己二酸產(chǎn)品雜質(zhì)對聚酯多元醇質(zhì)量影響研究

紀(jì)洪虎(山東華魯恒化工股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

隨著我國己二酸生產(chǎn)技術(shù)手段的不斷完善，在我國的尼龍、聚氨酯等領(lǐng)域的作用越來越重，尤其是下游的聚氨酯生產(chǎn)中。而在生產(chǎn)聚氨酯的過程中，己二酸產(chǎn)品會先進行縮合反應(yīng)形成聚酯多元醇，再進行下一步的反應(yīng)以得出聚氨酯產(chǎn)品，在當(dāng)前己二酸技術(shù)過度發(fā)展的不利環(huán)境下，其內(nèi)部產(chǎn)生了較多的雜質(zhì)，這會對聚酯多元醇的質(zhì)量造成重大影響，進而影響后續(xù)的聚氨酯產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 工藝研究

己二酸生成聚酯多元醇首先要使用高溫氮氣法來合成，反應(yīng)過程為高溫、且氮充足的環(huán)境下，己二酸與1，4-丁二醇通過四異丙基鈦酸酯的催化作用合成聚酯多元醇，優(yōu)質(zhì)的聚酯多元醇需要己二酸滿足以下質(zhì)量要求。首先外觀要保證看起來為白色結(jié)晶粉末，且粉末中含己二酸的成分在99.7%以上，熔點為151.2～152 ℃之間，氨溶液色度為5，含水量為0.2%最優(yōu)，最低限制不能超過0.27%，灰分為7 mg·kg-1，最好維持在4 mg·kg-1以下，最高限值為7 mg·kg-1，鐵含量維持在1.0 mg·kg-1以下，硝酸含量維持在8.0 mg·kg-1以下。若己二酸的質(zhì)量超出了此要求限制，就會對之后生產(chǎn)的聚酯多元醇質(zhì)量造成影響，而己二酸中的灰分、鐵、硝酸即為己二酸中的雜質(zhì)，也是影響聚酯多元醇質(zhì)量的重要因素[1]。

2 實驗過程

2.1 實驗準(zhǔn)備

此次研究中通過高溫氮氣合成制備聚酯多元醇，己二酸和1,4丁二醇基于四異丙基鈦酸酯這一催化劑作用，處于充氮高溫條件下進行充分反應(yīng)，并形成聚酯多元醇。實驗準(zhǔn)備環(huán)節(jié)所需儀器包括電子天平、調(diào)溫電子電熱套、電動攪拌器、滴定管、四口燒瓶、溫度計。實驗中所用試劑包括工業(yè)級己二酸、工業(yè)級丁二醇、化學(xué)純四異丙基鈦酸酯、分析純鹽酸、氯化鈷、氯鉑酸鉀、無水乙醇。

2.2 實驗方式

依照最佳摩爾比為1.2～1.3這個區(qū)間值，將己二酸與1，4-丁二醇進行適度稱取，并將二者放入燒瓶中，同時將溫度計與攪拌器也放入燒瓶中，在實驗全程中將燒瓶內(nèi)進行氮氣的注入，以此提升實驗的安全性，控制溫度的穩(wěn)定升高，當(dāng)實驗溫度到達145 ℃時，己二酸與1，4-丁二醇混合物會開始出水，這時要將氮氣的注入量進行控制，保持在145 ℃上大約30 min，并且將出水的速率以及頂溫進行有效控制。

此時，將2滴四異丙基鈦酸酯注入燒瓶中，以此引發(fā)催化反應(yīng)，同時使用攪拌棒在燒瓶內(nèi)快速攪拌，令其升溫至216～220 ℃，并維持此反應(yīng)時間3～4 h，當(dāng)頂溫下降為70 ℃時，內(nèi)部出水也停止后，在燒瓶內(nèi)的剩余物中取樣進行分析觀測，若發(fā)現(xiàn)樣品的酸值約為0.8 mgKOH/g時，停止實驗，并將剩余物取出[2]。

2.3 實驗分析

聚酯多元醇的酸堿度對下游的異氰酸酯的反應(yīng)活性起著十分重要的影響，同時酸值會對烴值造成影響，因此針對于酸值的實驗測定要放于首位。進行酸值的分析可以使用酸堿滴定法來進行，測定標(biāo)準(zhǔn)為HG/T 2708-95，進行酸值測定時要在稱取不同酸值的聚酯多元醇，0～0.5 mgKOH/g區(qū)間的稱取10～15 g，0.5～1 mgKOH/g區(qū)間的稱取5～10 g，1～2 mgKOH/g區(qū)間的稱取2～5 g，2～5 mgKOH/g區(qū)間的稱取1～2 g。將樣品稱取完畢后放置于三角瓶中，之后分別向內(nèi)注入20～30 mL的甲苯乙醇混合溶液，使之充分溶解，另注入10滴左右的酚酞試劑，此時試劑會產(chǎn)生顏色變化，再向三角瓶中注入0.1 mol/L的氫氧化鈉乙醇溶液，直至三角瓶中的微紅色維持30 s以上不出現(xiàn)褪色現(xiàn)象即可。而色度的測定需要依據(jù)SH/T 1499.9—1997標(biāo)準(zhǔn)來進行，利用分光色度儀即可。

烴值的測定需要使用乙酰化法來進行，測定標(biāo)準(zhǔn)為HG/T 2709—95，稱取不同烴值的樣品進行分別測定，以此得出分析結(jié)果，20～40 mgKOH·g-1區(qū)間的稱取6～8 g，40～60 mgKOH·g-1區(qū)間的稱取4～6 g，60～80 mgKOH·g-1區(qū)間的稱取3～4 g，80～12 0 mgKOH·g-1區(qū)間的稱取2～3 g，120～200 mgKOH·g-1區(qū)間的稱取1～2 g。將這5組樣品放置于三角瓶中，并向內(nèi)注入25 mL左右的(1+23)乙酸酐吡啶溶液，慢慢進行搖晃，使其充分混合均勻，之后將三角平放置于油浴中，保持試劑表面位于油浴面之下，在恒溫110～120 ℃下保持回流狀態(tài)1 h，之后將三角瓶取出，利用冷凝管加入月10 mL的清水，繼續(xù)緩慢搖動使其充分混合均勻，將混合試劑進行室溫下的冷卻處理，之后再由冷凝管處注入約15 mL的正丁醇溶液以及10滴左右的酚酞試劑，當(dāng)試劑出現(xiàn)顏色變化后注入0.1 mol/L的氫氧化鈉乙醇溶液，直至三角瓶中的微紅色維持30 s以上不出現(xiàn)褪色現(xiàn)象即可。

3 研究結(jié)果

3.1 鐵雜質(zhì)

3.1.1 對酸值影響

在進行酸值影響測定時，我們要進行針對性的己二酸樣品的選擇，樣品需要灰分為1 mg/kg，硝酸根為1 mg/kg，保持這兩種成分不變的前提下將鐵含量控制在0.1、0.2、0.3、0.4四種，并依照上述實驗流程中提到的方式進行聚酯多元醇的生成，并進行酸度的測定分析。酸值計算公式為：

式中：X為最終的酸值，V1為滴入樣品中的氫氧化鈉乙醇溶液；V2為空白試驗中氫氧化乙醇溶液的使用量；C為氫氧化鈉乙醇溶液的濃度；m為質(zhì)量，而 56.10為氫氧化鈉的摩爾質(zhì)量。

通過四種鐵含量的計算以及與空白試驗結(jié)果的對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)己二酸中灰分與硝酸根不變的前提下，鐵含量為0.1 mg/kg、0.2 mg/kg、0.3 mg/kg、0.4 mg/kg時，在進行聚酯多元醇的最終反應(yīng)時，其酸值處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，即0.5～1 mgKOH/g區(qū)間內(nèi)，處于酸值標(biāo)準(zhǔn)中，這也說明鐵元素對于聚酯多元醇的質(zhì)量沒有造成太大影響[3]。

3.1.2 對色度影響

在進行聚酯多元醇色度的結(jié)果分析時，同樣要將灰分等其他因素進行控制，選用灰分為1 mg/kg，硝酸根為1.2 mg/kg的五種己二酸樣品，鐵含量分別為0.08、0.14、0.18、0.22、0.36，經(jīng)由上述步驟進行聚酯多元醇的合成，此時可以發(fā)現(xiàn)，利用己二酸與1,4-丁二醇合成的聚酯多元醇其性狀為微黃透明的粘性液體，凝固后點的性狀為白色固體，呈蠟狀，而隨著鐵元素含量的增加，聚酯多元醇的顏色逐漸加深，二者產(chǎn)生了一種正比效應(yīng)，在鐵含量由0.08增加至0.36這一區(qū)間內(nèi)，聚酯多元醇逐漸呈現(xiàn)微紅色，色度由20增至35，冷卻后的顏色也逐漸顯現(xiàn)出淡粉色。由此可以得出，鐵元素對于聚酯多元醇的色度具有較為明顯的影響。

3.1.3 預(yù)防處理

基于鐵元素對聚酯多元醇的色度造成的影響，因此為了保障其良好的外觀質(zhì)量，要對鐵元素進行適當(dāng)?shù)奶幚砼c控制。在生產(chǎn)過程中，鐵元素常常以顆粒狀態(tài)存在，因此，在進行己二酸生產(chǎn)時，可以在環(huán)乙醇的輸送口進行過濾攔截，以此減少己二酸中的鐵含量。同時造成己二酸鐵元素增多還因為生產(chǎn)環(huán)節(jié)添加了活性炭，其本身就會攜帶大量的鐵元素，在這一點上，可以選用含鐵量較少的活性炭來進行生產(chǎn)工藝，并注意生產(chǎn)過程中的通風(fēng)，以此減少活性炭沉積造成的吸附不良。或者在進行脫鹽水與氮氣干燥兩項工藝上進行攔截過濾，并使用不銹鋼工藝來進行，以此將己二酸中的鐵元素含量降到最低。

3.2 灰分雜質(zhì)

3.2.1 對酸值影響

灰分雜質(zhì)對酸值的測定要求將鐵元素與硝酸根進行恒定控制，保障鐵元素為0.1 mg/kg，硝酸根為1 mg/kg，選取灰分含量分別為1、1.5、2、3四種含量的己二酸，經(jīng)由上述工藝生成聚酯多元醇，并進行聚酯多元醇的測定。同樣利用公式(1)計算，最終發(fā)現(xiàn)不同灰分含量下的聚酯多元醇其酸值維持在0.5～1 mgKOH/g之間，處于較為穩(wěn)定的數(shù)值，因此可以得出，灰分含量對于酸值沒有太大影響。

3.2.2 對色度影響

進行色度的測定時，同樣將鐵元素與硝酸根進行恒定控制，保持鐵元素含量為0.1 mg/kg，硝酸根含量為1 mg/kg，將灰分含量進行五種區(qū)分，分別為0.7、1、1.5、2、3。通過上述實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硝酸根處于較低含量，即實驗中的含量時，灰分對于色度的影響并不明顯，當(dāng)灰分含量在1.5 mg/kg以下，即含量為0.7 mg/kg與1 mg/kg時，其顏色維持在透明狀態(tài)，色度在25以下，當(dāng)灰分的含量逐漸增加，達到3 mg/kg時，聚酯多元醇的顏色會慢慢變黃，色度維持在大約30左右。

以上情況是硝酸根含量維持在較低水準(zhǔn)時，灰分對于色度的影響并不大，而當(dāng)灰分與硝酸根含量同步增長時，其會呈現(xiàn)出較為明顯的顏色變化，例如，當(dāng)硝酸根含量控制在2.5 mg/kg左右時，鐵元素含量保持不變，這時的聚酯多元醇顏色會由淺黃變黃，進而呈現(xiàn)出黃紅色，色度升至50左右，造成這一點的原因可能是灰分中的金屬元素與硝酸根發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，進而呈現(xiàn)較為明顯的變色現(xiàn)象[4]。

3.2.3 預(yù)防處理

針對于灰分對聚酯多元醇顏色的較大影響，對其進行適度的控制是十分必要的，在這一點上，同樣可以在己二酸生產(chǎn)時進行過濾篩選，以此將大部分的灰分進行篩析。例如在原料投放區(qū)、脫鹽水系統(tǒng)、空氣裝置等環(huán)節(jié)部位進行過濾裝置的安裝。另有一點，在進行己二酸生產(chǎn)時會進行消泡劑的添加，消泡劑的含量會對己二酸中灰分的含量造成直接影響，在這一點上要注意對消泡劑含量的控制，可以進行鉆孔，將虹吸作用盡量消除，并利用相關(guān)的實驗來測定最優(yōu)的消泡劑添加量，以此將消泡劑的含量進行合理科學(xué)的控制，減少灰分的產(chǎn)生，亦可使用新型的、對灰分產(chǎn)生有較小影響的消泡劑來進行代替生產(chǎn)。

3.3 硝酸雜質(zhì)

3.3.1 對酸值影響

進行己二酸中硝酸雜質(zhì)對聚酯多元醇的影響測定時，將鐵元素含量控制在0.1 mg/kg，灰分為1 mg/kg，硝酸含量分別取0.7、1、1.5、2四種，經(jīng)由上述生成方式合成聚酯多元醇，并進行相應(yīng)公式下的酸值測定，經(jīng)過實驗以及公式計算分析，發(fā)現(xiàn)硝酸雜質(zhì)的含量對于聚酯多元醇的質(zhì)量存在較大影響，當(dāng)硝酸含量在 1.5 mg/kg以上時，聚酯多元醇的合成時間變得緩慢，同時酸值也呈現(xiàn)了顯著增長，這種增長在2 mg/kg時格外明顯。經(jīng)由實驗中選取的四種硝酸含量值，其酸值自0.82 mgKOH/g升至1.6 mgKOH/g，跨度值較大，這也充分體現(xiàn)了硝酸對于聚酯多元醇質(zhì)量的影響。

3.3.2 對色度影響

我們自上文中得知硝酸含量對于聚酯多元醇的酸值存在較大影響，對于色度影響的評定同樣將鐵元素與灰分含量定在較低數(shù)值下，同樣是鐵含量為0.1 mg/kg，灰分含量為1 mg/kg，選取五中硝酸含量數(shù)值的己二酸，分別為1、1.2、1.6、2、2.5。以此觀察硝酸對于聚酯多元醇色度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著硝酸含量的增加，聚酯多元醇的顏色有較不明顯的加深，維持在黃色狀態(tài)，但色度存在于20～30區(qū)間，即便實驗中硝酸含量最大的2.5 mg/kg，其色度依舊維持在27左右，由此可以得出，硝酸含量對于聚酯多元醇色度并無較大影響。

3.3.3 預(yù)防處理

硝酸根存在于己二酸的母液中，要想將聚酯多元醇的質(zhì)量進行有效管控，就要對己二酸中的硝酸進行合理控制。在這一點上，可以通過陰離子交換樹脂法來進行祛除，選用攜帶叔胺基團的樹脂來進行。通過樹脂再生來將樹脂的交換能力進行提升，進而更好的洗脫己二酸母液中硝酸根含量，以此將己二酸中的硝酸含量進行控制，保障在下游聚酯多元醇的生產(chǎn)中的質(zhì)量控制。

3.4 其他雜質(zhì)對烴值影響

針對上述實驗中鐵元素、灰分、硝酸含量增加，在己二酸合成聚酯多元醇工藝中，反應(yīng)溫度、真空度等因素會對聚酯多元醇的烴值造成影響，可進行具體的測定。選擇鐵含量為0.1、0.2、0.3、0.4四種己二酸樣品進行聚酯多元醇合成，與此同時灰分與硝酸含量也遞增，以此進行烴值測定，利用公式：

式中：X1為烴值；V1為空白試驗中氫氧化乙醇溶液的使用量；V2為滴入樣品中的氫氧化鈉乙醇溶液；C為氫氧化鈉乙醇溶液的濃度；m為質(zhì)量；56.10為氫氧化鈉的摩爾質(zhì)量；X2為聚酯多元醇的酸值[5]。

經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鐵含量在0.2 mg/kg及以上時，鐵元素的催化作用增強，縮合反應(yīng)加速明顯，但是這會導(dǎo)致升溫過快，進而在極短時間內(nèi)形成大量的廢水。而水分的增加又會導(dǎo)致釜中小分子二醇被大量帶走，進而影響聚酯多元醇中的分子質(zhì)量，使其體積超出規(guī)定限值。

4 結(jié)語

綜上所述，己二酸在生產(chǎn)過程中由于操作以及設(shè)備問題會產(chǎn)生雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)會在下游的聚酯多元醇生產(chǎn)中產(chǎn)生表象體現(xiàn)，最為顯著的就是酸值、色度與烴值，針對于酸值與烴值需要進行相關(guān)的實驗來進行分析，而色度可以直觀性的展現(xiàn)出來，為了保障聚酯多元醇的質(zhì)量，就要在源頭，即己二酸的生產(chǎn)中進行控制，繼而保障酸值、色度、烴值維持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。