温反应3h(A) 和在10 反应1h 后再在35 反应2h(B) 。实验结果见表4。

表4 反应温度对反应产物的影响

温度控制方法反应收率y /%

A B

98. 598. 9

w (DCP) /%

2. 821. 86

w (Diquat) /%

0. 620. 35

由表中数据可知, 当n (ECH ) n (NMe 3 HCl) =1时, 反应收率最低, 两种反应物中的任何一种过量都可使反应收率提高; 当环氧氯丙烷过量时, DCP 的质量分数呈上升趋势, 同时Diquat 的质量分数呈明显的下降趋势; 而当盐酸三甲胺过量时, 容易生成较多的双季铵化合物Diquat 。考虑到DCP 和ECH 用汽提的工艺较易除去, 而双季铵化合物Diquat 等很难去除, 故综合反应收率和各副产物含量考虑, 确定n (ECH ) n (NMe 3 H Cl) =1. 05较为适当。2. 2. 2 pH 值的确定

在n (ECH) n (NM e 3 HCl) 为1. 05, 反应温度15 时, 改变反应体系的起始pH 值, 结果见表3。

由表中数据可见, 反应体系起始pH 值为6. 5~8. , 由实验结果可知, 采用分段控制反应温度的方法, 反应收率基本保持不变, 但是可以降低副产物DCP 和Diquat 的生成。由于在低温下三甲胺的亲核性高于Cl -, 故前段在低温下反应可有效抑制副反应(3) , 减少DCP 的生成。后段在较高温度下反应, 目的为使残余的三甲胺反应完全, 同时提高反应收率。

2. 3 粗产品的精制

精制处理采用真空恒沸载汽提取的办法, 工艺流程如图2所示。

采用该工艺可以在绝对压力为5~20kPa 和较低温度下成功地将环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇含量降低到不影响后续产品的程度。而且由于采用,

第30卷 第4期 姜翠玉, 等:液体阳离子醚化剂合成工艺的优化

117

降低了成本。同时最大程度地减少了物料在塔内的停留时间, 解决了产品长时间受热易分解, 产品外观

色泽较重的问题。

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图2 真空恒沸载汽蒸馏工艺流程

合成反应的粗溶液经过精制处理, 产品质量达

到了国外同类产品的水平:w (CH PTMAC) =69%, w (环氧氯丙烷) 0 0005%, w (二氯丙醇) 0 0015%, w (双季铵盐)

3 结 论

(1) 醚化剂副产物Diquat 含量影响产品的性能, 生产合格的CHPTM AC, 不仅要控制环氧氯丙烷和1, 3-二氯-2-丙醇的含量, 而且要控制双季铵盐的生成, 对于有效物含量为69%的产品, 要求双季胺盐的质量分数小于1%。

(2) 生产CHPTMAC 的适宜工艺条件为:n (ECH) n (NMe 3 H Cl) =1. 05, 反应起始pH 为8. 0~8. 5, 10~15 反应1h, 35~40 反应2h 。在此条件下, 反应收率可达97%, 产物中w (Diquat) 小于1%。

(3) 采用真空恒沸载汽蒸馏的方法对产品进行精制, 条件温和, 易于操作, 提纯后的产品中w (CH -PT MAC) =69%, w (ECH) 0. 0005%, w (DCP) 0. 0015%, 产品性能达到了国际水平。 (上接第113页)

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