应用化工毕业论文 固体超强酸上合成柠檬酸三丁酯的研究.doc

xx职业技术学院化工系毕业论文 固体超强酸上合成柠檬酸三丁酯的研究 毕 业 生 姓 名： 指导教师、职称： 学 号： 专 业 名 称：应用化工技术 2011年 1 月 3 日  目录 一 增塑剂的发展 2 1、增塑剂简介 2 1.1、概述 2 1.2、增塑剂作用机理 3 1.3、增塑剂的分类 3 2、增塑剂的现状及面临的问题 3 3、新型环保增塑剂的种类 4 3.1、 脂肪族二元酸酯类增塑剂 4 3.2、环氧类增塑剂 4 3.3、柠檬酸酯类增塑剂 4 3.4、聚酯类增塑剂 5 3.5、多元醇酯增塑剂 5 4、增塑剂的国内外研究与应用现状及趋势 5 二 柠檬酸三丁酯的合成工艺 8 1、无毒增塑剂柠檬酸三丁酯的工艺优化研究 8 2、催化剂在酯化合成中的应用情况 9 三 结论 10 参考文献： 12 柠檬酸三丁酯的性质与制备 摘要：本文介绍了固体超强酸作催化剂生产柠檬酸三丁酯无毒增塑剂，开发柠檬酸三丁酯合成新工艺的核心在于研发出催化活性高、腐蚀性小、易分离、重复使用和再生性能好、成本低的催化剂。 关键词：无毒增塑剂，柠檬酸三丁酯合成，固体酸 一 增塑剂的发展 1、增塑剂简介 1.1、概述 增塑剂是添加到高分子聚合物中增加材料塑性，使之易加工，赋予制品柔软性的功能性化工产品，也是迄今为止产能和消费量最大的助剂种类。它被广泛应用于玩具、建筑材料、汽车配件、电子与医疗部件等大量耐用并且易造型的塑料制品中。 1.2、增塑剂作用机理 增塑剂是具有一定极性的有机化合物，与聚合物相混合时，升高温度，使聚合物分子热运动变得激烈，于是链间的作用力削弱，分于间距离扩大，小分子增塑剂钻到大分子聚合物链间，这样增塑剂的极性基团与聚合物分子的极性基团相互作用代替了聚合物极性分子间的作用，使聚合物溶涨，增塑剂中的非极性部分把聚台物分子的极性基屏蔽起来。并增大了大分子链间的距离，减弱了分子间范德华力的作用，使大分子链易移动，从而降低了聚合物的熔融温度，使之易于成型加工。 1.3、增塑剂的分类 增塑剂按其作用方式可以分为两大类型，即内增塑剂和外增塑剂。一般内增塑剂是在聚合物的聚合过程中所引入的第二单体。由于第二单体共聚在聚合物的分子结构中，降低了聚合物分子链的有规度，即降低了聚合物分子链的结晶度。内增塑剂的使用温度范围比较窄，而且必须在聚合过程中加入，因此内增塑剂用的较少。外增塑剂一般是一种高沸点的较难挥发的液体或低溶点的固体，而且绝大多数都是酯类有机化合物。通常它们不与聚合物起化学反应，和聚合物的相互作用主要是在升高温度时的溶胀作用，与聚合物形成一种固体溶液。外增塑剂性能比较全面且生产和使用方便，应用很广。现在人们一般说的增塑剂都是指外增塑剂。 增塑剂按塑化效果可以分为主、辅增塑剂。主增塑剂分子不仅能进入树脂分子链无定形区，也能进入分子链结晶区，因此它不会渗出，也不会喷雾，而形成表面结晶，这样就可单独使用。辅增塑剂则因相容性差，增塑剂分子只能进入树脂的无定形区而不能插入结晶区，单独用它们就会使加工制品渗出 喷雾，所以只能和主增塑剂混合使用。 2、增塑剂的现状及面临的问题 目前，全球已加快了无毒增塑剂产品的研发力度， 特別加快了卫生要求高的塑料制品基础应用研究。而在我国，已被国外淘汰的 DOP 等增塑剂还大有市场，而且增塑剂生产企业对于无毒新型增塑剂的开发和推广并沒有引起足够关注。国内市场上80%的增塑剂都是DOP、DBP（邻苯二甲酸二丁酯）等增塑剂，价格低廉是最关键的因素。国家标准《食品容器、包裝材料用助剂使用卫生标准》也把 DOP列为可用于食品包裝的增塑剂品种之一。由此可见我国的增塑剂产业与国外相比还有很大的差距。 经大量研究证实，DOP等邻苯二甲酸酯类增塑剂是一类致癌物质，其可以经口、呼吸道、静脉输液、皮肤吸收等多种途径进人人体。对机体多个系统均有毒性作用，被认为是一种环境内分泌干扰因子。 正是因为邻苯类增塑剂对人体具有毒副作用，目前，世界很多的国家和地区都已明文减少或禁止邻苯类增塑剂的应用。1999年，欧盟就已开始禁止在儿童玩具和用品中使用邻苯类增塑剂，特别是可放入口腔的儿童玩具和用品。2008年欧洲议会投票通过限制和禁止部分邻苯类增塑剂在儿童玩具和护理品中的使用。美国食品药品管理局（FDA）限制了涉及注射和输液器的各种医用器材中邻苯类的用量，明确指出含一些含邻苯类增塑剂的医疗器材不能与人体频繁接触。瑞士、韩国、加拿大和德国以及我国台湾等国家和地区也已通过相关提案和法律文件，禁止或减少邻苯类增塑剂的应用。近年来，我国在邻苯类增塑剂的问题也在不断地暴露出来，特别是2005年的保鲜膜事件，使我国民众对PVC制品的安全性问题提出了强烈的质疑。我国也在不断地进行相关方面的研究工作，包括政策和技术研究等方面。 3、新型环保增塑剂的种类 随着社会的发展，科技的进步，人们对安全、环保的意识逐渐增强，许多国家对塑料助剂颁布了严格的使用标准以及法律法规。一些传统、有致癌嫌疑的增塑剂逐渐被淘汰，而研发无害、价廉、节能并且增塑效果好的新型环保增塑剂成为当今的发展趋势。目前已经商品化的新型增塑剂有如下几类： 3.1、 脂肪族二元酸酯类增塑剂 脂肪族二元酸酯类增塑剂以脂肪酸或脂肪酸酐为原料经脱水反应缩合而成，其优点是耐寒性较好，但是由于与PVC的相容性、耐油性、耐抽出性以及电绝缘性都比较差，因此只作为辅助增塑剂使用。目前应用较多的有已二酸酯（DOA）、癸二酸酯（DOS）、混合脂肪族二元酸酯等。 3.2、环氧类增塑剂 它与PVC不仅有增塑剂作用，而且还与PVC热稳定性有协同作用，在软制中加入2～10 份不会存在相容性问题，而且可改善其耐候性，它突出优点是无毒、耐热、耐光、稳定性能好。环氧增塑剂主要品种有环氧大豆油、环氧脂肪酸丁酯、环氧脂肪酸辛酯、环氧四氢邻苯二甲酸二辛脂、环氧大豆油酸辛酯、环氧乙酰亚麻酸甲酯、环氧糠油酸丁酯和9,10-环氧硬脂酸辛酯等，其中研究的最深的是环氧大豆油，其能显著提高PVC的流动性能。 3.3、柠檬酸酯类增塑剂 柠檬酸酯的两个主要品种柠檬酸三丁脂（TBC）、乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)已获得美国FDA批准作为安全、无毒增塑剂，我国也建议在包装材料中使用。柠檬酸三丁脂（TBC）是由柠檬酸和正丁醇在催化剂的作用下酯化合成而得，乙酰柠檬酸三丁酯(ATBC)原料为醋酸、柠檬酸、正丁醇。 　柠檬酸三丁酯(TBC)因具有相容性好、增塑效率高、无毒、不易挥发、耐候性强等特点而广受关注，成为首选替代邻苯二甲酸酯类的绿色环保产品。它在寒冷地区使用仍保持有好的挠曲性，又耐光，耐水，耐热，熔封时热稳定性好而不变色，安全经久耐用，适用于食品、医药物品包装、血浆袋及一次性注射输液管等。乙酰柠檬酸三丁酯（ATBC）为无毒、无味主增塑剂，ATBC比TBC的毒性更小。ATBC作为主增塑剂，具有溶解性强，耐油性、耐光性好，并有很好的抗霉性。它与大多数纤维素、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯酯等有良好的相容性，主要用作纤维素树脂和乙烯基树脂的增塑剂。在儿童玩具方面，随着DOP毒性资料的不断被发现，越来越多领域禁止使用DOP，而ATBC无毒，无味，透明性好，水抽出率低，经其增塑的塑料制品加工性能优良，热合性好，二次加工方便，特别适合作为儿童玩具主增塑剂使用。在肉制品包装方面，ATBC无毒，可作为肉制品包装材料，而DOP不能应用在高脂肪含量食品包装领域。而且ATBC无味，不会引起食品异味，经其增塑的塑料制品透明，印刷性能好。 3.4、聚酯类增塑剂 聚酯增塑剂多为二元酸和二元醇缩聚物，聚酯两端一般用一元醇或一元酸封端改性。它是近年来增塑剂研究开发的热点。主要由于一些特殊的应用领域对 PVC制品的性能要求更加苛刻，传统的单体型增塑剂品种无法满足这些耐热、耐久和耐候性要求，提高分子量无疑是解决这些技术难题的关键，亦符合塑料助剂品种开发的总体趋势。 实践证明，聚酯型增塑剂具有分子量大、耐挥发、耐抽出物和迁移性能好、对热稳定且粘度可调范围广 等优点，近年来许多品种在改善加工性和耐寒性方面亦取得了显著进展。如日本开发的1，2-丁二醇的聚酯增塑剂具有低粘度、相容性好的优点。 3.5、多元醇酯增塑剂  多元醇是由两个或两个以上羟基脂肪醇与脂肪族羟酸或芳香族羟酸生成的酯。它与PVC 有较好的相容性和耐热、耐老化、耐抽出、耐低温、挥发程度小等性能。毒性较低由于辛醇价格上涨，因此多元醇作为替代品种受到重视，主要品种如一缩二乙二醇二苯甲酸酯（DEDP）其耐油 性、耐水抽出性较好。 4、增塑剂的国内外研究与应用现状及趋势 传统PVC塑料增塑剂因其结构中含苯环，近年来国外不断有DOP等邻苯二甲酸酯类增塑剂可能致癌的报道。美国F.D.A（食品与药物管理局）及欧盟已禁止将其用于食品包装塑料、化妆品与儿童玩具等。2005年7月欧盟部长理事会通过一项欧盟法律草案，禁止在儿童玩具和儿童用品中使用六种增塑剂：邻苯二甲酸二丁酯DBP、邻苯二甲酸丁苄酯BBP、邻苯二甲酸二辛酯DOP、邻苯二甲酸二异壬酯DINP、邻苯二甲酸二异癸酯DIDP以及邻苯二甲酸二正辛酯DNOP。这项法律显示国际范围内对增塑剂的安全性的高度重视，对我国这样一个儿童玩具与用品出口大国提出了严峻的挑战。 我国增塑剂的行业现状是，邻苯类增塑剂的产量占了总产量的90%以上，且国家至今未有邻苯类增塑剂限制使用的相关规定，相反国内使用增塑剂的相关行业（如儿童玩具）纷纷改进加工工艺，采用无毒或低毒增塑剂，以满足出口国的要求。增塑剂行业产品结构的变化势在必行，而无毒性增塑剂无疑是将受到足够的重视，最终的结果是在食品、医药及儿童玩具等相关领域只能或只允许使用无毒性增塑剂。因此，开展新型环保无毒增塑剂研究具有十分重要的理论意义和工程应用价值。 柠檬酸酯类产品作为一种新型“绿色”环保塑料增塑剂，无毒无味，可替代邻苯二甲酸酯类传统增塑剂，广泛用于食品及医药仪器包装、化妆品、日用品、玩具、军用品等领域，同时也是重要的化工中间体。其添加于聚氯乙烯(PVC)的性能与增塑剂邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)等作用相当。主要品种有柠檬酸三乙酯(acetyl triethyl citrate，ATEC)、柠檬酸三丁酯(tributyl citrate，TBC)和乙酰柠檬酸三丁酯(acetyl tributyl citrate，ATBC)等，尤以后两者的开发最为引人注目。有关柠檬酸三丁酯和乙酰柠檬酸三丁酯等的生产，国外已经有三十多年的历史，后由于生产成本的原因，伴随邻苯二甲酸二辛酯(DOP)和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)等的出现而逐渐沉寂。近年来由于DOP、DBP存在毒性，而且，由于柠檬酸酯具有生物降解性好的特点，工业废水的BOD和COD均小于苯二甲酸酯的工业废水，水中没有带苯环的有机化合物存在，废水容易处理，无毒柠檬酸三丁酯和乙酰柠檬酸三丁酯等的生产又得到了恢复和发展，其研究也不断深入。如美国的Mobay公司、Pettibone公司先后开始生产柠檬酸酯类增塑剂产品；生产柠檬酸酯已有30多年历史的Pifser和morflex公司也不断进行新产品开发与研究。相比而言，国内对于柠檬酸酯类的研究起步较晚，大都停留在实验室阶段，工业化研究主要集中在中国石化集团金陵石化公司研究院、湖南衡阳化工研究所、山东齐鲁石化公司等少数机构。 目前国内关于柠檬酸三丁酯的研究主要侧重于合成反应，合成路线一般为：原料→酯化反应→精制处理→成品。研究的重点集中在催化剂的优化选择及催化机理的探索。柠檬酸三丁酯通过柠檬酸与正丁醇在催化剂的存在下酯化而得到，方程式如图1所示，柠檬酸存在三个羟基，同时酯化有一定的困难，所以要求有催化剂的存在，同时需要有带水剂即时带出反应生成的水，尽量使得柠檬酸完全转化，否则产品的纯度难以提高，酸度过大，不能满足要求。酯化反应一般都是酸催化，柠檬酸三丁酯的合成反应所采用的催化剂主要包括有机酸、无机强酸、固体超强酸等，如表1所示。  EMBED ChemDraw.Document.4.5 
 图1 柠檬酸三丁酯的合成反应方程式 表1 酯化反应的主要催化剂 催化剂类型 代表物质 优缺点 液体无机酸 硫酸 优点：反应温度低﹑反应速度快。 缺点：设备腐蚀严重，废水量大，产品分离难。 无机盐 三氯化铝 优点：反应迅速，不腐蚀设备，三废少。 缺点：产品与催化剂分离难。 树脂催化 固载型三氯化铁离子交换树脂 优点：产品与催化剂易分离，催化剂可重复使用。 缺点：催化剂再生难。 纯杂多酸 H3PW12O40 优点：产品分离易 缺点：杂多酸易溶脱 沸石分子筛及其负载杂多酸 USY等 PW/USY 优点：反应温度低，产品与催化剂分离易，对设备无腐蚀，无污染，催化剂可重复使用，再生易 传统生产工艺以浓硫酸为催化剂，其缺点是由氧化作用导致的副反应多、产品色泽深、强烈腐蚀反应设备及残液污染环境。在环保问题日益突出的今天，传统的硫酸催化法大有改进的必要，开发替代硫酸的新型催化剂已成为当代工业生产中普遍关心的问题。近年来，国内外广泛开发了一系列新型的酯化反应催化剂如固体酸催化剂。与浓硫酸相比，这类催化剂具有易分离、无废液排放等优点，在催化领域日益受到人们关注。 国内如汪显阳等以固体超强酸S2O82-/TiO2-ZrO2为催化剂合成TBC，试验表明此体系具有良好的催化效果，当酸醇比为1:4时，反应时间为3h，催化剂用量为反应物总量的1.5％时，酯化率可达98.5%。赖文忠等采用ZnO的转化率达到95.63%，5次后催化剂活性维持在91%以上。杜晓晗等以甲基磺酸镧催化反应合成TBC，优化条件下酯化率97%以上。雍奎刚等自制钨磷酸、硅钨酸和活性炭负载钨磷酸合成TBC，实验证明，钨磷酸均相催化有较高酯化率(97.04%)。吴茂祥等以活性炭固载杂多酸合成催化剂重复使用5次，酯化率高于96.3%。Ishihara K.等以四价铪盐为催化剂在Science上报道了相关研究，Latini G.. 在Biology of the Neonate报道了相关产品对婴儿的影响问题， Shylesh S.等报道了具有催化乙酰化反应活性的SiO2-SO3H催化剂，类似的报道还有Chidambaram M.的无定形YZr-O-SO2-CF3催化剂和Zr-TMS催化剂。虽然有的催化剂已有文献报道，催化机理仍需深入研究。筛选高催化活性，高选择性，活化温度适合，用量少，再生容易的催化剂仍需要做大量工作。本项目拟用柠檬酸与正丁醇作原料，以沸石及沸石负载杂多酸作催化剂合成柠檬酸酯；柠檬酸酯产品与催化剂经陶瓷膜过滤分离，新催化剂对设备无腐蚀，生产工艺环保，无污染。 本项目的成功实施将提高固体酸催化剂在无毒增塑剂合成领域的应用性能，对固体酸催化技术的发展具有重要的科学意义，其研究结果对促进无毒增塑剂的推广应用，解决无毒增塑剂的工业化合成瓶颈问题，也具有一定理论参考意义和工程应用价值。 二 柠檬酸三丁酯的合成工艺 1、无毒增塑剂柠檬酸三丁酯的工艺优化研究 催化剂为廉价易购品。生产过程操作简易，无腐蚀与污染，是先进的节能清洁环保型生产工艺，产品成本低、质量好、收率高。因此研制柠檬酸三丁酯，对于拓宽柠檬酸的深加工领域，为塑料工业提供新型增塑剂无疑具有重要的现实意义。 在我国，柠檬酸三丁酯是柠檬酸和正丁醇在催化剂的作用下酯化合成而得的，传统的酯化反应一般用硫酸作催化剂，反应产物的后处理要经过碱中和、水洗、蒸馏脱醇脱水、脱色最后得到成品。 （1）、酯化反应 原理如下：
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 可能的副反应：

其反应是在带搅拌器、冷凝器、分水器、恒压滴液漏斗和温度计的四口瓶中进行，加热采用可控温电加热器。往四口瓶中加入正丁醇和柠檬酸和浓硫酸加热至回流状态，回流一段时间。每隔一定时间测定酸值。在回流状态下，随着反应的进行，反应液温度逐渐升高，通过加热装置和系统的真空度控制反应液温度在120℃左右；连续反应4．5h后反应液的酸值基本无变化，反应完毕后冷却。 （2）、中和水洗 用5％的NaOH溶液中和、水洗至中性，分去水相。 （3）、蒸馏 酯相在0．098MPa真空度下，控制釜液温度不超过140"O，减压蒸馏，回收过量的正丁醇。 （4）、脱色 常压下，加入活性炭，搅拌0．5h左右冷却，滤出活性炭，得到柠檬酸三丁酯产品。 采用传统工艺生产柠檬酸三丁酯，产品质量比较稳定，能够达到国家标准，但是这种生产柠檬酸三丁酯的方法也存在明显的缺陷，硫酸虽然价格便宜，催化活性高，但它存在很多缺点：生产周期长，转化率低；而且由于硫酸的脱水、酯化和氧化作用，副产物多，这对反应产物的精制及回收均带来困难；反无毒增塑剂柠檬酸三丁酯的工艺优化研究应产物的后处理要经过碱中和、水洗，以及除去作为催化剂的硫酸，致使工艺复杂，产生三废，产品流失；另外，硫酸还严重腐蚀设备，增加生产成本；因此，有必要对传统的生产工艺进行革新，摸索出一种新的、更合理的生产柠檬酸三丁酯的工艺，以满足当今国内外市场对柠檬酸三丁酯的大量需求。通过分析以上文献，可以看出，合成柠檬酸三丁酯的条件归纳起来有以下几点： (1)酸醇摩尔比； (2)酯化温度； (3)酯化时间； (4)催化剂的种类及用量； (5)中