超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，属于木质素磺酸盐烷基化合成表面活性剂的领域。本发明利用绿色高效的超声波活化技术提高木质素磺酸盐的活性基团数量和改善分子结构的规整性，克服了工业木质素磺酸盐反应活性低，分子结构规整性差的缺点，然后在碱性有机溶剂和水的混合溶液体系中，以吡啶及其衍生物为催化剂，烷基化改性木质素磺酸盐合成生物基表面活性剂。本发明所得生物基表面活性剂1%质量浓度水溶液表面张力低至28.2mN/m，临界胶束浓度为5×10-5g/mL。本发明具有成本方面的优势和符合绿色化学的本质，可望取代或部分取代石油基表面活性剂用于日用化学领域，应用前景广阔。
【专利说明】超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于木质素磺酸盐烷基化合成表面活性剂的领域，特别涉及一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法。
【背景技术】
[0002]木质素磺酸盐是自然界含量第二丰富的生物质资源木质素的衍生物，自然界含量丰富，可生物再生。同时木质素磺酸盐是酸性造纸制浆工业的主要废弃物和污染物，价格低廉，供应充足。在石油资源日益紧缺，价格高企的背景下，通过改性制备木质素磺酸盐生物基表面活性剂在工农业生产和生活领域，比如木质素磺酸盐混凝土减水剂、水煤浆添加剂、农药分散剂、油墨和染料分散剂、碳纳米管分散剂、日化用表面活性剂等方面都具有巨大的潜力和竞争优势。拓宽木质素磺酸盐的利用范围，提高其利用价值，对解决环境污染和保护生态环境具有重要意义，符合可持续发展战略和绿色化学的要求。
[0003]酚羟基是木质素磺酸盐重要的活性基团。当前，木质素磺酸盐酚羟基与烷基化试剂(如卤代烷)反应，在木质素大分子上引入亲油烷基链，是提高其表面活性的主要方法。木质素磺酸盐酚羟基的含量越高，烷基化反应的活性越大，越利于在木质素磺酸盐大分子上引入烷基链。但是工业木质素磺酸盐分子结构复杂，三维网状结构使酚羟基被缠绕封闭，不利于传质和改性反应。同时，未经活化的工业木质素磺酸盐酚羟基的含量少，反应活性低，能够发生接枝反应的位点少。文献 I (U.S PAT N04739040, Douglas G.Naae, Recoveringhydrocarbon with surfactants from lignin, 1988)报道，高温高压条件下，通过 CO 或者H2还原降解木质素磺酸盐，提高木质素磺酸盐的酚羟基含量，再进行烷基化反应得到亲油性能良好的木质素磺酸盐表面活性剂。CO和H2还原降解反应虽然提高了木质素磺酸盐的反应活性，但是反应条件苛刻，需要在高温高压条件下进行，过程使用CO等剧毒易爆气体。
[0004]超声波是指频率为2X104~IXIO7Hz的声波。超声波在媒介中传播时，通过空化、机械和热作用会产生一系列独特的力学`、热学以及化学效应，特别是在液体中传播时导致的空化作用具有独特的化学效应。空化作用产生的微泡提供了一个强大的剪切力场，为化学键的断裂提供机械能。同时，超声波空化作用导致高温高压的局部环境，可以促进自由基和其它高反应活性种的生成。超声波是绿色高效的活化处理技术，在生物炼制和生物质的活化处理方面具有广泛可靠的应用。
[0005]本专利 申请人:为主申请的中国发明专利CN2012100052844采用了直接烷基化的方法，将木质素磺酸盐改性制备成生物基表面活性剂。虽然该专利产品改性木质素磺酸盐水溶液的表面张力较低，但是需要以具有较高酚羟基含量的木质素磺酸盐为原料。一般未经活化处理的工业木质素磺酸盐，活性基团的含量较低，分子结构的规整性差，直接烷基化改性的反应效果不够稳定。另外，上述产物的临界胶束浓度(CMC)达到1.0X10_3g/mL，比传统石油基表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)的CMC值4.2 X IOVmL (赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003))高I个数量级。
【发明内容】
[0006]为克服工业木质素磺酸盐反应活性低、分子结构规整性差的缺点，解决现有技术得到的木质素磺酸盐表面活性剂活性有限，临界胶束浓度(CMC)高或者不存在明显CMC的问题，本发明的首要目的在于提供一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法。本发明的制备方法是在发明专利CN2012100052844的基础上，利用了绿色高效的超声波生物质活化技术实现的。
[0007]本发明的另一目的在于提供上述制备方法获得的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。 [0008]本发明的再一目的在于提供上述超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的应用。
[0009]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，包含以下步骤:
[0010](I)将木质素磺酸盐溶解在水中，搅拌使木质素磺酸盐充分分散溶解，得到木质素磺酸盐溶液；
[0011](2)于20~301:，使用功率为150~300W，频率20~40KHZ的超声波作用木质素磺酸盐溶液60~120min，自然冷却；冷却后的超声反应液经过减压蒸馏，恒温干燥，得到酚羟基含量提闻的超声木质素横酸盐；
[0012](3)将步骤(2)获得的超声木质素磺酸盐溶解在有机溶剂和水形成的混合溶液中，接着将PH值调节至10~12，搅拌使超声木质素磺酸盐充分溶解；
[0013](4)加入烷基化试剂和相当于烷基化试剂质量50%~100%的催化剂；在惰性气体的保护下，60~80°C冷凝回流反应6~8小时；停止反应,反应液用石油醚洗漆,除去未反应的烷基化试剂；收集下层溶液，减压蒸馏除去溶剂，剩余物60°C恒温真空干燥24小时，得到棕黑色粉末，即为超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。
[0014]步骤(1)中所述的木质素磺酸盐选自造纸副产物，包括木本木质素磺酸盐和草本木质素磺酸盐中的一种或两种，优选为木本木质素磺酸钠；
[0015]步骤(1)中所述的水优选为蒸馏水，其体积用量优先相当于木质素磺酸盐质量的10倍；即水:木质素磺酸盐=10:1 (mL/g)；
[0016]优选的，步骤(1)中木质素磺酸盐溶解在水中后，采用质量浓度为98%的浓硫酸调节其水溶液PH值为O~2，酸性pH环境利于木质素磺酸盐和苯环相连的烷氧基特别是甲氧基键的断裂，促进酚羟基的形成；
[0017]步骤(2)中所述的超声波作用木质素磺酸盐溶液的条件优选为于20~30°C、使用功率300W、频率20KHz的超声波作用60min ；300ff的大功率超声波提高酚羟基的含量；
[0018]步骤(2)中所述的恒温干燥的温度优选为60°C ；
[0019]步骤(3)中所述的有机溶剂为醇、酮或醚中的一种或至少两种，其中优选醇，最优选为异丙醇；
[0020]步骤(3)中所述的混合溶液优选为有机溶剂和水按体积比1:0.4~4混合得到；
[0021]步骤(3)中所述的混合溶液的体积用量优选相当于木质素磺酸盐质量的10倍；SP混合溶液:木质素磺酸盐=10:1 (ml/g)；
[0022]步骤(3)中所述的pH值优选通过氢氧化钠进行调节，更优选为通过浓度lmol/L的氢氧化钠溶液进行调节；
[0023]步骤(4)中所述的烷基化试剂为卤代烃，优选为含8~14个碳原子的1-溴直链烷烃，更优选为1-溴十二烷烃；烷基化试剂的加入量与木质素磺酸盐加入量的质量比值为1:5 ；
[0024]步骤(4)中所述的催化剂为吡啶或吡啶衍生物中的一种；所述的吡啶衍生物为2-甲基吡唆，2-乙基吡唆，2、6_ 二甲基吡啶或2、6_ 二乙基吡啶中的一种；其中优选吡啶；
[0025]步骤(4)中所述的惰性气体优选为氮气。
[0026]一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂，通过上述方法制备得到。
[0027]所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂取代石油基表面活性剂在日用化学领域应用；作为混凝土减水剂，用于建筑行业；作为水煤浆添加剂，用于能源领域；作为碳纳米管和碳纤维分散剂，用于先进功能材料制备领域；作为重金属离子吸附剂或金属离子感应器监控环境的重金属离子污染，用于工业废水处理领域等。
[0028]本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果:
[0029]( I)本发明在绿色溶剂水溶液中，利用超声波的物理和化学效应，破坏木质素磺酸盐复杂的三维网状封闭结构，改善分子结构规整性；提高酚羟基的含量，从而提高其烷基化反应活性。
[0030](2)以相同的工业木质素磺酸盐为原料，本发明的产物与专利CN2012100052844提供的方法制备的产物相比，本发明产物的临界胶束浓度(CMC)可达5.0X 10_5g/mL，优于传统石油基表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)的CMC值4.2X 10VmL,明显低于专利CN2012100052844提供的方法制备的产物的CMC值1.0 X l(T3g/mL。
[0031](3)以相同的工业木质素磺酸盐`为原料，本发明的产物与专利CN2012100052844提供的方法制备的产物相比，本发明产物1%质量浓度水溶液的表面张力最小达到28.2mN/m，低于专利CN2012100052844提供的方法制备的产物在1%质量浓度水溶液时34.lmN/m的表面张力。
[0032](4)本发明产品与石油基表面活性剂相比，成本低廉、供应充足，而且以造纸工业废弃物为原料，不仅具有成本优势，而且减少造纸工业造成的环境污染。
[0033]二步法合成目标产品，利用超声波改善工业木质素磺酸盐的反应活性和分子结构规整性，辅助烷基化合成生物基表面活性剂；产物的性能优于传统石油基表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)，临界胶束浓度(CMC)比现有技术低I~2个数量级；具有明显的价格优势和市场竞争力，并符合可持续发展和绿色化学的本质要求。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0035]实施例1
[0036](I)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml蒸馏水中，接着用质量浓度为98%的浓硫酸将PH值调节至2，搅拌使木质素磺酸钠充分分散溶解得到木质素磺酸钠溶液；
[0037](2) 25°C下用150W、40KHz的超声波处理木质素磺酸钠溶液60min，超声反应液自然冷却，接着经减压蒸馏除去溶剂，60°C恒温干燥24h，得到深棕褐色超声木质素磺酸钠；
[0038](3)将超声木质素磺酸钠溶解在100ml有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比50:50得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至10，搅拌使超声木质素磺酸盐充分溶解；
[0039](4)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和Ig吡啶为催化剂。在氮气的保护下，80°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为超声烷基化木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量产物系列质量浓度水溶液的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为28.8mN/m，根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003))求得临界胶束浓度(CMC)值为 1.0X10_4g/mL。
[0040]对比例I
[0041](1)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml的有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比50:50得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至10，搅拌使木质素磺酸盐充分溶解；
[0042](2)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和Ig吡啶为催化剂。在氮气的保护下，80°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为直接烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量产物系列质量浓度水溶液的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为33.lmN/m,根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003))求得临界胶束浓度(CMC)值为1.0X 10_3g/mL。
[0043]实施例2
[0044](1)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml蒸馏水中，搅拌使木质素磺酸钠充分分散溶解，得到木质素磺酸钠溶液。
[0045](2) 30°C下用300W、20KHz超声波处理木质素磺酸钠溶液60min，超声反应液自然冷却，接着经减压蒸馏除去溶剂，60°C恒温干燥24h，得到深棕褐色超声木质素磺酸钠。
[0046](3)将超声木质素磺酸钠溶解在100ml的有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比70:30得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至11，搅拌使超声木质素磺酸盐充分溶解；
[0047](4)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和Ig吡啶为催化剂。在氮气的保护下，80°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为超声烷基化木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量产物系列质量浓度水溶液的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为28.2mN/m，根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003))求得临界胶束浓度(CMC)值为 5.0X 10_5g/mL。
[0048]对比例2
[0049](I)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml的有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比70:30得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至11，搅拌使木质素磺酸盐充分溶解；[0050](2)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和Ig吡啶为催化剂。在氮气的保护下，80°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为直接烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量系列质量浓度的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为34.lmN/m，根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003 ))求得临界胶束浓度(CMC)值为 5.0XlO-VmL0
[0051]实施例3
[0052](I)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml蒸馏水中，接着用质量浓度为98%的浓硫酸将PH值调节至0，搅拌使木质素磺酸钠充分分散溶解得到木质素磺酸钠溶液。
[0053](2)25°C下用150W、40KHz超声波处理木质素磺酸钠溶液120min，超声反应液自然冷却，接着经减压蒸馏除去溶剂，60°C恒温干燥24h，得到深棕褐色超声木质素磺酸钠。
[0054](3)将超声木质素磺酸钠溶解在100ml的有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比20:80得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至12，搅拌使超声木质素磺酸盐充分溶解；
[0055](4)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和2g吡啶为催化剂。在氮气的保护下，60°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为超声烷基化木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量系列质量浓度的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为31.3mN/m，根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003 ))求得临界胶束浓度(CMC)值为 7.5 X IOVmL0`
[0056]对比例3
[0057](I)将IOg木质素磺酸钠溶解在100ml的有机溶剂和水的混合溶液中(由异丙醇和水按体积比20:80得到)，接着用lmol/L的氢氧化钠溶液将pH值调节至12，搅拌使木质素磺酸钠充分溶解；
[0058](2)加入2g的1-溴十二烷为烷基化试剂和2g吡啶为催化剂。在氮气的保护下，60°C左右冷凝回流反应8小时。停止反应，反应液每次用20ml石油醚洗涤，洗涤三次。收集水相，减压蒸馏，剩余物60°C恒温真空干燥24h，得到棕黑色的粉末即为直接烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。根据GB/T22237-2008，室温下采用钼金平板法测量系列质量浓度的表面张力，其中质量浓度为1%的产物水溶液的表面张力为33.4mN/m，根据表面张力法(赵国玺，《表面活性剂的基本原理》，中国轻工业出版社(2003 ))求得临界胶束浓度(CMC)值为 1.0X10^g/mLo
[0059]上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于包含以下步骤: (1)将木质素磺酸盐溶解在水中，搅拌使木质素磺酸盐充分分散溶解，得到木质素磺酸盐溶液； (2)于20~30°C，使用功率为150~300W，频率20~40KHz的超声波作用木质素磺酸盐溶液60~120min，自然冷却；冷却后的超声反应液经过减压蒸馏，恒温干燥，得到酚羟基含量提闻的超声木质素横酸盐； (3)将步骤(2)获得的超声木质素磺酸盐溶解在有机溶剂和水形成的混合溶液中，接着将PH值调节至10~12，搅拌使超声木质素磺酸盐充分溶解； (4)加入烷基化试剂和相当于烷基化试剂质量50%~100%的催化剂；在惰性气体的保护下,60~80°C冷凝回流反应6~8小时；停止反应,反应液用石油醚洗漆,除去未反应的烷基化试剂；收集下层溶液，减压蒸馏除去有机溶剂，剩余物60°C恒温真空干燥24小时，得到棕黑色粉末，即为 超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述的木质素磺酸盐为木本木质素磺酸盐和草本木质素磺酸盐中的一种或两种； 步骤(1)中所述的水为蒸馏水，水的体积用量为木质素磺酸盐质量的10倍。
3.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(1)中木质素磺酸盐溶解在水中后，采用质量浓度为98%的浓硫酸调节水溶液PH值为O~2。
4.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(1)中所述的木质素磺酸盐为木本木质素磺酸钠； 步骤(2)中所述的超声波作用木质素磺酸盐溶液的条件使用功率300W、频率20KHz的超声波作用60min ； 步骤(2)中所述的恒温干燥的温度为60°C。
5.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(3)中所述的有机溶剂为醇、酮或醚中的一种或至少两种； 步骤(3)中所述的混合溶液为有机溶剂和水按体积比1:0.4~4混合得到； 步骤(3)中所述的混合溶液的体积用量为木质素磺酸盐质量的10倍。
6.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(3)中所述的有机溶剂为异丙醇； 步骤(3)中所述的pH值通过氢氧化钠进行调节。
7.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(4)中所述的烷基化试剂为含8~14个碳原子的1-溴直链烷烃；烷基化试剂的加入量与木质素磺酸盐加入量的质量比为1:5 ； 步骤(4)中所述的催化剂为吡啶或吡啶衍生物中的一种；所述的吡啶衍生物为2-甲基吡唆，2-乙基吡唆，2、6_ 二甲基吡啶或2、6_ 二乙基吡啶中的一种； 步骤(4)中所述的惰性气体为氮气。
8.根据权利要求1所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂的制备方法，其特征在于:步骤(4)中所述的烷基化试剂为1-溴十二烷烃。
9.一种超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂，通过权利要求1~8任一项所述的方法制备得到。
10.权利要求9所述的超声烷基化的木质素磺酸盐生物基表面活性剂取代石油基表面活性剂在日用化学领域应用；作为混凝土减水剂，用于建筑行业；作为水煤浆添加剂，用于能源领域；作为碳纳米管和碳纤维分散剂，用于先进功能材料制备领域；作为重金属离子吸附剂或金属 离子感应器，用于工业废水处理领域。
【文档编号】B01J20/24GK103755972SQ201310720247
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】沈敏敏, 周宝文, 哈成勇, 邓莲丽, 孙淳宁, 胡志忠 申请人:中科院广州化学有限公司