珠光劑的合成實驗論文

1、 五邑大學 本科實驗科技論文題 目：珠光劑乙二醇硬脂酸酯的合成探究組員：xxxxxxxxxxxxxx學院：化學與環(huán)境工程學院專業(yè)：化學工程與工藝指導老師:xxxxxxxxxxxx 日期：2013年6月26號摘要本實驗探討了以氧化物氧化鋅為催化劑合成乙二醇硬脂酸酯的工藝，研究了醇酸摩爾比，催化劑用量，反應(yīng)時間，反應(yīng)溫度等因素對硬脂酸轉(zhuǎn)化率的影響。結(jié)果表明：合成乙二醇硬脂酸酯優(yōu)化條件是：乙二醇：硬脂酸= 30g：7.65ml，乙二醇硬脂酸催化劑用量為0.5g，反應(yīng)時間為3h，反應(yīng)溫度為160，使酸的轉(zhuǎn)化率可達到最高為95.76%。關(guān)鍵詞: 乙二醇硬脂酸酯 乙二醇 硬脂酸 氧化物催化劑 氧化鋅Abs

2、tractThe synthesis of ethylene gloycol stesrate acid ester with zno as catalyst was investigated.The factors influencing its catalytic performance were also studied and optimized,including reaction time,the matching alcohol to acid,the amout of catalyst and the reaction temperature.The highest conve

3、rsion of ester was 95.76% under the optimum conditions of the matching of alcohol to acid 30g:7.65ml,the amount of catalyst 0.5g,the reaction time 3h and the reaction temperature 160.Key word: ethylene glycol stearic acid ester ; ethylene glycol ; stearic acid ; oxides catalyst ; zno.目錄摘要- 1 -Abstra

4、ct- 2 -1.緒論- 5 -1.1前 言- 5 -1.2性質(zhì)與合成原理- 5 -1.2.1 乙二醇硬脂酸酯的性質(zhì)- 5 -1.2.2 乙二醇硬脂酸酯的合成原理- 6 -1.3 研究現(xiàn)狀- 6 -1.3.1 催化劑方面- 7 -1.3.2 工藝方法方面- 8 -1.4本課題的提出及主要研究內(nèi)容- 8 -1.4.1 課題的提出- 8 -1.4.2 主要研究內(nèi)容- 8 -2.實驗部分- 10 -2.1實驗儀器與試劑- 10 -2.1.1實驗儀器- 10 -2.1.2實驗試劑- 10 -2.2實驗方案- 10 -2.21試劑的制備- 10 -2.2.2實驗裝置的安裝- 11 -2.2.3實驗步驟-

5、 11 -2.2.3酯化率的測定- 11 -3.實驗結(jié)果與討論- 12 -3.1正交實驗結(jié)果- 12 -3.1.1 初選優(yōu)化工藝條件- 13 -3.1.2 綜合平衡確定最優(yōu)工藝條件- 13 -3.2 驗證實驗分析- 14 -3.3結(jié)論- 14 -1.緒論1.1前 言乙二醇硬脂酸酯是一種非離子表面活性劑,是正在逐步商品化的表面活性劑品種的后起之秀, 它不僅具有表面活性高、毒性低、生物降解性好、原料豐富、價格低、加工簡便、無刺激、使用安全等特點, 又由于它的低發(fā)泡性和高乳化性,已在紡織、化妝、食品、塑料、造紙、木材日用化工,藥物生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，常用作乳化劑、分散劑、增溶劑、潤滑劑、柔軟劑

6、、消泡劑、抗靜電劑、珠光劑等【1】【3】【4】。珠光劑分為天然和合成兩類。天然珠光劑有貝殼粉、云母粉和天然膠等; 合成珠光劑則是高級脂肪酸類、醇類、酯類和硬脂酸鹽類等。乙二醇硬脂酸酯作為合成珠光劑，是一種能賦予產(chǎn)品珍珠般光澤的助劑, 珠光的產(chǎn)生是由于乙二醇硬脂酸酯它不僅能增加產(chǎn)品的美感和吸引力,還有遮光作用, 從而避免因陽光照射而產(chǎn)生變質(zhì)。然而乙二醇硬脂酸酯又分為單酯和雙酯。【2】單酯在與其他表面活性劑配制的溶液中, 由于它對自然光產(chǎn)生了光的反射及折射等作用而引起了閃爍的珠光效應(yīng)。雙酯對自然光無閃光效應(yīng), 相反產(chǎn)生的是遮光作用, 但在單酯中配合上少量的雙酯, 可使閃爍效應(yīng)倍增。1.2性質(zhì)與合成

7、原理1.2.1 乙二醇硬脂酸酯的性質(zhì)乙二醇硬脂酸酯的珠光是在適當條件下行成的高折光指數(shù)的細小片狀結(jié)晶產(chǎn)生的?！?】產(chǎn)生的珠光效果不僅與加入量有關(guān)，還與操作條件有關(guān)，在60攝氏度左右，減慢降溫過程有利于形成較大的晶體。因為乙二醇單硬脂酸酯和雙硬脂酸酯都能產(chǎn)生很好的珠光，所以單雙硬脂酸酯的配比不同嚴重影響珠光效果【5】。另外，乙二醇硬脂酸酯在室溫下不溶于水, 在水溶性產(chǎn)品中的分散性不好, 直接加到應(yīng)用產(chǎn)品中無法得到理想的珠光效果。采用轉(zhuǎn)相乳化法, 通過與乳化劑復配在硬脂酸乙二醇的相轉(zhuǎn)變溫度附近進行乳化可以得到使用方便、性能穩(wěn)定的乳液即珠光漿。常用的乳化劑主要有烷基醇酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚和甜菜堿等

8、【6】。1.2.2 乙二醇硬脂酸酯的合成原理酯的合成方法很多，乙二醇硬脂酸酯可由乙二醇和硬脂酸在催化劑的作用下直接合成。由于是可逆反應(yīng)，并且使用的醇和酸及產(chǎn)品的沸點都比水高很多，所以在反應(yīng)中需要不斷地將生成的水排出反應(yīng)體系而加快反應(yīng)進程，提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。我們的實驗是采用在反應(yīng)體系中加人共沸脫水劑甲苯的方法除去反應(yīng)生成的水，在實驗結(jié)束后通過加熱蒸餾除去甲苯，因為加入的甲苯量不多，所以可以通過加熱蒸餾除去甲苯的。乙二醇含有二個醇經(jīng)基,因此其反應(yīng)物為乙二醇硬脂酸單醋與雙酪的混合物,其組成因其反應(yīng)物配比不同而不同。脂肪酸的量越多則生成的乙二醇雙硬脂酸醋越多,反之則少。C17H35COOH+HOCH2C

9、H2OHC17H35COOCH2CH2OHC17H35COOCH2CH2OOCC17H35從動力學的角度看, 這個反應(yīng)是一個連串反應(yīng),反應(yīng)的產(chǎn)物分布取決于催化劑、反應(yīng)時間、溫度及物料配比等因素。由此可見, 在合成這類珠光劑時工藝條件對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能有決定性的作用。1.3 研究現(xiàn)狀現(xiàn)在已有合成方面的研究關(guān)注的是各個反應(yīng)條件，如催化劑類型及用量，反應(yīng)時間，脫水劑的類型及用量，反應(yīng)溫度，投料比，工藝方法等等對產(chǎn)物酯化率，外觀，反應(yīng)速率，單雙酯的組成等的影響, 但是關(guān)于反應(yīng)條件對產(chǎn)物單雙酯組成影響的研究涉及較少。由于產(chǎn)物的珠光效果取決于產(chǎn)物的組成, 因此要獲得最佳的使用性能就必須深入研究各個工藝條件

10、對單雙酯組成的影響, 達到通過工藝控制結(jié)構(gòu)進而控制使用性能的目的。如今人們對于不同的影響因素都做了大量的研究，包括以上所說的各個反應(yīng)條件之外，還有攪拌速度和冷卻速度，乳化劑的組成及含量，黏度等對珠光效果的影響的研究。而人們最重點還是把研究放在了催化劑和工藝方法等兩個方面，下面簡述此兩方面。1.3.1 催化劑方面在該酯化反應(yīng)所使用的催化劑方面, 目前國內(nèi)使用的催化劑大多都是濃硫酸，但是該方法產(chǎn)品色澤容易偏深, 且設(shè)備腐蝕嚴重, 后處理復雜, 同時產(chǎn)生大量廢液污染環(huán)境, 因而尋求新的合成技術(shù)日益受到關(guān)注與重視【4】。再加上酯化反應(yīng)一般所需的溫度較高, 如果所需的溫度有所降低則催化劑的用量就會很大,

11、這里出現(xiàn)的矛盾一直成為研究開發(fā)的難點，因此開發(fā)節(jié)約能源、用量少且選擇活性高的催化劑是這類反應(yīng)研究的重點。近年來隨著對乙二醇硬脂酸酯研究的進展出現(xiàn)了不少新的合成工藝主要是在開發(fā)新型催化劑方面做了不少研究工作。如采用固體超強酸、復合酸、對甲苯磺酸、硅鎢酸、填料負載酸催化劑、樹脂負載酸催化劑等來催化合成乙二醇硬脂酸酯還有直接采用金屬氧化物作為催化劑來合成乙二醇硬脂酸酯等。在這些催化劑類型的研究中，在針對產(chǎn)品顏色，副產(chǎn)物，催化效果，久置效果以及催化劑的回收等問題上，研究發(fā)現(xiàn)使用硅鎢酸和氧化物作為催化劑的效果較好。李星全等【7】采用硅鎢酸作為酯化催化劑, 甲苯作脫水劑, 經(jīng)過一系列正交實驗, 結(jié)果表明,

12、 較佳反應(yīng)工藝條件為: 投料比n(酸): n(酶) = 2. 1: 1,反應(yīng)溫度T140 , W(催化劑) 2. 0%, 反應(yīng)時間6h, 用酸催化乙酞法滴定分析其醇輕基的轉(zhuǎn)化率98%。又在該實驗條件下重復5次, 醇輕基轉(zhuǎn)化率均大于98%, 而在同樣條件下, 以對甲苯磺酸為催化劑, 醇輕基轉(zhuǎn)化率只有92%, 且產(chǎn)品的顏色較深, 說明對甲苯磺酸作反應(yīng)的催化劑有較多的副反應(yīng)產(chǎn)生, 其催化效果沒有硅鎢酸好。解田、段永華【8】以硬脂酸和乙二醇為原料, 采用金屬氧化物為催化劑制備乙二醇硬脂酸酯, 用正交實驗法進行了實驗，發(fā)現(xiàn)乙二醇硬脂酸酯合成過程中選用氧化鋅作為合成反應(yīng)的催化劑, 提高了生產(chǎn)原料的轉(zhuǎn)化率和

13、原料的利用率, 降低了乙二醇硬脂酸酯的生產(chǎn)成本, 使用該工藝制取乙二醇硬脂酸酯在簡化工藝、避免污染等方面具有明顯優(yōu)勢, 金屬氧化物作為酯化催化劑, 反應(yīng)結(jié)束后以脂肪酸鹽形式進入產(chǎn)品,解決了催化劑回收難的問題。所以由以上的研究結(jié)果，我們選擇了以氧化物氧化鋅最為催化劑來進行實驗。1.3.2 工藝方法方面在工藝方法上，有常壓分水法和減壓法分水。研究上發(fā)現(xiàn)常壓分水法的效果不比減壓分水法好。王明俊等【9】采用不同的工藝方法合成乙二醇硬脂酸酯, 實驗中發(fā)現(xiàn), 常壓分水法隨著反應(yīng)的不斷進行, 水分不斷被帶出, 但反應(yīng)溫度高、時間長,產(chǎn)物顏色明顯加深, 需要經(jīng)過H2O2 脫色處理, 但難以得到純白色的產(chǎn)品,

14、如果利用N2保護則得到的產(chǎn)物顏色變淺, 反應(yīng)時間較長。另外在珠光漿復配過程中應(yīng)該在更大范圍內(nèi)篩選乳化劑, 進一步研究復配工藝條件對珠光漿使用性能的影響, 實現(xiàn)珠光漿使用性能的可控性, 使乙二醇硬脂酸酯型珠光劑在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。1.4本課題的提出及主要研究內(nèi)容1.4.1 課題的提出二乙醇硬脂酸酯的用途十分廣泛，而且隨著化妝市場的開發(fā)和發(fā)展，同時乙二醇硬脂酸酯作為一種珠光劑應(yīng)用在化妝品中，因此，將來此珠光劑到應(yīng)用將更加廣泛，市場的需求量更高，將需要我們使乙二醇硬脂酸酯的生產(chǎn)想著更大規(guī)模，更低成本，更少污染的方向發(fā)展。為了使物品的質(zhì)量升高，也需要我們研究出更好珠光效果的產(chǎn)品。所以我們選擇

15、此課題希望能夠使用氧化物催化劑催化合成，找出更優(yōu)的合成條件，實現(xiàn)乙二醇硬脂酸酯回收率更高，催化劑污染更少的目標。1.4.2 主要研究內(nèi)容我們是從催化劑的用量，反應(yīng)溫度，反應(yīng)時間，酸醇比例等四個方面來研究乙二醇硬脂酸酯的合成的。我們通過查詢資料得知催化劑氧化鋅的用量對硬脂酸的轉(zhuǎn)化率影響最大, 其次是反應(yīng)體系的物料配比和反應(yīng)時間, 反應(yīng)溫度影響最小。因為催化劑用量是影響最大的方面，所以在他人實驗研究的基礎(chǔ)上我們再查相關(guān)資料，確定出初試的催化劑用量為0.2g。在反應(yīng)時間上，因為酯的合成是可逆反應(yīng)，必須有充分的時間才能使反應(yīng)達到平衡, 達到平衡后, 再增加反應(yīng)時間, 收率不會明顯增加。所以反應(yīng)時間也作

16、為我們一個研究的方向。在反應(yīng)溫度方面，產(chǎn)品的酯化率隨溫度升高而增加, 但溫度過高將影響產(chǎn)品的色澤。溫度是此次反應(yīng)過程中控制的主要因素。在配料比上，當酸：醇= 2 ：1時, 理論上生成雙酯; 當酸：醇=1 ：1時, 理論上生成單酯?？梢娕淞媳葘Ξa(chǎn)品的影響。所以也選取其為一個因素進行研究。此次試驗選擇催化劑用量，反應(yīng)時間，反應(yīng)溫度，和配料比為試驗因素，進行四因素正交試驗，各因素均取三個水平。表1.1 乙二醇硬脂酸酯的合成實驗因素水平表因 素水平A酸：醇摩爾比B反應(yīng)時間/hC反應(yīng)溫度/D催化劑用量/g11:1.131500.15%21:1.23.51550.35%31:1.341600.45%此試驗

17、為4因素3水平試驗，不考察因素間的交互作用，故宜選用L9（34）正交表。表1.2乙二醇硬脂酸酯的合成實驗方案試驗號A酸：醇比例B反應(yīng)時間/hC反應(yīng)溫度/D催化劑用量/g酯化率/%珠光效應(yīng)/分130g：6.45ml3h1500.3g230g：6.45ml3.5h1550.5g330g：6.45ml4h1600.7g430g：7.05ml3h1550.7g530g：7.05ml3.5h1600.3g630g：7.05ml4h1500.5g730g：7.65ml3h1600.5g830g：7.65ml3.5h1500.7g930g：7.65ml4h1550.3g注意：本實驗的帶水劑量為15ml,不作

18、為影響因素考慮2.實驗部分2.1實驗儀器與試劑2.1.1實驗儀器溫度計（0200）、電動攪拌機、油浴鍋、分水器、鐵架臺2個，托盤天平，分析天平，三口圓底燒瓶，玻璃棒，500ml容量瓶、堿式滴定管，球形冷凝管、250ml錐形瓶多個，酒精燈，三腳架，石棉網(wǎng)，燒杯多個（水浴加熱用）2.1.2實驗試劑乙二醇（分析純），工業(yè)一級硬脂酸，氧化鋅（分析純），甲苯,中性乙醇，酚酞指示劑，氫氧化鉀， 甘油（油浴加熱而用）2.2實驗方案2.21試劑的制備酚酞試劑的制備：稱取1.0g酚酞，置于干燥潔凈的小燒杯中，加入約20ml乙醇溶解，轉(zhuǎn)移至100ml容量瓶，稀釋至刻度線，搖勻，靜置。氫氧化鉀溶液的制備：準確稱量5

19、.5160g氫氧化鉀，置于干燥干凈的小燒杯中，加入約20ml蒸餾水，用玻璃棒攪拌至溶解，冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移到500ml容量瓶中，加入蒸餾水稀釋至刻度線，搖勻，靜置。2.2.2實驗裝置的安裝 1）將攪拌機置于甘油鍋邊，調(diào)好三口燒瓶與甘油鍋的高低窄寬，加緊三口燒瓶；2）用一鐵架臺下部將分水器夾穩(wěn)，調(diào)整分水器與三口燒瓶的位置距離；3）鐵架臺上部固定球形冷凝管，冷凝管下部用膠管與分水器上出水口銜接，調(diào)整高度。注意冷凝管下口進水上口出水。2.2.3實驗步驟1）準確稱取一定質(zhì)量的乙二醇，硬脂酸和催化劑，加入三口燒瓶中，加入15ml甲苯；2）裝好攪拌器、溫度計，并將三口圓底燒瓶一口用玻璃塞塞住。檢查裝置氣密性

20、。3）加入甘油至甘油鍋體積的1/32/3，打開冷凝裝置，接通電源，加熱至固體基本溶解，開啟攪拌器；4）加熱升溫至設(shè)定溫度值后，開始計時。達到設(shè)定反應(yīng)時間后，停止加熱；關(guān)掉冷卻水、電源。將圓底燒瓶取出，冷卻。5）待產(chǎn)品溫度降低到100以下，將產(chǎn)品傾倒在干凈干燥的小燒杯里。加入約20ml的190水，快速攪拌幾分鐘。關(guān)電源。6）將產(chǎn)品放在陰涼干燥的地方待其自然蒸發(fā)水分。拆部分儀器并將其清洗干凈。2.2.3酯化率的測定本實驗采用氫氧化鉀滴定法測定酸值。準確稱取1.0000g干燥的產(chǎn)品置于干燥干凈的錐形瓶中，加入30ml的乙醇，加熱使其溶解；加入23滴酚酞指示劑；邊加熱邊滴加0.197mol/ml氫氧化

21、鉀標準溶液至微紅，并保持30s不褪色即為終點。滴定期間保持對溶液的加熱，以保證產(chǎn)品溶解完全，溶液呈澄清，注意別讓溶液沸騰。然后采用下列公式計算產(chǎn)品的酯化率：酯化率%=3.實驗結(jié)果與討論3.1正交實驗結(jié)果本實驗為4因素3水平，不考慮因素間的交互作用，故選用L9（34）正交表，正交實 驗結(jié)果如表1-1所示 表3.1 L9(34)正交實驗結(jié)果及極差分析試驗號試驗因素酯化率/%珠光效果/分ABC D1111183.542122280.553133390.064212384.955223178.3646231292.9377313295.7678321370.039332184.886 酯 化率K125

22、4.0264.16246.43246.74K2256.19228.86250.28269.19K3250.64267.81264.12244.9k184.6788.0582.1482.25k285.4076.2983.4389.73k383.5589.2788.0481.63極差R1.8512.985.908.10主次順序BDCA優(yōu)組合A2B3C3D2 珠光效果K115161414K216121619K316191714k155.34.74.7k25.345.36.3k35.36.35.74.7極差R0.3111.6主次順序DBCA優(yōu)組合A2B3C3D2根據(jù)實驗經(jīng)驗，酯化率的重要性比珠光效果的

23、重要性大，所以根據(jù)極差分析得出綜合平衡因素主次順序為BDCA3.1.1 初選優(yōu)化工藝條件 根據(jù)各指標不同水平平均值確定各因素的優(yōu)化水平組合。 酯化率%：A2B3C3D2珠光效果：A2B3C3D23.1.2 綜合平衡確定最優(yōu)工藝條件 以上兩個指標單獨分析出的優(yōu)化條件一致，因此可確定出最佳工藝條件A2B3C3D2， 即理論上酸醇比為30g:7.05ml，反應(yīng)時間為4h，反應(yīng)溫度選取160，催化劑用量為0.5g。 3.2 驗證實驗分析在乙二醇硬脂酸酯合成工藝研究的基礎(chǔ)上，對優(yōu)化出的最佳工藝條件進行平行驗證試驗。實驗控制指標為酸醇比為30g:7.05ml，催化劑氧化鋅用量為0.5g，反應(yīng)溫度為160反應(yīng)時間為4小時。試驗的結(jié)果