棉籽油基表面活性劑的合成、性能及應(yīng)用

夏熱帕提·吐孫,張 寧,周玖雄,熊 燕,4

(1.新疆工程學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,煤化工過程副產(chǎn)物高值轉(zhuǎn)化協(xié)同創(chuàng)新中心,新疆 烏魯木齊 830023;2.國(guó)能新疆化工有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;3.新疆工程學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院化學(xué)工程與工藝2021-A6班,新疆 烏魯木齊 830023;4.重慶大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,重慶 401331)

生物表面活性劑是一種可降解的表面活性劑。作為一種新興產(chǎn)品,生物基表面活性劑具有安全,環(huán)保,可降解等特點(diǎn)[1],應(yīng)用前景廣闊。為了讓生物表面活性劑在日化用品中具有更優(yōu)的應(yīng)用性,目前類生物表面活性劑成為研究焦點(diǎn)。

植物油基多元醇是對(duì)植物油分子結(jié)構(gòu)中的雙鍵和酯基等活性官能團(tuán)進(jìn)行改性而得到的多羥基化合物,是制備各種聚氨酯泡沫的原材料[2-5]。其安全性較好,對(duì)皮膚溫和、無刺激性,具有良好的乳化、增溶能力,穩(wěn)定性高,與其他類型表面活性劑相容性好。我國(guó)對(duì)植物油基多元醇的研究起步較晚,大部分報(bào)道集中在生物基聚氨酯泡沫、黏合劑合成等方面,在表面活性性能方面則較少[6]。植物油基多元醇作為一種環(huán)保、可再生、可降解生物基表面活性劑[7],在化妝品、食品、藥物等領(lǐng)域藏著極大的應(yīng)用潛能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

棉籽油,食品級(jí),中糧集團(tuán)有限公司;甲酸、分析純,天津市富于精細(xì)化工有限公司;無水氯化鈣、無水硫酸鈉、丙三醇,分析純,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司;雙氧水(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、濃硫酸(98%)、鹽酸(36%)化學(xué)純,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;甲醇,分析純,天津市鼎盛鑫化工有限公司;Tween20、Tween80、Span80,化學(xué)純,天津市河?xùn)|區(qū)紅巖化學(xué)試劑廠;單硬脂酸甘油酯、西瓜油香精,分析純,上海山浦化工有限公司;苯甲酸鈉,分析純,天津市大茂化學(xué)試劑廠;沙棘油,食品級(jí),京寶得瑞健康產(chǎn)業(yè)有限公司。

BRUKER TENSOR型傅里葉變換紅外光譜儀,美國(guó)BRUKER公司;PHS-3C 型pH計(jì),上海雷磁儀器有限公司;DFY-5/25 ℃型低溫恒溫反應(yīng)浴,上海興創(chuàng)科學(xué)儀器設(shè)備有限公司;RE-5298 型攪拌機(jī),上海亞榮生化儀器廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 棉籽油多元醇的合成[8-10]

將20 mL棉籽油、24 mL無水甲醇和40 mL 30%NaOH溶液混合后,放置在加有沸石的100 mL燒瓶中,在80 ℃水浴加熱下回流反應(yīng)1 h。產(chǎn)物倒入含有500 mL水的燒杯中,在攪拌下緩慢加入10%的鹽酸溶液,抽濾,將濾液轉(zhuǎn)移到250 mL三口燒瓶中,加入150 mL無水甲醇和12 mL濃硫酸,在80 ℃回流反應(yīng)1 h,將混合液倒入250 mL漏斗中,分離下層溶液,用溫水清洗,用氯化鈣對(duì)甲酯化產(chǎn)物進(jìn)行干燥,減壓蒸餾得到棉籽油甲酯。

將100 mL棉籽油甲酯和100 mL甲酸放在三口燒瓶中,在0 ℃將其混合均勻。再將過氧化氫在2 h內(nèi)緩慢地加進(jìn)混合物中,控制溫度不高于35 ℃,繼續(xù)攪拌24 h。將反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至分液漏斗中,用水洗至中性。有機(jī)層先用無水硫酸鈉干燥,蒸除水和溶劑,用乙酸乙酯重結(jié)晶,減壓抽濾,干燥,得到棉籽油多元醇。

1.2.2 護(hù)手霜的制備

按照質(zhì)量比為沙棘油17%、羊脂油18%、主乳化劑(棉籽油多元醇)4.62%、助乳化劑0.85%、去離子水52%、甘油7%、防腐劑0.53%、香精一滴。將油相組分加入燒杯中,加熱到70 ℃;同時(shí)將水相組分加入另一燒杯中,加熱到70 ℃。將油相倒入水相,均勻乳化一定時(shí)間,攪拌降溫到45 ℃,加入防腐劑、香精,繼續(xù)攪拌冷卻到室溫后,保存?zhèn)溆肹11]。

以同樣的方法,分別以Tween20、Span80為主乳化劑,制備2支護(hù)手霜。

1.2.3 HLB值的測(cè)定

參照文獻(xiàn)[12]方法測(cè)定棉籽油多元醇HLB值,重復(fù)操作5次。

1.3 結(jié)構(gòu)表征與性能測(cè)試

1.3.1 棉籽油多元醇羥值測(cè)定

使用鄰苯二甲酸酐法測(cè)定羥值[13]。

1.3.2 棉籽油多元醇表面張力的測(cè)定

采用最大氣泡法,選用DMPY-2C 型表面張力測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置,測(cè)定棉籽油多元醇的表面張力。

1.3.3 紅外分析

采用傅里葉變換紅外光譜儀,將液體試樣直接進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 棉籽油多元醇的紅外光譜

圖1是棉籽油和棉籽油多元醇的紅外光譜。從圖1 可以看出,棉籽油多元醇在3 400 cm-1處出現(xiàn)了一個(gè)很寬的—OH鍵吸收峰,1 670～1 620 cm-1處碳碳雙鍵的特征吸收峰消失,這說明棉籽油經(jīng)過反應(yīng)生成了棉籽油多元醇。

圖1 棉籽油和棉籽油多元醇的紅外光譜

2.2 棉籽油多元醇HLB值計(jì)算

圖2為試樣的HLB標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算得到棉籽油多元醇的HLB值為4。

圖2 HLB標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.3 棉籽油多元醇的羥值和表面張力

實(shí)驗(yàn)測(cè)得棉籽油多元醇的羥值(KOH)為112.26 mg/g,表面張力為54.30×10-3N/m。

2.4 護(hù)手霜的性能

2.4.1 穩(wěn)定性

將3支護(hù)手霜在室溫下,放置不同時(shí)間,觀察護(hù)手霜有無變色、變味和分層情況,結(jié)果見表1。

表1 護(hù)手霜的穩(wěn)定性

從表1中可看出,在室溫下3支護(hù)手霜的顏色、味道沒有變化也沒有分層,說明室溫條件下護(hù)手霜的性能是穩(wěn)定的。

2.4.2 耐寒耐熱性

將3支護(hù)手霜放置于不同溫度下1 h,觀察護(hù)手霜是否變色、變味和分層現(xiàn)象。

從表2中得出,在20 ℃時(shí)3支護(hù)手霜的色澤,味道或者均勻狀態(tài)都沒有變化,在40 ℃時(shí)3支護(hù)手霜都出現(xiàn)濃稠度變稀的情況,均勻度不變,60 ℃ 3支護(hù)手霜變成了渾濁液體,在80 ℃時(shí)3支護(hù)手霜都出現(xiàn)了分層情況。

表2 不同護(hù)手霜的耐熱性能

在0 ℃下,3支護(hù)手霜的色澤,味道或者均勻狀態(tài)都沒有變化,在-10 ℃條件下3支護(hù)手霜都會(huì)變較稠,-20 ℃條件下3支護(hù)手霜都變得很稠,均勻度不變,不存在分層情況

2.4.3 pH值

將3支護(hù)手霜各取3 g,取30.0 mL脫除CO2的去離子水分別倒入裝有護(hù)手霜的各小燒杯中,在40 ℃水浴中不斷攪拌,混合均勻后從水浴中取出冷卻到室溫,pH值見表3。

表3 護(hù)手霜的pH值

從表3可以看出,3支護(hù)手霜的pH值沒有明顯的差距,依據(jù)QB/T 1857—2013標(biāo)準(zhǔn),護(hù)膚品的pH值應(yīng)當(dāng)在4.0至8.5的范圍內(nèi),可見護(hù)手霜的pH值符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

a.以棉籽油為原料,經(jīng)過甲酯化、環(huán)氧化、羥基化合成了棉籽油多元醇,該法一步實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧化和開環(huán)兩個(gè)過程,具有操作簡(jiǎn)單,原子和步驟經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。該棉籽油多元醇具有親油性表面活性性能,可以在霜類精細(xì)化工產(chǎn)品中作乳化劑使用。

b.以棉籽油多元醇為乳化劑的護(hù)手霜,在穩(wěn)定性、耐寒耐熱性、pH值等性能方面與市售乳化劑一致,符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該生物基表面活性劑可代替石油基表面活性劑,解決精細(xì)化學(xué)品生產(chǎn)過度依賴化石資源的問題,為棉籽油高附加值利用提供一定的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。