用ZSM－5分子筛催化剂合成月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的研究及应用

张白瑜

(广州市利日有限公司，广东广州 511442)

0 前言

脂肪醇琥珀酸单酯磺酸钠是一类新型的阴离子表面活性剂，由于它们的分子结构中含有羧酸钠和磺酸钠两个亲水基团，因而具有较为突出的表面活性，广泛用于石油工业、纺织工业、洗涤用品工业、金属加工业、皮革工业、颜料及涂料工业，作为破乳化剂、润湿剂、上浆退浆剂、渗透剂、分散剂、乳化剂、鞣革助剂、抗静电剂等，特别是它们对人体皮肤及眼睛的刺激性低、毒性低，更适宜于作为香波产品，如婴儿香波、洗发香波以及化妆品的助剂。由于脂肪醇琥珀酸单酯磺酸钠具有的优良品质，需求量日益增长。在合成脂肪醇琥珀酸单酯磺酸钠时，常用的酯化催化剂是硫酸、对甲苯磺酸、乙酸钠等。使用这些催化剂进行酯化时，副反应多、腐蚀设备、后处理麻烦，还产生污水，危害环境。本研究选用ZSM－5作酯化催化剂，因此催化剂是固体，酯化后，去除催化剂时，仅用过滤就可以去除，还可以减少中和、洗涤等步骤，简化工艺。

1 实验部分

1.1 化学试剂和催化剂

顺丁烯二酸酐，分析纯，广州化学试剂厂生产;月桂醇，上海化学试剂采购供应站;无水亚硫酸钠，分析纯，广州化学试剂厂生产;ZSM－5分子筛催化剂，原粉，南京石油化工公司生产。

1.2 合成原理

酯化反应，顺丁烯二酸酐在ZSM－5分子筛催化剂作用下，与月桂醇反应，首先顺丁烯二酸酐的环破裂，其中一个羧基与醇的羟基反应，生成顺丁烯二酸月桂醇单酯。

磺化反应，顺丁烯二酸月桂醇单酯与亚硫酸钠反应，生成月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠。

1.3 实验操作

1.3.1 催化剂制备

将一定量的ZSM－5分子筛催化剂原粉放入烧杯中，用1N HCl溶液浸泡一定时间，倾出盐酸溶液，然后用蒸馏水洗涤，如此浸泡、洗涤多次，一直洗至无氯离子为止(用硝酸银溶液检验洗液无白色沉淀)，烘干，随后，在高温马弗炉内于500℃条件下焙烧4 h，冷却至室温待用。

1.3.2 酯化反应

反应在带有液封及电动搅拌器、回流冷凝冷却器、温度计的三口烧瓶中进行。先加入月桂醇，加热升温至60℃后，加入ZSM－5分子筛催化剂，最后分两批加入顺丁烯二酸酐，将反应温度升高到规定的温度和酯化时间。

反应终止后，剩热将酯化产物与催化剂过滤，因酯化产物易于凝固，故漏斗在过滤前应在烘箱中预热到65℃。取样分析酸值。

1.3.3 磺化反应

将滤液倾回三口烧瓶中，同时加入Na2SO3，其用量为顺丁烯二酸单酯物质的量的1.05倍。上述Na2SO3是以30%的水溶液形式加入的。

磺化温度为80℃，磺化时间为3 h。磺化反应后，得到了含水的月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠。

1.3.4 产品分析

用亚甲基兰法［1］测定磺化产物中月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的含量，并计算出月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的收率。

2 结果与讨论

2.1 正交试验及结果

根据探索性实验的结果，选定醇酐物质的量比A、酯化温度B、酯化时间C和催化剂用量D作为考察因素，以月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的收率作为考察指标。选定的四因素三水平见表1。

表1 正交试验的因素与水平

根据表1所列的因素及水平进行正交试验，试验结果见表2。

对正交试验结果采用直观分析方法进行分析，其结果见表3。

由表3可知，以月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的收率作为考察目标，四个因素对收率的影响顺序是:

催化剂用量≥酯化时间＞酯化温度＞酐醇物质的量比。

在表3中还可看出，催化剂用量的极差与酯化时间相同(均为4.54)。随着催化剂用量的增加，收率有提高的趋势，因此，除将表2收率最高的第3号试验重复做一次外，还增加催化剂用量到1.8%。试验结果如表4所示。

表2 正交试验的结果

表3 正交试验结果直观分析

表4 最佳合成条件试验的结果

从表4可知，在正交3号试验的基础上，将催化剂用量从1.6%增加到1.8%时，收率达到96.33%。

由此可确定用氢型ZSM－5分子筛作催化剂时，合成月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的最佳条件为:

酐醇物质的量比1∶1，酯化温度85℃，酯化时间4 h，ZSM－5分子筛催化剂用量为1.8%，磺化时间3 h，磺化温度80℃，此时，月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的收率大于96%。

2.2 表面活性测试

对最佳1号合成的月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠产品进行表面活性测试，测试结果见表5。

表5 最佳1号合成产品表面活性测试［2］

由表5可知，月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠具有较好的表面活性:①临界胶束浓度低。这表明达到在表面的饱和吸附的浓度较低，也就是表面活性较高，即改变界面状态起到润湿、乳化、起泡、洗涤等作用所需的表面活性剂浓度低;②有较优良的起泡能力。形成的泡沫量较多，泡沫稳定性亦较好，经过2 min，泡沫量才减少10 mL;③去污能力强。去污指数达70%，这表明产品润湿性能好，有利于油污的乳化、加溶等作用，因而洗涤性能优越。

3 结论

本研究证实了氢型ZSM－5分子筛可作为制取月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的催化剂，在合成月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠时，最佳工艺条件是:酐醇物质的量比1∶1，酯化温度85℃，酯化时间4 h，催化剂用量为1.8%，磺化时间3 h，磺化温度80℃，此时，月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠的收率为96.33%;合成出的产品经表面活性测试，测试结果证实月桂醇琥珀酸单酯磺酸钠是一种优良的阴离子表面活性剂。

［1］(日)北原文雄.表面活性剂分析方法［M］.北京:轻工业出版社，1988:5－13.

［2］梁梦兰.表面活性剂和洗涤剂——制备、性质、应用［M］.北京:科学技术文献出版社，1990:12－20.