月桂酰二乙醇胺的合成及性能研究

周雅文，　韩　富，　徐宝财，　王　磊

(北京工商大学 化学与环境工程学院， 北京　100048)

烷醇酰胺具有良好的表面活性，是非离子表面活性剂中最重要的品种之一，是现代合成洗涤剂中重要的活性物单体，广泛用于稳泡剂、增稠剂、柔软剂、防锈剂、抗静电剂，并且在三次采油方面也有非常好的应用效果[1]. 烷醇酰胺具有没有浊点，并有增泡、稳泡、增稠、生物降解等优良性能，是与环境相容性好、生态学优良的绿色表面活性剂,因而烷醇酰胺的合成与应用便成为相当有价值的研究课题.

脂肪酸烷醇酰胺的制备方法有3种：一是用脂肪酸直接与二乙醇酰胺反应[2-4],该法工艺简单,产品水溶性好,但纯度低,只含有60%～65%的活性成分,品质较差,为低活性烷醇酰胺. 二是用脂肪酸甲酯与二乙醇胺反应[5-8],产物含有90%以上的活性成分,为高活性烷醇酰胺,其反应温度低,时间短,对设备的要求较低,但工艺复杂,原料消耗大,成本高,产物在室温下为胶态或固态,水溶性较差. 三是改进的一步法(两步法反应)[9-12]，第一步是使脂肪酸与部分二乙醇胺反应，以利于多生成酰胺单酯和酰胺双酯；第二步在碱性催化剂和剩余二乙醇胺的作用下，将酰胺单酯、酰胺双酯氨解为产物烷醇酰胺，可使产品的产率提高.

本研究采用改进的一步法考察反应温度、反应物配比和反应时间对月桂酰二乙醇胺合成的影响并对产物泡沫性能进行测定.

1　实验部分

1.1　主要试剂

月桂酸(化学纯，北京化工厂)，二乙醇胺(化学纯，北京化工厂)，甲醇(化学纯，天津市西华特种试剂厂)，氢氧化钠(分析纯，北京化工厂)，溴酚蓝(分析纯，北京化工厂)，盐酸(化学纯，北京化工厂).

1.2　实验方法

1.2.1均匀设计试验[13]

均匀设计表见表1.

1.2.2产物的性能测定方法

1) 滴定分析. 滴定分析主要用于考察化学反应热力学特征，滴定内容为产物的游离酸值和游离胺值.

根据滴定消耗的氢氧化钠标准溶液量，就可以计算出产物体系的游离酸值.

m0——试样的质量，g.

表1　均匀设计表

图1　月桂酰二乙醇胺红外光谱Fig.1　IR picture of lauroyl diethanolamine

根据滴定消耗的盐酸标准溶液量，可计算出产物体系的游离胺值.

2) 产物醇胺、酰胺、胺酯含量确定. 根据红外光谱中醇胺、酰胺、胺酯的特征吸收峰，用归一化法可求出醇胺、酰胺和胺酯的相对百分含量[14].

其中，A醇胺、A酰胺、A胺酯分别为醇胺、酰胺、胺酯在特征吸收峰处的吸光度. 需要注意的是红外谱图中给出的纵坐标是透光率T，透光率和吸光度的关系为A=-lgT. 醇胺、酰胺、胺酯的特征吸收峰大致在1 565，1 625和1 740 cm-1处.

3) 发泡性能测定. 产物的发泡性能采用罗氏泡沫仪，将产物用去离子水配制成0.3%的溶液，测定温度为45 ℃. 测定0 min最大泡沫高度和5 min的泡沫高度.

2　结果与讨论

2.1　产物分析及发泡性能

产物的红外光谱见图1，试验结果及性能测定数据见表2.

表2　月桂酰二乙醇胺性能测定

从表2可以看出，对于胺值高的产物，在红外光谱分析中醇胺的百分含量也高，这是因为胺值滴定的是游离胺的含量，而红外光谱中醇胺指的就是游离的二乙醇胺，所以在数据上二者是正相关的.

产物的酸值、胺值和红外分析数据与投料比、反应温度、反应时间没有明显的依赖关系，这可能是反应历程较为复杂，主反应与副反应同时存在且相互影响的缘故. 产物的发泡性能随试验编号依次增加，直观分析可知9号试验对应的工艺条件较好. 该试验产物发泡性能优良.

2.2　均匀试验设计分析

利用遗传算法，可得到最优合成条件点为：

x1=2.2，即反应的投料比为1∶2.2；

x2=159，即反应温度控制在159 ℃；

x3=3.2，即反应时间为3.2 h.

通过函数解析式虽然可以准确表达试验分析结果，但在理解和操作上并不直观. 因此，本试验以图像的方式对结果进行分析. 试验考察的控制变量有3个，以目标变量y对控制变量作图将是四维图形，软件MATLAB7给我们提供了几种显示四维图形的工具，试验使用其中的slice函数，得到的函数图像见图2.

图2中对角面上的9个点即为均匀试验的试验点，从图中可以清楚地看出产物发泡性能随控制变量的变化关系.

图2　月桂酰二乙醇胺合成工艺拟合函数图Fig.2　　　　Proposal functional diagram of synthesis of lauroyl diethanolamine

虽然产物的发泡性能随投料比x1和反应时间x3的增加都增大，但从图2中却看到沿x3增大的方向爬升体对角面，产物的发泡性能反而下降. 这种现象是3个控制变量综合作用的结果. 沿斜面爬升的时候虽然x3增加，但x1却在下降，所以综合作用的结果使得产物的发泡性能明显下降. 这说明在交互作用中，x1的影响最大.

3　结　论

月桂酰二乙醇胺的最优合成条件为投料比n(月桂酸)∶n(二乙醇胺)=1∶2.2；反应温度159 ℃；反应时间3.2 h；在此条件下，产物在0.3%的水溶液中泡沫高度为183.3 mm. 红外分析表明，在最优合成条件附近的试验点，产物产率和选择性都很高，副产物的含量相对较少.