合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大分子单体的一步法新途径
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科技成果——醇、醛一步法氧化酯化制备甲基丙烯酸甲酯(MMA)新工艺技术开发单位中科院大连化物所学科领域精细化工项目阶段工业化实验成果简介甲基丙烯酸甲酯(MMA)是一种重要的有机化工原料,主要用来生产有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯,PMMA),也用来制造其它树脂、塑料、涂料、粘合剂、润滑剂、木材和软木的浸润剂、电机线圈的浸透剂、纸张上光剂、印染助剂和绝缘灌注材料等,用途十分广泛。
近年来,亚洲市场对电子/电器/光学用品、显示标志、各种照明设备和灯具需求旺盛,推动了MMA行业的快速发展。
此外,在玩具、文具及其他物品对透明树脂需求继续大增的同时,LCD核心元件背光用光板和广告宣传标志牌等用途的需求量也有很大发展。
目前丙酮氰醇法和异丁烯法(甲基丙烯酸-甲醇酯化法)是MMA 主流工艺,技术成熟可靠,各有优缺点。
丙酮氰醇工艺简单,产品质量较好,经济性较好。
但是,受到原料氢氰酸来源和环保等多方面因素限制;氢氰酸和硫酸腐蚀性很强,对设备耐腐蚀性要求很高。
异丁烯法(甲基丙烯酸-甲醇酯化法)原料易得、产品质量好,对环境影响较小。
但是,甲基丙烯酸腐蚀性较强,对设备耐腐蚀性要求较高;工艺流程较长,能耗较高。
最新的异丁烯法(甲基丙烯醛-甲醇一步氧化酯化法)可以有效缩短工艺流程,大幅度增强异丁烯法的竞争力。
甲基丙烯醛来源除了异丁烯氧化外,也可以通过乙烯甲酰化合成丙醛,丙醛再和甲醛缩合而制得。
目前,甲基丙烯醛和甲醇一步氧化酯化新工艺被日本旭化成垄断,如果能成功开发此新工艺,将对打破国外技术垄断和提升我国MMA行业水平起到极大推动作用。
同时可满足我国快速增长的MMA市场需求。
本项目聚焦于纳米金催化剂高效制备及催化甲基丙烯醛和甲醇一步氧化酯化制甲基丙烯酸甲酯,空气或氧气作为氧化剂。
已完成催化剂3800小时长寿命考察,纳米金催化剂性能优异。
甲基丙烯醛几乎完全转化,MMA选择性可达到98%以上。
现在寻求企业合作,希望通过技术转让,实现MMA新工艺在国内的工业化应用。
聚羧酸系减水剂的合成原理及方法聚羧酸系有机材料目前受到广泛关注,它主要用于混凝土减水剂、洗涤添加剂、涂料及油墨中的颜料分散剂等领域。
该类表面活性剂具有优良的洗涤、渗透、分散、乳化、破乳等性能,特别是具有低温洗涤效果好、耐硬水、生物降解性能好、配位性能强等优点。
因此,应用范围很广,将聚羧酸型高分子用作混凝土减水剂的历史不长,日本是其首要研究开发国和使用国。
近年来,聚羧酸减水剂在混凝土业中被广泛接受,并受到国内外混凝土外加剂研究者及使用者的日益关注。
究其原因,与传统的减水剂萘磺酸和磺化三聚氰胺缩合物相比,他们能在低掺量下赋予混凝土高分散性、流动性及高分散体系稳定性防止坍落度损失。
同时,工业萘价格上涨、萘系减水剂生产周期长、环境污染严重等问题日益突出也使聚羧酸系减水剂的应用势在必行。
目前,日本常用高效引气减水剂的主要成分正从萘磺酸盐加反应性高分子向聚羧酸系过渡,欧美各国亦紧追其后。
有关聚羧酸减水剂研究进展特别是对该类减水剂制备原理、作用机理、发展前景等方面综述报道较少。
笔者拟对该类减水剂的制备原理、作用机理、发展前景等方面研究进展做一综述。
1制备原理聚羧酸盐高性能减水剂是由带有磺酸基、羧基、氨基以及含有聚氧乙烯侧链等的大分子化合物,在水溶液中,通过自由基共聚原理合成的具有梳型结构的高分子表面活性剂。
合成聚羧酸盐高性能减水剂所需的主要原料有:甲基丙烯酸、丙烯酸、丙烯酸乙酯、丙烯酸羟乙酯、烯丙基磺酸钠、甲基丙烯酸甲酯、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烯酸、甲氧基聚氧乙烯甲基丙烯酸酯、乙氧基聚乙二醇丙烯酸酯、烯丙基醚等,在聚合过程中可采用的引发剂为:过硫酸盐水性引发剂、过氧化苯甲酰、偶氮二异丁氰;链转移剂有:3-疏基丙酸、疏基乙酸、疏基乙醇以及异丙醇等。
合成方法为:在配有电动搅拌器、温度计、滴液装置、以及回流冷凝管的圆底烧瓶中,通过水浴加热的方法缓慢滴加聚合单体溶液和引发剂溶液,在选用聚合单体时,应充分考虑其竞聚率的大学。
聚甲基丙烯酸羟乙酯合成方法聚甲基丙烯酸羟乙酯(Polyhydroxyethyl methacrylate,简称PHEMA)是一种重要的合成材料,广泛应用于水凝胶、生物材料、药物传递系统等领域。
下面将介绍一种常见的PHEMA合成方法。
PHEMA的合成通常通过自由基聚合反应进行。
首先,需要准备甲基丙烯酸羟乙酯单体(HEMA)和引发剂。
HEMA是一种无色液体,具有羟基和丙烯酸酯基团。
引发剂可以是过氧化苯甲酰(benzoyl peroxide,简称BPO)等物质,其作用是引发聚合反应。
合成过程中,首先将HEMA和引发剂按一定比例混合,并加入适量的溶剂,如乙酸乙酯或甲苯。
接下来,将混合物置于惰性气氛下,如氮气气氛中。
然后,在适宜的温度下,开始加热混合物。
加热过程中,引发剂会逐渐分解产生自由基,引发HEMA分子之间的聚合反应。
反应进行一段时间后,得到的聚合物可以根据需要进行后续处理。
常见的处理方法包括溶剂蒸发、冷冻干燥等。
最终,得到的产物即为聚甲基丙烯酸羟乙酯。
PHEMA的合成方法有很多种,上述只是其中一种常见的方法。
根据具体需要,可以调整引发剂的种类和用量,以及反应温度和时间,以控制合成产物的分子量和结构。
此外,在合成过程中还可以引入其他功能单体或交联剂,以赋予聚合物特定的性能。
PHEMA具有良好的生物相容性、机械性能和光学透明性,因此在医学和生物学领域得到了广泛应用。
例如,PHEMA可以用于制备人工晶体、接触镜、组织工程支架等。
此外,由于PHEMA具有优异的水吸附性能,还可以用于制备水凝胶材料,用于水凝胶电池、传感器等器件中。
聚甲基丙烯酸羟乙酯是一种重要的合成材料,其合成方法可以通过自由基聚合反应实现。
合成过程中需要合适的单体、引发剂和溶剂,并在适宜的条件下进行反应。
合成得到的PHEMA具有广泛的应用前景,可用于医学、生物学和能源等领域。
pmma合成路线-回复pmma合成路线是指聚甲基丙烯酸甲酯的合成方法。
聚甲基丙烯酸甲酯,又称为聚甲基丙烯酸甲酯,是一种具有优异性能的高分子材料,广泛应用于塑料、涂料、胶粘剂等行业。
在本文中,将详细介绍pmma的合成路线及步骤。
首先,pmma的合成路线包括以下几个步骤:1. 配制反应体系:将适量的甲醇和甲基丙烯酸甲酯以一定比例混合,在搅拌条件下形成反应体系。
此外,添加催化剂可加速反应速度。
2. 聚合反应:将上述混合物注入反应器中,加热至适当温度。
在催化剂的作用下,甲基丙烯酸甲酯发生自由基聚合反应,生成聚合物。
3. 结晶:反应完成后,将反应体系冷却至室温,聚合物开始结晶。
从此得到的产品为颗粒状或块状。
4. 过滤和洗涤:将结晶产物进行过滤,去除杂质。
然后用适量的溶剂洗涤,去除未反应的单体和催化剂等有害物质。
5. 干燥:将洗涤后的聚合物进行干燥,以去除残留的溶剂和水分。
干燥条件需要根据具体情况调整。
以上就是pmma的合成路线的基本步骤。
下面将更详细地介绍每个步骤的相关内容和注意事项。
首先,在配制反应体系时,需要根据甲醇和甲基丙烯酸甲酯的配比确定反应物的量。
一般情况下,甲基丙烯酸甲酯的用量要略多于甲醇。
此外,添加催化剂可以提高反应速度和产物的收率。
常用的催化剂有过硫酸铵和过硫酸钾等。
接着,在聚合反应中,温度的选择很重要。
温度过低会导致反应速度缓慢,温度过高则可能引发副反应,降低产品质量。
一般情况下,将温度控制在60-80C之间较为合适。
此外,反应时间也需要根据具体情况进行调整,一般为几个小时至十几个小时。
当聚合反应完成后,结晶过程会开始。
此时,反应体系需要冷却至室温。
根据反应条件的不同,聚合物的形态也会有所不同。
如果需要得到颗粒状的pmma,可以通过添加合适的溶剂和搅拌来破碎结晶块,得到所需产品。
在过滤和洗涤步骤中,通过过滤可以去除未聚合的单体、催化剂和其他杂质。
然后,用适量的溶剂对产物进行洗涤,以去除残留的有害物质。
.聚羧酸减水剂生产工艺一、序言一般认为,减水剂的发展分为三个阶段:以木质素磺酸钙为代表的第一代一般减水剂阶段;以萘系为代表的第二代高效减水剂阶段;以聚羧酸系为代表的第三代高性能减水剂阶段。
与传统的减水剂对照,聚羧酸系高性能减水剂有很多特点: 1.在合成工艺上,聚羧酸系高性能减水剂采用不饱和单体共聚合成而不是传统减水剂使用的缩聚合成,因此该类减水剂的合成原料特别之多,平时有聚乙二醇、(甲基)丙烯酸、烯丙醇聚氧乙烯醚等。
2.在分子结构上,聚羧酸系高性能减水剂的分子结构是线形梳状结构,而不是传统减水剂单一的线形结构。
该类减水剂主链上聚合有多种不同样的活性基团,如羧酸基团(— COOH )、羟基基团(— OH )、磺酸基(— SO3Na)等,可以产生静电斥力效应;其侧链带有亲水性的非极性活性基团,拥有较高的空间位阻效应。
由于其广泛的原料本源,独到的分子结构,故而拥有前两代减水剂不可以比较的优点,加上在合成过程中不使用甲醛,属绿色环保产品,因此,已成为混凝土外加剂研究领域的重点和热点之一。
但是,也许是涉及技术奥秘,目前该领域的研究成就报道较少,特别是聚羧酸系高性能减水剂的合成工艺。
因此,本文在此予以简介之。
二、聚羧酸系高性能减水剂合成工艺简介。
聚羧酸系高性能减水剂目前主要存在聚酯类和聚醚类两大主流产品。
聚酯类:包括酯化和聚合两个过程。
聚醚类:只有聚合一个过程。
(一)、聚酯类聚羧酸系高性能减水剂合成工艺。
1、合成工艺简图冷凝器去离子水精选文档↓↓聚乙二醇过硫酸铵↓→→→→→→酯化→→→→→计量槽→→聚合中和成甲基丙烯酸→→→→→→→→→→反应→→→→→计量槽→→反应反应品↑↑↑↑去离子水氢氧化钠2、反应过程以下:(1)、酯化反应(制备大单体):计量聚乙二醇 1200 料 3960kg,将其在水浴中溶化,加入反应釜内,同时加入甲基丙烯酸 1140kg,以及小料 1 份(对苯二酚:5.28kg、吩噻嗪:1.06kg),升温至 90℃,加入浓硫酸 69.3kg,连续升温至120℃,保持 4.5小时,后充氮气 2 小时,(6 ㎡/时,每 30 分钟充 1 瓶,共 4 瓶),反应完成,获取减水剂中间大分子单体聚乙二醇单甲基丙烯酸酯和水。
http://www.paper.edu.cn - 1 -合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大分子单体的一步法新途径
田金强,胡学一 江南大学化学与材料工程学院,江苏无锡 (2141221) E-mail: tianjinqiang2008@yahoo.com.cn 摘 要:探索了一种合成大分子单体聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯(PEGMEMA)的一步法新途径:在无机Al/Mg基复合催化剂催化下用环氧乙烷嵌入甲基丙烯酸甲酯合成PEGMEMA大分子单体,经红外光谱鉴定得到了预期产物,通过紫外分光光度法测定其产率。实验考察了催化剂及阻聚剂的种类、反应温度的影响,并尝试用该大分子单体合成聚羧酸型减水剂。通过测定合成的聚羧酸型减水剂的水泥净浆流动性从侧面考察所合成的PEGMEMA大分子单体的适用性。与传统合成聚乙二醇单醚(甲基)丙烯酸酯的方法相比,该合成路线是原子经济性反应,不生成副产物,是一条具有工业化前景的合成PEGMEMA大分子单体的原子经济性绿色化学途径。 关键词:嵌入反应;聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯;一步法;大分子单体
1. 引 言 聚乙二醇单醚(甲基)丙烯酸酯是合成新型功能材料的一类重要大分子单体,该单体参与共聚得到的两亲性梳状聚合物可用于合成高效水泥减水剂、聚合物电解质、药物载体、环保涂料等多种用途[1-5]。以聚乙二醇单醚(甲基)丙烯酸酯为原料的第三代高效水泥减水剂的代
表——聚羧酸系减水剂具有掺量低、减水率大、不离析、保坍性能好等优点,已成为国内外的研究和应用热点[6-7]。该类大分子单体的传统制备工艺是以甲醇或乙醇为起始剂,在高温、
金属钠催化条件下与环氧乙烷加成制得聚乙二醇单醚,然后再与(甲基)丙烯酸或(甲基)丙烯酸甲酯反应。该传统工艺操作步骤较为繁琐,成本较高,生产过程中需耗用等摩尔量的金属钠并释放出氢气,消耗大量酸用于中和,生成水醇等副产物,需加入带水剂等,这些工艺缺陷限制了该产品的推广应用[8]。本实验室成功开发了催化脂肪酸甲酯[9]、油脂[10]、乙酸乙酯
[11,12]等酯类原料与环氧乙烷或环氧丙烷嵌入加成的催化剂。且利用合成的聚乙二醇单乙醚乙
酸酯为中间体,与甲基丙烯酸乙酯进行酯-酯交换得到了聚乙二醇单乙醚甲基丙烯酸酯[13]。如果能够实现以类似催化原理催化甲基丙烯酸甲酯与环氧乙烷嵌入合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯的一步反应,就能够避开因使用金属钠带来的诸多缺陷;不生成水、醇等副产物,成为原子利用率100%,零排放的绿色化学工艺。但获得具有催化活性的催化剂和筛选合适阻聚剂是从事该项开发研究的技术难点。 本研究探索了无机Al/Mg基复合催化剂催化环氧乙烷嵌入甲基丙烯酸甲酯合成聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯的反应催化活性;筛选了较为合适的复合阻聚剂。并尝试用该大分子单体合成聚羧酸型减水剂,通过测定合成的聚羧酸性减水剂的水泥净浆流动性反馈指导改进PEGMEMA大分子单体的合成工艺。该方法使传统工艺需要四步的反应一步完成,缩短了流程,节约了能源,且生产过程几乎不对设备造成腐蚀。 http://www.paper.edu.cn
- 2 -2. 实验部分
2.1主要原料及仪器 环氧乙烷(EO,工业级),中国石化扬子石化公司;阻聚剂NNSP-1,北京东方化工厂;无机复合催化剂,制备过程参见文献[9,10];乙酰丙酮(分析纯)、甲基丙烯酸甲酯(MMA,化学纯)、95%乙醇(分析纯)、四氢呋喃(分析纯)、丙烯酸甲酯(化学纯)、甲基丙烯磺酸钠(化学纯)、甲基丙烯酸(化学纯)、过硫酸胺(化学纯),中国医药集团上海化学试剂公司; WHF-0.5L型强磁力回转搅拌高压釜,山东威海自控反应釜有限公司; MB104红外光谱仪,加拿大ABB Bomem公司。
2.2 聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯的合成及分析 在0.5 L高压釜中加入30 g MMA、1.6 g 无机复合催化剂和适量阻聚剂,用N2置换釜内气体3次,加热至设定温度后,以滴加投料方式通入20倍MMA摩尔量的EO,恒温反应。待体系压力降至恒定后,再反应30 min降温至80 oC左右出料,获得加成产物。主反应
式为:
+Cat.CCH3CH2COOCH
3CCH3CH2CO(OCHCH2)
nOCH
3O
CH2H2C
n
式中n=20。 PEGMEMA的产率采用紫外分光光度法测定甲基丙烯酰氧端基含量方法进行分析[14]。
以四氢呋喃:95%乙醇(V/V, 3/7)为溶剂,用原料MMA作标准物质,取浓度为2.242 、4.084 、5.926、 7.768、 9.61(10-5mol/L)溶液,同样方法配制浓度为9.7(10-2g/L)未处理的产物
溶液。如图1,MMA和PEGMEMA的最大吸收波长均为n=209nm,以浓度c对吸收度A作最小二乘法回归,得标准曲线方程为A=0.0769c+0.0365,r=0.9954。方程的斜率即为吸收系数,得到摩尔吸光系数=7690 L·mol-1·cm-1。计算得未处理的产物中PEGMEMA的产率为74
%。
1802002202402602803000.00.10.20.30.40.50.60.70.8λ/nmAb-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9
Aa
图 1 MMA 和PEGMEMA 紫外吸收光谱图 Fig.1 UV Absorption spectra of MMA (a) and PEGMEMA (b) http://www.paper.edu.cn - 3 -1.3 减水剂的合成 在装有回流冷凝器、N2 保护和机械搅拌器的四口烧瓶中,将所制备的大分子单体、甲基丙烯磺酸钠、丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸四种单体,按一定摩尔比配制成水溶液加入到反应器中。水浴加热至80 oC,在0.5 h 内滴加完一定浓度的过硫酸胺水溶液,滴加完毕后继续保
温反应8 h。冷却至室温,用30% NaOH调节体系pH 至7~8,制得聚羧酸系减水剂。
1.4 水泥净浆流动度试验 水泥净浆流动度试验采用天山普通复合硅酸盐水泥PC32.5。参照GB8077-87混凝上外加剂匀质性试验方法中的水泥净浆流动度测试方法。水灰比0.3,掺量0.6%。搅拌3 min,以流动度锥形试模测试净浆流动度。称取水泥300 g,量取水88 g。测定掺减水剂的初始净浆流动度及120 min的净浆流动度损失。
2. 结果与讨论
2.1 产物结构表征 产物的红外光谱图(图2(a)) 与原料MMA的红外光谱图 (图2(b)) 相比增加了1109 cm-1(为C-O-C 伸缩振动峰)处的强吸收,1717 cm-1(为酯基C=O 伸缩振动峰)和1636 cm-1(为C=C 伸缩振动峰)仍然保留,初步表明产物中含有碳碳双键、酯基和聚氧乙烯醚长链,符合聚乙二醇单甲醚甲基丙烯酸酯大分子单体的结构特征。
350030002500200015001000500ν/cm-1
a
b 图 2 原料MMA和产物的红外光谱图 Fig.2 FT-IR spectra of methyl methacrylate (MMA) (b) and product (a) http://www.paper.edu.cn
- 4 -0100200300400500600050100150200250300
m/g
t/min
a
bc
图 3 不同催化剂对反应的影响 Fig.3 The influence of catalyst type on reaction
2.2催化剂探索 以MMA为起始剂,用不同种类催化剂(用量为总产品的1.5%)合成PEGMEMA,不同催化剂的影响如图3和表1 。由图3 和表1 可以看出,Mg/Cr 和Ca/Cr 无机复合催化剂几乎未对本反应有催化活性。Mg/Al无机复合催化剂对本反应催化活性可达0.11 gEO/gCat/min。
表1不同催化剂的催化活性 Tab.1 The catalysis activities of different catalysts 序号 催化剂 诱导期(min)反应温度(℃)催化活性(gEO/gCat/min) a Mg/Al 140 140-150 0.11 b Mg/Cr - 140-150 - c Ca/Cr - 140-150 -
注:- 表示测不出
2.3 阻聚剂的探索 MMA结构中含有α, β 不饱和羧酸结构,受热便易发生自聚,高温反应时须用阻聚剂予以保护,由于MMA沸点仅为100 oC,在140 oC的高温反应时大部分变为气体,若仅使用高效
阻聚剂NNSP-1,由于NNSP-1沸点很高在反应温度下气相部分浓度太低,故仅对液相区具有较好的阻聚效果。故加入部分低沸点气相阻聚剂与NNSP-1 组成复合阻聚剂,以期减少聚合。本文考参了对苯醌、NNSP-1、乙酰丙酮一种或几种复合使用时对MMA 的阻聚效果。
表 2 不同阻聚剂对反应的影响 Tab.2 The influence of inhibitors on the reaction 水泥净浆流动度(mm) 阻聚剂品种 阻聚剂用量(%) 反应温度(oC) 产率(%) 初始 2h后
NNSP-1 1 140-150 大量聚合
几乎不流动 几乎不流动
NNSP-1/乙酰丙酮 0.3/1 140-150 74% 248 230 *少量聚合 由表2可看出仅采用高效阻聚剂NNSP-1无法达到好的阻聚效果,且产物合成的减水剂水泥净浆流动性明显低于采用NNSP-1/乙酰丙酮复合阻聚剂。所以在本文反应模型下NNSP-1/乙酰丙酮组成的复合阻聚剂的阻聚效果较好。