异硬脂酸季戊四醇酯的合成及其性能

宋利云

摘要：以异硬脂酸季戊四醇酯为原料，研究了酸与醇的配比、温度、时间等因素对其酯化效果的影响，并对其进行了深度去酸处理，对产物的性能进行了测试。实验结果表明，该方法的最佳工艺条件为：酸醇物质的量比为4.3:1，温度为230℃，反应时间为8小时。产品的酸值（KOH）在深度脱酸后降低到0.04毫克/克。IR结果显示，产物的酯化反应较为彻底。测定了该产品的羟值（KOH）为13．36 mg/g、闪点325℃、倾点-43℃，满足了基础油的技术指标。本方法具有操作简便、对环境污染少等优点，是一种比较理想的合成方法。

关键词：异硬脂酸季戊四醇酯；直接酯化法；润滑油基础油；脱酸

异硬脂酸季戊四醇酯（C （CH2OCOC17H35)4）是一种由4个酯键组成的受阻酯类化合物，具有很高的粘性，很好的润滑性能，很好的耐热性能，可降解，抗氧化，使用寿命长等优点。可用于美容、护发等化妆品，也可用作热稳定剂和增塑剂。在使用润滑油基础油时，要考虑到成本和环保等因素，而采用异硬脂酸季戊四醇酯等合成酯类，则可以将环境污染降到最低。以季戊四醇和酸为起始物，在特定的条件下，可以制备出用途更广的季戊四醇酯（使用催化剂可以加速反应）。本文介绍了用异硬脂酸与季戊四醇制备异硬脂酸季戊四醇酯的方法，研究了各种反应条件对酯化效果的影响，并对其进行了脱酸脱色，用 IR法对其进行了表征，并对其性质进行了测定。该方法不需要任何催化剂，从而避免了反应完成后再进行碱洗、水洗和分离的困难。

1 实验部分

1.1 原料和仪器

化学纯季戊四醇、工业用的异硬脂酸、氢氧化钾、无水醇；本品为邻苯二甲酸氢钾、酚酞、氧化镁和碳酸钙。

用于普通合成的玻璃仪器；数字显示，智能化温度控制，磁性搅拌；美国德莫尼克公司， NEXUS傅里叶转换红外线分光光度计。

1.2 异硬脂酸季戊四醇酯的合成

异硬脂酸季戊四醇酯合成工艺流程如下：将一定量的异硬脂酸添加到250 ml三口烧瓶中，将季戊四醇固体以所述酸醇类物质的数量比例添加。添加一定量的活性碳（按原材料的总重量计算），安装温度计、分水器和冷凝管，与真空泵相连，并用真空硅脂密封接口。将加热器套筒提升到设定的温度，开启真空泵并将真空调节到0.08MPa时，在某一时间内，有一段时间的反应。将以理论得率为4%的质量分数添加到得到的产品中，加热到80℃，进行4小时的脱酸，然后进行过滤，得到的滤液就是产品。用该方法测定了产物的酸价，并计算了酯化率。

1.3 酸值的测定

称量 KOH的质量，制成0.05摩尔/升的标准溶液。采用邻苯二甲酸氢钾作为参考物质，对其进行计算，并求出相应的含量。对一定质量的产品的试样进行精确地称取，并添加50 mL的乙醇，然后滴入酚酞指示剂，用 KOH标准溶液进行滴定。

1.4 性能表征及测定

在600-4000 cm范围内用 FTIR光谱对所合成的产物进行了表征。产物的羟值按 HG/T 22709-1995 《聚酯多元醇中羟值的测定》中的方法进行测定。用毛细管粘度计法测量流动粘度，用开口杯法测量闪点。

2 结果与讨论

2.1 脱色

在反应之前，将4%质量含量的活性炭添加到已混和的原料中，并对其进行了吸附。在反应完成后，用真空泵抽吸过滤2-3次，去除活性碳，获得脱色后的产物。结果表明，采用活性碳吸附法可以达到良好的脱色率。

2.2 原料酸醇物质的量比对酯化反应的影响

本项目拟将季戊四醇与异硬脂酸异构体进行单分子与四分子异构体的交联反应，通过对原料用量的控制，将反应向前推进，并根据原料成本，优化原料配比，实现原料配比优化。在控制温度，反应时间，真空度等条件不变的前提下，分别以 n （异硬脂酸）: n （季戊四醇）=4.0∶1、4.1∶1、4.2∶1、4.3∶1、4.4∶1进行反应，并研究了酸类和醇类物质的量比对反应的影响。

研究发现，酸醇物质的含量比越大，酸值越低，酯化率越高，当酸醇物质含量比达到4.3:1时，曲线的升降变化幅度就越小，如果继续增加，对反应的促进效果就越差，如果太大，则会影响产物的收率和后续的脱酸，综合考虑成本等因素，最终确定了一个合适的酸醇材料含量比为4.3:1。

2.3 反应温度对酯化反应的影响

采用4.3∶1的酸和醇类物质进行固定，7小时的反应，研究了不同温度下的酯化反应。

研究发现，随着温度的提高，产物的酸价下降，酯化度上升，说明温度的提高有利于酯化反应的进行。而在实验中，当反应的温度达到240℃时，生成的产品已经变成了深黄色，并且在反应的过程中，分水管中的水汽会带着大量的白烟，最后温度过高，酯结胶。因此，230℃为最佳反应温度。

2.4 反应时间对酯化反应的影响

从理论上来说，反应时间和酯化度之间存在着一定的正比关系，也就是说，随着反应时间的延长，酯化度也会增加。结果表明，异硬脂酸季戊四醇酯具有很大的立体位阻，很难合成，所以需要很长的时间。结果表明，在230℃条件下，采用不同的工艺条件，在不同的工艺条件下，合成了不同的酯化率。

结果表明：随着反应时间的延长，产物的酸价呈下降趋势，而酯化度上升趋势则呈下降趋势。通过比较，得出了8小时的最佳反应时间。

2.5 脱酸

在合成异硬脂酸季戊四醇酯的过程中，为了尽量提高反应的进行，需要大量的原料异硬脂酸，而且此反应是可逆的，因此不能将反应物全部转化成产品。此外，由于季戊四醇分子结构的特殊性，在酯化过程中，4个酯键不是同时形成，而是逐个形成，因此，初级产物中还存在着一定数量的原料酸和没有被完全转化的半酯，因此需要对其进行初步脱酸和深度脱酸。对合成反应得到的产品，先用减压蒸馏法进行初脱酸，然后添加4%的碱金属氧化镁固形物，进行二、三次抽滤。

研究发现，在经过预减压蒸馏的基础上，经过预脱水，可使产品的酸值（KOH）降到0.1 mg/g以下，符合国家规定。

2.6 红外IR表征

对采用最适宜条件反应并进行脱酸脱色后的产品展开了红外光谱表征，研究结果显示，在2800~3000cm-1处会出现显著的吸收峰，这是饱和— C— H键吸收峰，在1700cm-1处附近会出现较强吸收峰，这是— C‖ O双键吸收峰，1100~1200cm-1处出现的吸收峰为— C— O— C吸收峰，可见产品结构为饱和碳链且含有酯键。在1400 cm-1的位置，甲烷-2、甲烷-3的吸收峰出现在附近。在3500cm-1附近很少有吸收峰，表明没有- OH存在.从这一结果可以看出，产物中存在着酯键，而且酯化反应比较彻底。

2.7 产品性能测试

在最佳的工艺条件下，对产物进行了脱酸和脱色，并测定了产物的性质。测试得到的产品的特性数据显示，运动粘度是一个非常关键的指标，它在40℃和100℃条件下的运动粘度，它的粘性指数为225，满足了润滑油基础油标准中的粘性指数180以上的要求。在一定条件下，对不同种类的润滑油进行了不同的改性处理，并对其性能进行了比较。用醋酸酐比色液对产品进行了改性，然后用 KOH标准液对残留的醋酸酐比色液进行滴定。结果表明，产物的氢化度越小，则产物的氢化度越小，且产物的氢化度越高。闪点是一种反映润滑油基础油挥发性和安全性的指标，使用克利夫兰敞开式闪点仪评价该产品，其测试结果表明，该产品具有更高的耐热性和更高的安全指标。倾斜点是一个重要的指标，可以用来度量润滑油的低温流动性，也可以用来评价产品的低温性能。试验的结果显示，该产品具有良好的低温特性，可以在比较低的温度下，更好地起到润滑效果。检测值在正常值以下，说明所使用的异硬脂酸成分不纯净，或包含了异硬脂酸和直链脂肪酸。

3 结束语

总而言之，近年来，随着人们对环境保护的日益重视，绿色润滑剂的研究已成为润滑行业的一个研究热点。本文主要介绍了以油酸、硬脂酸为原料，采用不对称催化技术合成脂肪酸季戊四醇酯，并对其进行了结构表征，测试了产品的性能。

参考文献：

[1]曹慧娟,陈庆华,廖正福.PVC用硬脂酸季戊四醇酯的工艺优化及性能研究[J].塑料科技,2018,46(08):110-115.

[2]夏青. 季戊四醇酯类润滑基础油的合成及其性能研究[D].中国石油大学(华东),2018.