劉志春,陸貽超,馬中森,張亞杰*,王 邃
(1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所,浙江 寧波 315201;2.寧波大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,浙江 寧波 315211)
增塑劑是應(yīng)用于高分子材料尤其是聚氯乙烯(PVC)中的重要助劑之一[1],可改善PVC的加工性、拉伸性、柔韌性、可塑性等[2]。隨著增塑劑的不斷研究發(fā)展,目前主要的增塑劑包括鄰苯二甲酸酯類、烴類、羧酸酯、醚類、磷酸酯、鹵代烷烴、聚乙二醇以及環(huán)氧化合物等[3-6]。其中,鄰苯二甲酸酯類因其具有良好的性能以及較低的生產(chǎn)成本成為了全世界范圍內(nèi)用量最廣的增塑劑(占市場(chǎng)份額的80 %)[7-10]。然而,隨著鄰苯二甲酸酯增塑劑對(duì)人體健康及環(huán)境危害的報(bào)道日益增多[11-14],使得全球?qū)υ鏊軇┑陌踩砸约靶l(wèi)生問(wèn)題提高了要求,甚至許多國(guó)家限制了該類增塑劑的使用[15-17]。
目前,各種生物基增塑劑被研究、開發(fā)、利用,如檸檬酸酯類增塑劑[18]、環(huán)氧類增塑劑[19]等。呋喃類衍生物2,5 - 呋喃二甲酸(FDCA)因其可通過(guò)可再生資源制備獲得[20-21],并且與鄰苯二甲酸、對(duì)苯二甲酸有類似的結(jié)構(gòu),被認(rèn)為是石油基單體鄰苯二甲酸的理想替代品,其具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明,F(xiàn)DCA的衍生物2,5 - 呋喃二甲酸酯作為增塑劑對(duì)PVC擁有比鄰苯類酯增塑劑更好的增塑性能[22],[23]1 367,并且呋喃化合物能在Krebs循環(huán)過(guò)程中被代謝掉,因此2,5 - 呋喃二甲酸酯有望成為一種環(huán)保、健康的新型生物基增塑劑。然而,2,5 - 呋喃二甲酸酯還處于研發(fā)階段,其中Yu等[23]1 367以離子液體為催化劑合成了DBF,但因離子液體昂貴,且不易回收,考慮到經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,此方法不適用于工業(yè)化生產(chǎn)。因此,開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的DBF合成路線是目前推動(dòng)DBF產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。堿催化酯交換反應(yīng)法因反應(yīng)條件溫和、催化劑成本低、反應(yīng)速率快、對(duì)設(shè)備要求低,在生物柴油[24]、糖酯[25]等制備過(guò)程中得到了很好的應(yīng)用。本文以碳酸鉀為催化劑,催化DMF與正丁醇的酯交換反應(yīng),并在單因素影響實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用響應(yīng)面分析法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬,確定了反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量相互之間對(duì)DBF產(chǎn)率的影響關(guān)系,得到了最佳反應(yīng)條件,實(shí)現(xiàn)了DBF的產(chǎn)率最優(yōu)化。
正丁醇、碳酸鉀,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;
DMF,工業(yè)級(jí),質(zhì)量純度≥99.5 %,寧波貝歐斯生物科技有限公司。
高效液相色譜(配備紫外可變波長(zhǎng)檢測(cè)器),Agilent 1260,美國(guó)Agilent Technologies有限公司;
色譜柱,ZORBAX SB-C18, 150 mm×4.6 mm,5 μm,美國(guó)Agilent Technologies有限公司;
傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR),Nicolet 6700,美國(guó)Nicolet公司;
核磁共振譜儀(NMR),AVANCE III 400 MHz,美國(guó)布魯克公司。
DBF的制備:采用單因素試驗(yàn)法將25 mL正丁醇與2.5 g DMF置于50 mL圓底燒瓶中,加入碳酸鉀作為催化劑,在600 r/min的攪拌速度下進(jìn)行減壓反應(yīng)(0.02 MPa),分別考察了催化劑用量(1 %~4 %)、反應(yīng)溫度(40~100 ℃)和反應(yīng)時(shí)間(20~120 min)對(duì)DBF產(chǎn)率的影響,每組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)平行組,產(chǎn)率取平均值;其合成路線如圖1所示;
響應(yīng)面法優(yōu)化DBF的制備:根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果,選擇最佳水平,采用 Design Expert 8.0進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。
圖1 DBF的合成路線Fig.1 Transesterificatios of DMF with 1-butanol
NMR表征:將15 mg樣品溶于氘代二甲基亞砜(DMSO)溶劑中制備成溶液,進(jìn)行1H和13C的分析;1H譜采用zg30脈沖程序,恒溫24.85 ℃測(cè)試,脈沖寬度為8 223 Hz,射頻中心頻率為2 471 Hz,采樣時(shí)間為3.98 s,弛豫時(shí)間為1 s,采樣次數(shù)為16次,空掃2次;13C譜采用zgpg30脈沖程序,恒溫22.85 ℃測(cè)試,脈沖寬度為24 038 Hz,射頻中心頻率為2 471 Hz,采樣時(shí)間為1.36 s,弛豫時(shí)間為2 s,采樣次數(shù)為2 048次,空掃4次;
FTIR表征:將1.5 mg的DBF樣品與200 mg烘干研磨后的溴化鉀均勻混合,壓片制樣,掃描范圍為4 000~400 cm-1,分辨率為2 cm-1;
DBF產(chǎn)率的測(cè)定:利用高效液相色譜法測(cè)定DBF的濃度,檢測(cè)波長(zhǎng)為278 nm,柱溫為30 ℃,流動(dòng)相為甲醇、三氟乙酸混合液,以甲醇∶5 ‰三氟乙酸=5∶95(體積比)為初始流動(dòng)相進(jìn)行梯度洗脫,其流動(dòng)速率為1 mL/min,洗脫20 min后流動(dòng)相為100 %的甲醇;其中DBF的產(chǎn)率按式(1)進(jìn)行計(jì)算:
(1)
式中Y——DBF的產(chǎn)率, %
V1——反應(yīng)溶液的體積,L
c——DBF的濃度,g/L
M1——DBF的摩爾質(zhì)量,g/moL
M2——DMF的摩爾質(zhì)量, g/moL
m1——DMF的質(zhì)量,g
將反應(yīng)溫度為90 ℃,催化劑用量為4 %,反應(yīng)時(shí)間為80 min條件下得到的DBF溶液靜置于4 ℃的冰箱中使DBF結(jié)晶,過(guò)濾后于正丁醇中進(jìn)行重結(jié)晶,-40 ℃冷凍干燥24 h,得到白色的DBF晶體。取少量樣品用于FTIR表征和NMR表征。
(a)1H-NMR譜圖 (b)13C-NMR譜圖圖3 DBF的1H-NMR譜和13C-NMR譜圖Fig.3 1H-NMR and13C-NMR spectrums of DBF
圖2 DBF的FTIR譜圖Fig.2 FTIR spectrum of DBF
圖4 反應(yīng)溫度對(duì)DBF產(chǎn)率的影響Fig.4 The effect of temperature on the yield of DBF
在催化劑用量為4 %,反應(yīng)時(shí)間為90 min的條件下,研究了反應(yīng)溫度對(duì)DBF產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明(圖4),在實(shí)驗(yàn)條件內(nèi),DBF的產(chǎn)率與反應(yīng)溫度呈正相關(guān)關(guān)系。溫度較低時(shí)(<50 ℃),酯交換反應(yīng)速度慢,DBF產(chǎn)率低,其原因可能是DMF在正丁醇中的溶解度較低,DMF呈固體狀態(tài)在反應(yīng)瓶底部沉積,使之不能與正丁醇充分接觸,不利于反應(yīng)的進(jìn)行;當(dāng)溫度升高后(50~90 ℃),DBF的產(chǎn)率隨著溫度的升高而增大,這可能是因?yàn)闇囟鹊纳呤笵MF在正丁醇中的溶解度增大,DMF逐漸與正丁醇形成混合溶液并在攪拌作用下開始反應(yīng);由于溶解和酯交換反應(yīng)可能是同時(shí)進(jìn)行的,溶液中酯交換反應(yīng)不斷地消耗DMF,從而使DMF的溶解加速增大,使酯化反應(yīng)速率增大,最終表現(xiàn)為DBF的產(chǎn)率快速增大。當(dāng)溫度高于90 ℃時(shí),DBF的產(chǎn)率有所下降,這可能是因?yàn)闇囟冗^(guò)高時(shí),正丁醇被蒸出,反應(yīng)不完全,使產(chǎn)率降低,且體系內(nèi)的堿性也相對(duì)增加,發(fā)生了副反應(yīng),不利于產(chǎn)物的積累。因此,最佳的反應(yīng)溫度為90 ℃。
圖5 催化劑用量對(duì)DBF產(chǎn)率的影響Fig.5 The effect of catalyst dosage on the yield of DBF
在反應(yīng)溫度為90 ℃,反應(yīng)時(shí)間為90 min的條件下,研究了催化劑用量對(duì)DBF產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明(圖5),隨著催化劑用量的增加,DBF的產(chǎn)率不斷提高,當(dāng)催化劑用量約為2 %時(shí),DBF的產(chǎn)率接近最大,繼續(xù)增加催化劑用量至4 %時(shí),DBF的產(chǎn)率增加平緩,基本保持不變。因此,催化劑的用量并非越多越好?;瘜W(xué)反應(yīng)受反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)熱力學(xué)的共同限制,而催化劑則可改變反應(yīng)歷程,降低反應(yīng)活化能,提高反應(yīng)速率。但若在某一時(shí)刻或某一時(shí)間段內(nèi),反應(yīng)接近平衡,化學(xué)反應(yīng)將主要受到熱力學(xué)控制,此時(shí)增加催化劑用量對(duì)提高產(chǎn)率無(wú)明顯效果,反而會(huì)增加成本,且過(guò)多的催化劑有可能促使副反應(yīng)的發(fā)生,不利于產(chǎn)物的累積。因此,在此條件下,最佳的催化劑用量為2 %。
在反應(yīng)溫度為90 ℃,催化劑用量為4 %的條件下,觀察了反應(yīng)時(shí)間對(duì)DBF產(chǎn)率的影響。結(jié)果表明(圖6),當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在20~90 min時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),DBF的產(chǎn)率不斷提高;繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,DBF的產(chǎn)率趨于平穩(wěn),說(shuō)明反應(yīng)已達(dá)到最大程度。在反應(yīng)初期,反應(yīng)物的濃度較高,反應(yīng)速率快;隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)物的濃度逐漸變小,反應(yīng)速率不斷降低,產(chǎn)率增幅相應(yīng)變小,直到反應(yīng)接近化學(xué)平衡,產(chǎn)率幾乎不再變化。綜合考慮能耗、高產(chǎn)率等問(wèn)題,選擇最佳的反應(yīng)時(shí)間為90 min。
圖6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)DBF產(chǎn)率的影響Fig.6 The effect of reaction time on the yield of DBF
為了研究反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量之間的相互作用對(duì)DBF產(chǎn)率的影響,根據(jù)控制單因素變量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,設(shè)計(jì)適宜的影響因素變量范圍,采用 Design Expert 8.0分析軟件,Box-Behnken設(shè)計(jì)原理(見表1),以DBF的產(chǎn)率為響應(yīng)值,催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間為自變量,對(duì)DBF的酯交換工藝過(guò)程進(jìn)行了3因素3水平的響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)(表2)。
表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Test factor level
表2 Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Tab.2 Test design and results with Box-Behnken design
表3 方差分析Tab.3 Variance analysis
由圖7(a)可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為90 min時(shí),隨著催化劑用量與反應(yīng)溫度的增加,DBF的產(chǎn)率不斷增大,當(dāng)催化劑用量與反應(yīng)溫度均為最大值時(shí),DBF的產(chǎn)率最大。當(dāng)反應(yīng)溫度不變時(shí),隨著催化劑用量的增加,DBF的產(chǎn)率不斷增大;當(dāng)催化劑用量不變時(shí),隨著反應(yīng)溫度的提高,DBF的產(chǎn)率逐漸增大,并互相促進(jìn)。
由圖7(b)可知,當(dāng)反應(yīng)溫度為90 ℃,且反應(yīng)時(shí)間一定時(shí),DBF的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加而增大;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間達(dá)到最大值時(shí),DBF的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加變化不明顯,這一結(jié)果與二次多項(xiàng)回歸方程中反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)項(xiàng)系數(shù)較小的結(jié)果一致。當(dāng)催化劑用量較大時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),DBF的產(chǎn)率先增大后減小。
由圖7(c)可知,當(dāng)催化劑用量為4 %,且反應(yīng)溫度一定時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),DBF產(chǎn)率的變化呈拋物面狀,并且當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在75~85 min內(nèi)時(shí)達(dá)到最大值;當(dāng)反應(yīng)時(shí)間一定時(shí),隨著反應(yīng)溫度的升高,DBF的產(chǎn)率逐漸增大,且反應(yīng)溫度的曲面坡度較陡,表明溫度的變化對(duì)DBF產(chǎn)率的影響顯著,主導(dǎo)因子作用明顯。
(a)催化劑用量與反應(yīng)溫度的交互作用,反應(yīng)時(shí)間為90 min (b)催化劑用量與反應(yīng)時(shí)間的交互作用,反應(yīng)溫度為90 ℃(c)反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間的交互作用,催化劑用量為4 %圖7 催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的交互作用對(duì)DBF產(chǎn)率的影響的三維響應(yīng)曲面圖Fig.7 3D response surface of the effects of catalyst dosage,reaction temperature and reaction time on DBF yield
軟件模擬分析表明,催化劑用量為4 %,反應(yīng)溫度為90 ℃和反應(yīng)時(shí)間為76.05 min時(shí),模型預(yù)測(cè)DBF的產(chǎn)率為96.41 %。為了驗(yàn)證響應(yīng)面分析法實(shí)驗(yàn)中得到的模型在最優(yōu)條件下預(yù)測(cè)的DBF產(chǎn)率值的可信度,按照上述最
佳反應(yīng)條件,進(jìn)行3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,3次平行實(shí)驗(yàn)所得到的DBF的平均產(chǎn)率為96.47 %(見表4),與理論值接近,且相對(duì)誤差僅為0.06 %,說(shuō)明模型預(yù)測(cè)的結(jié)果具有很高的準(zhǔn)確度,說(shuō)明響應(yīng)面分析法適用于DMF與正丁醇的酯交換反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究和工藝評(píng)估。
表4 DBF實(shí)驗(yàn)?zāi)M及驗(yàn)證結(jié)果Tab.4 Experimental simulation and verification results of DBF
(1)隨著反應(yīng)溫度的升高,DBF的產(chǎn)率不斷增大,當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到90 ℃時(shí),DBF的產(chǎn)率達(dá)到最大;DBF的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加而增大,當(dāng)催化劑用量為2 %時(shí),DBF的產(chǎn)率接近最大;隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng),DBF的產(chǎn)率不斷增大,當(dāng)反應(yīng)90 min后,DBF的產(chǎn)率達(dá)到最大;
(2)利用響應(yīng)面優(yōu)化法結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立了DBF的生產(chǎn)模型,擬合二次多項(xiàng)回歸方程得到了DBF的最優(yōu)生產(chǎn)條件為:反應(yīng)溫度為90 ℃,催化劑用量為4 %,反應(yīng)時(shí)間為76.05 min,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,表明模型預(yù)測(cè)具有很高的準(zhǔn)確度,且在最佳生產(chǎn)條件下DBF的產(chǎn)率為96.41 %。
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