专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; |
专利有效性 | 实质审查 | 当前状态 | 实质审查 |
申请号 | CN202410609365.8 | 申请日 | 2024-05-16 |
公开(公告)号 | CN118634862A | 公开(公告)日 | 2024-09-13 |
申请人 | 中国科学院长春应用化学研究所; | 申请人类型 | 科研院所 |
发明人 | 白晨曦; 郭俞彤; 祁彦龙; 崔龙; | 第一发明人 | 白晨曦 |
权利人 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 权利人类型 | 科研院所 |
当前权利人 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 当前权利人类型 | 科研院所 |
省份 | 当前专利权人所在省份:吉林省 | 城市 | 当前专利权人所在城市:吉林省长春市 |
具体地址 | 当前专利权人所在详细地址:吉林省长春市人民大街5625号 | 邮编 | 当前专利权人邮编:130022 |
主IPC国际分类 | B01J31/02 | 所有IPC国际分类 | B01J31/02 ; C07C275/70 ; C07C273/18 ; C08F210/02 ; C08F8/00 |
专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
专利权利要求数量 | 11 | 专利文献类型 | A |
专利代理机构 | 北京集佳知识产权代理有限公司 | 专利代理人 | 温可睿; |
摘要 | 本 发明 提供了一种醇解催化剂及其制备方法和应用,具有式Ⅰ结构;所述R1和R2选自不含有苯环和环状化合物的吸电基团;所述R3是可形成氢键、不含苯环和环状化合物的强吸电基团;所述R4是不含有苯环和环状化合物的供电基团。醇解催化剂含有 碳 氮单键和亚胺,并且连接所需的吸电和供电基团,使得亚胺和碳氮单键周围的 电子 云 进行离域运动,产生共轭效应,使得分子结构整体稳定,不易分解,可重复利用;亚胺上的氮 原子 为sp2杂化,并连接强给电基团,氮原子电子云 密度 增大,呈一定 碱 性;分子内不含环状和苯环,溶解性较好。醇解催化剂的合成路线简单,减少三废,缩短和简化了工艺;应用在EVA的醇解中,提高了醇解度,获得了高品质的EVOH。 | ||
权利要求 | 1.一种醇解催化剂,具有式Ⅰ结构: |
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说明书全文 | 一种醇解催化剂及其制备方法和应用技术领域[0001] 本发明属于催化剂技术领域,尤其涉及一种醇解催化剂及其制备方法和应用。 背景技术[0002] EVOH是EVA进行醇解反应的产物,是一种高度结晶体。EVOH具有优秀的阻隔性,并在合成和加工燃烧过程中安全无毒,属于绿色环保型材料,被广泛用于食品、医药等领域的包装材料,是最具发展前景材料之一。 [0003] EVOH合成包括两个步骤,即自由基聚合得到EVA和EVA醇解,其中EVA醇解是得到高品EVOH的重要步骤,醇解过程所需的催化剂是重中之重,传统催化剂一般包括碱性金属离子的无机盐、有机盐、离子液体等,但是金属离子难以去除,需要大量水清洗,产生较多的三废,同时李少香等人认为金属离子可与羟基发生电子相互作用,以此破坏分子链的规整结构,从而降低材料的性能。醇解度是评价EVA醇解情况的重要指标,因为醇解度越高,EVOH中羟基占比越大,分子链之间可形成更多的氢键,增加分子链堆积程度,自由运动空间更小,这导致小分子和非极性的氧气无法透过EVOH。为了增大醇解度,一般采用提高压力、升高温度或通入氮气以充分去除醋酸甲酯获得较高醇解度的产物,但这些方法存在对设备要求高、产物色相品质不稳定、醇解时间长等问题。 [0004] 目前提高醇解度,避免使用含有碱性金属离子化合物催化剂,简化清洗工艺最有效的方法就是开发出不含有碱性金属离子并容易去除的碱性催化剂。丁晓艳等人制备含碳氮双键的深共晶溶剂存在多含有苯环,有一定毒性、催化剂醇解效果较差、所涉及的原料制备工艺繁琐,反应条件苛刻、催化剂溶解性较差等问题。 发明内容[0005] 有鉴于此,本发明的目的在于提供一种醇解催化剂及其制备方法和应用,该催化剂分子内不含环状和苯环,溶解性较好;制备过程简单,反应条件不苛刻,对设备要求较低。 [0006] 本发明提供了一种醇解催化剂,具有式Ⅰ结构: [0007] [0008] 所述R1和R2选自不含有苯环和环状化合物的吸电基团; [0009] 所述R3是可形成氢键、不含苯环和环状化合物的强吸电基团; [0010] 所述R4是不含有苯环和环状化合物的供电基团。 [0011] 优选地,所述R1和R2独立地选自CH2OH‑、OH‑、Cl‑、Br‑、F‑、CH2Br‑、CH2CH2OH‑、CH2F‑、SO3H‑和COOH‑中的一种或多种; [0012] 所述R3选自OH‑、COOH‑、Cl‑、Br‑、F‑和CF3‑中的一种或多种; [0013] 所述R4选自CH3‑、CH2CH3‑、CH3CH2CH2‑、(CH3)2CH‑、(CH3)3C‑、NH2‑、OCH3‑和OCOCH3‑中的一种或多种。 [0014] 优选地,所述醇解催化剂中R1为CH2OH‑、R2为CH2OH‑、R3为OH‑、R4为CH3‑; [0015] 或所述醇解催化剂中R1为CH2OH‑、R2为CH2OH‑、R3为OH‑、R4为OCH3‑。 [0016] 本发明提供了一种上述技术方案所述醇解催化剂的制备方法,包括以下步骤: [0017] 在无水硫酸镁和分子筛的存在下,将具有式Ⅱ结构的反应物溶液和R4‑NH2溶液混合,回流条件下反应,过滤,得到液相产物; [0018] [0019] 将所述液相产物干燥,层析分离,干燥后得到具有式Ⅰ结构的醇解催化剂。 [0020] 优选地,所述具有式Ⅱ结构的反应物和R4‑NH2的质量比为(0.1~10):(0.1~10)。 [0021] 优选地,所述回流的温度为65~80℃,回流的时间为0.5~5h。 [0022] 优选地,具有式Ⅱ结构的反应物溶液和R4‑NH2溶液中的溶剂均为无水溶剂; [0025] 本发明提供了一种EVA醇解的方法,包括以下步骤: [0026] 将EVA、醇解催化剂和溶剂混合,醇解,加入酸性溶液直至体系呈中性,后处理,得到EVOH; [0027] 所述醇解催化剂为上述技术方案所述醇解催化剂。 [0028] 优选地,所述溶剂选自乙醚、甲醇、乙醇、叔丁醇、碳酸二甲酯、四氢呋喃、石油醚、丙酮和己烷中的一种或多种; [0029] 所述EVA、醇解催化剂和溶剂的质量体积比为(1~10)g:(1~10)g:(1~10)mL。 [0030] 优选地,所述醇解的温度为40~80℃,所述醇解的时间为0.5~10h。 [0031] 本发明提供了一种醇解催化剂,具有式Ⅰ结构;其含有碳氮单键和亚胺,并且连接所需的吸电和供电基团,使得亚胺和碳氮单键周围的电子云进行离域运动,产生共轭效应,2 使得分子结构整体稳定,不易分解,可重复利用;亚胺上的氮原子为sp杂化,并连接强给电基团,氮原子电子云密度增大,呈一定碱性;分子内不含环状和苯环,溶解性较好。醇解催化剂的合成路线简单,减少三废,缩短和简化了工艺;应用在EVA的醇解中,提高了醇解度,获得了高品质的EVOH。 附图说明 [0032] 图1为本发明制备醇解催化剂的反应路线图; [0033] 图2为本发明中醇解催化剂醇解EVA制备EVOH的原理; [0035] 图4为本发明实施例2制备的醇解催化剂的红外光谱图。 具体实施方式[0036] 本发明提供了一种醇解催化剂,具有式Ⅰ结构: [0037] [0038] 所述R1和R2选自不含有苯环和环状化合物的吸电基团; [0039] 所述R3是可形成氢键、不含苯环和环状化合物的强吸电基团; [0040] 所述R4是不含有苯环和环状化合物的供电基团。 [0041] 本发明提供的具有式Ⅰ结构的醇解催化剂具有以下特点: [0042] ①含有碳氮单键和亚胺,并且连接所需的吸电和供电基团,使得亚胺和碳氮单键周围的电子云进行离域运动,产生共轭效应,使得分子结构整体稳定,不易分解,可重复利2 用;②亚胺上的氮原子为sp 杂化,并连接强给电基团,氮原子电子云密度增大,呈一定碱性;③由于连接较多吸电基团,按照醇解原理,亚胺上的氮原子较容易夺取醇解溶剂上的H质子,有利于溶剂的亲核攻击,并且催化剂作为最终产物实现回收;④原料易得且无毒,符合“绿色化学理念”;⑤制备过程简单,反应条件不苛刻,对设备要求低;⑥分子内不含环状和苯环,溶解性较好。 [0043] 本发明提供的催化剂是一种含有碳氮双键碱性催化剂,能够替代传统催化剂和深共晶溶剂催化剂,达到减少三废、缩短和简化工艺,提高醇解度,获得高品质EVOH。 [0044] 本发明中所述R1和R2独立地选自CH2OH‑、OH‑、Cl‑、Br‑、F‑、CH2Br‑、CH2CH2OH‑、CH2F‑、‑ ‑SO3H和COOH中的一种或多种; [0045] 所述R3选自OH‑、COOH‑、Cl‑、Br‑、F‑和CF3‑中的一种或多种; [0046] 所述R4选自CH3‑、CH2CH3‑、CH3CH2CH2‑、(CH3)2CH‑、(CH3)3C‑、NH2‑、OCH3‑和OCOCH3‑中的一种或多种。 [0047] 本发明中所述醇解催化剂中R1为CH2OH‑、R2为CH2OH‑、R3为OH‑、R4为CH3‑;或所述醇解催化剂中R1为CH2OH‑、R2为CH2OH‑、R3为OH‑、R4为OCH3‑。 [0048] 本发明提供了一种上述技术方案所述醇解催化剂的制备方法,包括以下步骤: [0049] 在无水硫酸镁和分子筛的存在下,将具有式Ⅱ结构的反应物溶液和R4‑NH2溶液混合,回流条件下反应,过滤,得到液相产物; [0050] [0051] 将所述液相产物干燥,层析分离,干燥后得到具有式Ⅰ结构的醇解催化剂。 [0052] 上述醇解催化剂的制备路线如图1所示。 [0053] 本发明将具有式Ⅱ结构的反应物溶液中,在无水硫酸镁和分子筛的存在下,和R4‑NH2溶液混合,回流条件下反应,过滤,得到液相产物。 [0054] 本发明将具有式Ⅱ结构的反应物溶于无水溶剂中,得到具有式Ⅱ结构的反应物溶液;所述无水溶剂选自乙醚、甲醇、四氢呋喃、石油醚、丙酮、己烷和乙醇中的一种或多种。所述具有式Ⅱ结构的反应物溶液中具有式Ⅱ结构的反应物的质量和无水溶剂的体积比为(0.1~10)g:(10~100mL)。 [0055] 本发明采用三口烧瓶作为反应容器,使用前需要处理干净、干燥且用氮气冲洗。本发明将具有式Ⅱ结构的反应物溶液溶解于无水溶剂中后加入三口烧瓶中,加入适量无水硫酸镁和分子筛。本发明将R4‑NH2溶解在无水溶剂中得到R4‑NH2溶液;所述R4‑NH2溶液中的无水溶剂选自乙醚、甲醇、四氢呋喃、石油醚、丙酮、己烷和乙醇中的一种或多种。所述R4‑NH2溶液中R4‑NH2的质量和无水溶剂的体积比为(0.1~10)g:(10~100mL)。 [0056] 本发明在搅拌条件下,采用滴液漏斗不断缓慢滴入三口烧瓶中;滴加完毕后,测混合溶液pH,采用乙酸调节pH值为3.5~4.5后进行回流,并在烧瓶上装上盛有无水氯化钙的干燥管,通氮气保护;回流反应的温度为65~80℃,回流的时间为0.5~5h。回流反应结束后,过滤,得到液相产物。 [0058] 本发明中采用的无水硫酸镁、具有式Ⅱ结构的反应物、R4‑NH2、分子筛和无水溶剂等均为市售商品。 [0059] 本发明还提供了一种EVA醇解的方法,包括以下步骤: [0060] 将EVA、醇解催化剂和溶剂混合,醇解,加入酸性溶液直至体系呈中性,后处理,得到EVOH; [0061] 所述醇解催化剂为上述技术方案所述醇解催化剂。 [0062] 本发明中EVA优选按照以下方法制得: [0063] 在高纯N2保护下,VAc、引发剂、溶剂混合后,通入乙烯,聚合反应,得到的产物进行干燥,得到EVA。 [0064] 本发明采用带有聚四氟乙烯内衬的反应釜作为反应容器。本发明中VAc经过减压蒸馏除去阻聚剂,并在10℃下密封保存,备用。本发明中引发剂经过重结晶提纯,真空干燥,避光,10℃下密闭保存,备用。本发明中溶剂需要经过分子筛除去水后备用。 [0065] 本发明中引发剂优选为偶氮类、过氧类化合物;具体包括偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(ABVN)、过氧化二苯甲酰(BPO)、过氧化二碳酸二乙基己酯(EHP)、过硫酸钾、过硫酸铵、氢过氧化物中的一种或多种。本发明中溶剂选自乙醚、甲醇、乙醇、叔丁醇、碳酸二甲酯(DMC)、四氢呋喃、石油醚、丙酮、己烷中的一种或多种。本发明中VAc:引发剂:溶剂体积比(V:m:V)为1~100:1~100:1~100,其中V代表体积,单位为mL,m代表质量,单位为g;本发明中所述乙烯的压力为0.01~10MPa;本发明中聚合反应的温度为60~100℃,聚合反应的时间为0.5~10h。本发明中所涉及的乙烯、VAc、溶剂和引发剂均为市售商品。 [0066] 本发明中醇解反应采用的醇解催化剂为上述技术方案所述的醇解催化剂。本发明中醇解反应体系中溶剂选自乙醚、甲醇、乙醇、叔丁醇、碳酸二甲酯(DMC)、四氢呋喃、石油醚、丙酮和己烷中的一种或多种。 [0067] 本发明中EVA、新型醇解催化剂、溶剂比例(m:m:V)为(1~10)g:(1~10)g:(1~10)mL。 [0068] 本发明中所述醇解的温度为40~80℃,醇解的时间为0.5~10h。醇解结束后滴加酸性溶液;所述酸性溶液的浓度为0.01~10mol/L。所述酸性溶液中酸性试剂为无机酸或有机酸,更优选包括乙酸、硼酸和盐酸中的一种或多种。本发明采用酸性溶液中和至醇解产物为中性,优选为pH=7。本发明将反应物转移至冷水中,再用无水乙醇洗涤,除去多余的水。本发明优选在100℃下过夜真空干燥。 [0069] 本发明中涉及的酸性试剂、无水乙醇、溶剂等均为市售商品。 [0070] 本发明通过采用醇解催化剂醇解EVA,避免使用大量溶剂清洗的过程,减少了三废和环境污染。本发明由于未使用碱性金属离子催化剂,降低了EVOH色相和品质不稳定的风险;而且涉及的原料廉价易得,无毒,合成路线简单,符合绿色环保理念。 [0071] 本发明采用以下测试方法进行测试: [0072] GPC测试Mn和PDI,测试方法如下:在65℃下,将1mLDMF和2mg EVOH溶解1h,得到澄清溶液,使用Waters GPC 1515测试Mn和PDI,测试温度30℃,流动相为DMF,流动相流速为1.0mL/min,使用聚苯乙烯获得标准曲线。 [0073] DSC测试Tm、Tc、Tg,测试方法如下:将5mgEVOH样品置于铝锅中,在氮气气氛(50mL/min)下,从25℃升至200℃,并在200℃保持30min,升温速率10℃/min,此阶段为第一阶段,目的是消除材料的热历史,自然降温至室温此为第二阶段测得Tc,最后从室温升至200℃,此为第三阶段,测得Tg和Tm,设备型号METTLER TOLEDO。 [0074] 核磁共振波谱NMR测试醇解度:采用BRUKER AVANCE 400M测试1H谱,四甲基硅烷为内标物(δ=0.0ppm),将10mgEVOH溶于1mL DMSO‑d6中,溶解温度85℃,直至得到澄清溶液,注入至石英管中,进行测试,得到的H谱进行解析,积分δ=3.5~3.8ppm(VAC醇解后‑OH基团)的峰面积,得到I(VOH),积分δ=2.0ppm(VAC中‑CH3)峰面积得到I(V‑CH3),醇解度=I(VOH)*100%/(I(VOH)+I(V‑CH3))。 [0076] 万能试验机测试抗冲击强度和抗拉强度,测试标准GB/T 1040.1‑2006,样条注塑条件:GB/T 17037.1。 [0077] 熔体流动速率仪XNR‑400C测试熔融指数,测试标准:(ISO 1133‑1:2011),试验温度190℃,试验负荷2.16kg,每10min记录一次流体质量。 [0078] Nicolet Nexus 6700FTIR红外光谱仪测试官能团确定物质结构,测试方法如下:120℃下烘干溴化钾和碱性催化剂并用研钵进行捣碎和混合均匀,压力为10MPa,持续 10min,压成厚度为10~100微米薄片。将薄片固定在光谱仪中,并进行扫描,扫描范围4000‑‑1 ‑1 650cm ,分辨率为4cm 和32次扫描。 [0079] 为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种醇解催化剂及其制备方法和应用进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。 [0080] 实施例1 [0081] 将3.11g甲胺溶于30mL无水甲醇中并加入三口圆底烧瓶中,加入适量无水硫酸镁和分子筛,把12.1g((双羟甲基)氨基甲酸溶于30mL无水甲醇中,在搅拌下,使用滴液漏斗不断缓慢滴入呈三口烧瓶中,滴加完毕后,测混合溶液pH,并在搅拌下滴加适量乙酸至混合溶液pH=4,加热至65℃,进行回流,并在烧瓶上装上有无水氯化钙的干燥管,通氮气保护,反应1h后过滤,得到液相,将液相置于旋转蒸仪上旋干,使用碱性氧化铝柱层析分离提纯产品,得到产品后,置于真空干燥箱内50℃干燥过夜,最终得到(z)‑N,N‑双(羟甲基)‑N'‑甲基氨基甲酰亚胺,低温密封避光保存,留用。 [0082] 高纯N2保护下,将VAc、AIBN、无水甲醇按照30:10:50(V:m:V)比例混匀,把澄清溶液转入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,并充入3MPa的乙烯,待压力稳定后,开启循环泵加热,聚合温度60℃,聚合2h时后,趁热将料体取出,60℃真空干燥24h,除去挥发分,得到透明的EVA弹性体,留用、测试。 [0083] 将EVA、(z)‑N,N‑双(羟甲基)‑N'‑甲基氨基甲酰亚胺、甲醇按照4:1:5(m:m:V)在三口烧瓶中搅拌混匀,并在65℃下醇解2h后,向混合溶液中滴加1mol/L的乙酸/甲醇溶液,中和反应物直到pH=7,最后将反应物转移至冷水中,再用无水乙醇洗一次,除去多余的水,100℃过夜干燥,得到最终产物EVOH,留存、测试。 [0084] 实施例2 [0085] 将4.4g O‑甲氧羟胺溶于30mL无水甲醇中并加入三口圆底烧瓶中,加入适量无水硫酸镁和分子筛,把12.1g((双羟甲基)氨基甲酸溶于30mL无水甲醇中,在搅拌下,使用滴液漏斗不断缓慢滴入呈三口烧瓶中,滴加完毕后,测混合溶液PH,并在搅拌下滴加适量乙酸至混合溶液PH=4,加热至65℃,进行回流,并在烧瓶上装上有无水氯化钙的干燥管,通氮气保护,反应1h后过滤,得到液相,将液相置于旋转蒸仪上旋干,使用碱性氧化铝柱层析分离提纯产品,得到产品后,置于真空干燥箱内50℃干燥过夜,最终得到(z)‑N,N‑双(羟甲基)‑N'‑甲氧基氨基甲酰亚胺,低温密封避光保存,留用。 [0086] 高纯N2保护下,将VAc、AIBN、无水甲醇按照30:10:50(V:m:V)比例混匀,把澄清溶液转入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,并充入3MPa的乙烯,待压力稳定后,开启循环泵加热,聚合温度60℃,聚合2h时后,趁热将料体取出,60℃真空干燥24h,除去挥发分,得到透明的EVA弹性体,留用、测试。将EVA、NaOH、甲醇按照4:1:5(m:m:V)在三口烧瓶中搅拌混匀,并在65℃下醇解2h后,向混合溶液中滴加1mol/L的乙酸/甲醇溶液,中和反应物直到pH=7。最后将反应物转移至冷水中,再用无水乙醇洗一次,除去多余的水,100℃过夜干燥,得到最终产物EVOH,留存、测试。 [0087] 对比例1 [0088] 高纯N2保护下,将VAc、AIBN、无水甲醇按照30:10:50(V:m:V)比例混匀,把澄清溶液转入带有聚四氟乙烯内衬的反应釜中,并充入3MPa的乙烯,待压力稳定后,开启循环泵加热,聚合温度60℃,聚合2h时后,趁热将料体取出,60℃真空干燥24h,除去挥发分,得到透明的EVA弹性体,留用、测试。 [0089] 将EVA、NaOH、甲醇按照4:1:5(m:m:V)在三口烧瓶中搅拌混匀,并在65℃下醇解2h后,向混合溶液中滴加1mol/L的乙酸/甲醇溶液,中和反应物直到pH=7,最后将反应物转移至冷水中,反复水洗三次,除去溶液中的水溶性杂质,再用无水乙醇反复洗三次,除去多余的水,100℃过夜干燥,得到最终产物EVOH,留存、测试。 [0090] 表1实施例制备的EVOH的性能测试数据 [0091] [0092] [0093] 由以上实施例可知,本发明提供了一种醇解催化剂,具有式Ⅰ结构;其含有碳氮单键和亚胺,并且连接所需的吸电和供电基团,使得亚胺和碳氮单键周围的电子云进行离域运动,产生共轭效应,使得分子结构整体稳定,不易分解,可重复利用;亚胺上的氮原子为2 sp 杂化,并连接强给电基团,氮原子电子云密度增大,呈一定碱性;分子内不含环状和苯环,溶解性较好。醇解催化剂的合成路线简单,减少三废,缩短和简化了工艺;应用在EVA的醇解中,提高了醇解度,获得了高品质的EVOH。实验结果表明:EVA的醇解度为99.40~ 3 2 99.98%;EVOH的抗冲击强度为90~92MPa,抗拉强度为30~39MPa,O2 GTR为0.03cm/(m· 24h)。 [0094] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 |