本发明属于聚氨酯材料领域，具体涉及一种在超声波条件下制备桐油多元醇的方法。
背景技术：
聚氨酯材料由于具有良好的机械性能和易于成型的特点，已经广泛应用于工业和人们的日常生活中。用于生产聚氨酯的主要原材料包括异氰酸酯、多元醇和其他添加剂，其中多元醇的比例占了50%以上。在工业生产过程中，多元醇主要应用于聚氨酯领域，因此聚氨酯行业的影响因素也是多元醇市场的主要影响因素。多元醇按分子结构可分为聚醚多元醇和聚酯多元醇，其中，聚醚多元醇在市场中占主导地位，占据了整个多元醇需求的70%以上。
通常，多元醇是从石油中提取制备的。而石油作为不可再生资源，稀缺性造成其价格的持续上涨，并导致下游产品环氧丙烷、环氧乙烷等多元醇生产的主要原料的价格持续上涨，并且按照目前的消耗速度，石油资源终要消耗殆尽。因此，从可持续发展和企业竞争力的角度出发，寻找能替代石油基聚醚的新材料和新工艺成为战略性的开发任务。
美国是世界上大豆油的主要生产国，除食用外，美国的科研机构也积极致力于开发以大豆油为原料的各种化工产品，以替代石油基化学品。最近集中在利用大豆油分子链中的不饱和键，通过对双键的改性，使植物油发生环氧化、羟基化反应，从而制备大豆油多元醇。此方法的优点是反应温度较低（40-70℃），产物品质、色泽好，所以得到的广泛的关注。
美国堪萨斯(kansas)聚合物研究中心的z.s.petrovic等用过氧羧酸与大豆油反应，制备了环氧大豆油，双键转变为环氧基；然后环氧大豆油在高效催化剂四氟硼酸的催化作用下与水和醇发生开环反应，制备出含有羟基的植物油多元醇，多元醇的羟值为110-213mgkoh/g，黏度为1000-7000mpa·s，转化率可达85%-95%。
us20070123725提供了一种制备大豆油多元醇的方法，包括不饱和植物油的环氧化和羟基化过程，形成植物油基聚醚多元醇。首先，将大豆油或菜籽油等不饱和植物油与有机酸和过氧化氢溶液反应，形成环氧植物油，然后将环氧植物油与甲醇和水的混合溶液进行开环反应生成植物油多元醇。
us20060041157介绍了制备大豆油多元醇的方法，包括使部分环氧化的植物油在催化剂条件下与开环试剂反应，形成低聚植物油基多元醇，开环试剂包括小分子多元醇、植物油多元醇或其他多羟基化合物。低聚植物油多元醇的官能度为1-6，羟值为20-300mgkoh/g。
桐油是一种重要的工业原料和传统的出口商品。目前，我国桐油年产量达10万吨以上，占世界桐油产量的35%左右。因此，研究桐油并使更多与桐油有关的产品工业化具有特别的重要意义。但是，利用桐油来制备高品质植物油多元醇，由于桐油不饱和度较高，且是自然界中唯一具有共轭双键的不饱和植物油，碘值达到170以上，其中85%以上的不饱和键为碳碳共轭三烯键，所以桐油在制备多元醇环氧化的过程中由于共轭双键的存在使环氧基团反应活性较高，选择性差，易发生副反应，从而生成大分子交联产物，导致粘度急剧增加，在室温下通常为固体，无法用来进一步合成聚氨酯材料。研究文献（如epoxidationofnaturaltriglycerideswithethylmethyldioxirane，《journaloftheamericanoilchemists'society》，1996，73：461-464）考察了不同植物油，如玉米油、大豆油、葵花籽油、棉籽油、桐油等不饱和植物油的环氧化过程，同样发现仅具有共轭双键的桐油在环氧化的过程中发生了交联反应，导致粘度急剧增大，无法用于制备聚氨酯材料。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种在超声波条件下制备桐油多元醇的方法。本发明利用桐油的共轭双键能够提高环氧基团反应活性的特点，在环氧化的同时加入油溶性脂肪酸，并利用超声波强化反应过程，能够有效地避免交联副反应的发生，提高两相反应速率，缩短反应时间，而且能够减少过氧羧酸的分解，降低过氧化氢和羧酸的使用量，节约生产成本。
本发明桐油多元醇的制备方法，包括如下内容：将桐油、羧酸、无机酸催化剂、羟基化试剂按比例加入到超声波反应器中，升温至35-45℃后，启动超声波反应器；然后在剧烈搅拌下滴加过氧化氢溶液，控制滴加速度使反应温度维持在45-65℃，滴加完毕后，继续反应1-3h，结束反应；反应体系经静置分层，分离出水相，再经中和、水洗、减压蒸馏，得到桐油多元醇。
本发明所述的超声波反应器能够使反应过程在超声波条件下高效进行，超声波功率为30-200w。本发明采用超声波反应器，使反应体系处于超声辐射条件下，超声的空化作用会使反应体系内形成大量的空化泡，空化泡快速地形成、生长、崩溃使空化泡周围液体高速冲入空化泡中心，扰动相界面，可以有效强化两相传质，提高两相反应的反应速率，缩短反应时间；而且能够减少过氧羧酸的分解，降低过氧化氢和羧酸的使用量，节约生产成本。
本发明所述的羧酸可以是甲酸或乙酸，优选为甲酸。羧酸可以与过氧化氢溶液反应生成过氧羧酸，过氧羧酸使桐油中的共轭双键转化为环氧键，同时释放出羧酸，因此在生成环氧键的同时，羧酸并没有消耗，但过少的羧酸含量将导致体系反应速率变慢，所以控制羧酸与桐油的质量比为0.03:1-0.3:1。
本发明所述的无机酸催化剂可以是硫酸、磷酸或盐酸等中的一种或几种，优选为硫酸；无机酸催化剂用量为桐油质量的0.01%-1.0%。
本发明所述的羟基化试剂是油溶性脂肪酸，用量为桐油质量的0.1-0.5倍。油溶性脂肪酸可以选自c6-c12的直链或支链的饱和脂肪酸中的一种或几种，如正己酸、正庚酸、正辛酸、异己酸、异庚酸、异辛酸等。相比于小分子醇类试剂，采用油溶性脂肪酸具有以下优点：（1）由于植物油环氧化反应为剧烈放热反应，在超声波条件下反应加快了反应速率，更易发生温度过冲，而小分子醇类试剂作为羟基化试剂在温度较高时的反应选择性较差，无法避免交联副反应，导致产物粘度急剧增加；而脂肪酸的氢更易电离，反应活性显著高于邻近植物油分子链形成的醇羟基，所以在反应温度较高时，仍具有良好的反应选择性，避免了植物油分子链间的交联副反应，反应温度窗口较宽，可较好地适用于超声反应器；（2）油溶性脂肪酸能溶于反应体系中的油相，避免了在油、水两相间的迁移而导致羟基化开环反应速率下降的问题，提高了反应的选择性；（3）油溶性脂肪酸和带氧剂甲酸在体系内不会发生化学反应，造成反应底物浓度的下降，影响环氧化和原位开环反应效果；（4）减少了羟基化试剂、甲酸、双氧水的用量，且反应体系初期不用添加去离子水，降低了生产原料成本和工业废水的处理量。
本发明所述过氧化氢溶液起到氧化剂的作用，使羧酸被氧化成过氧羧酸。过氧化氢的浓度越高，反应越剧烈，体系放热严重，易发生副反应，所以选择过氧化氢溶液的浓度为20wt%-60wt%，过氧化氢溶液用量为桐油质量的0.4-0.8倍。
本发明所述的中和反应可以用氨水、碳酸钠或碳酸氢钠，优选使用浓度为5wt%-20wt%的碳酸氢钠溶液中和。所述的水洗温度为50-80℃，以防止体系出现乳化现象。所述的减压蒸馏是在压力1000-3000pa，温度60-120℃条件下除去体系中的羟基化试剂和残余水分，使产品水分含量小于0.1wt%。
本发明所述桐油多元醇是由上述本发明方法制备的。所制备桐油多元醇的羟值为120-270mgkoh/g，酸值低于1.0mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率高于93%，适用于制备聚氨酯材料。
桐油分子中85%以上的不饱和键为碳碳共轭三烯键，在制备多元醇的过程中使环氧基团反应活性较高，选择性差，易发生副反应，从而生成大分子交联产物，导致粘度急剧增加，无法用来进一步合成聚氨酯材料。本发明利用桐油的共轭双键能够提高环氧基团反应活性的特点，在环氧化的同时加入油溶性脂肪酸，并在超声波条件下制备桐油多元醇，能够有效地避免交联副反应的发生，提高两相反应的反应速率，高效合成桐油多元醇产品。所制备的桐油多元醇同石油基多元醇相比，具有原料可再生、无毒性、且生物降解性好等优点，属于环境友好的生物基多元醇。
在桐油的环氧化反应过程中加入小分子醇类试剂，一定条件下能够避免桐油分子链间的交联副反应，合成桐油多元醇产品。但在环氧化反应过程中，小分子醇类试剂易和带氧剂甲酸发生酯化反应，导致反应体系中小分子醇类试剂和甲酸的浓度明显降低、环氧化和原位开环反应速率慢、避免交联副反应效果不佳等问题。因此，反应体系必须通过增加小分子醇类试剂、甲酸、双氧水的投料量和添加去离子水的方法来避免上述问题，大幅度增加了生产原料成本和工业废水的处理量。而且，由于小分子醇类试剂在酸性催化剂条件下存在高温反应选择性差的问题，在反应温度较高时易出现产品羟值降低、粘度增加等不足，所以必须对反应温度进行严格控制，增加了生产装置的建设成本。另外，在桐油的环氧化反应过程中，体系内存在油、水两相，生成的过氧羧酸在水相中，而植物油属于油相，环氧化反应只在油、水两相的相界面上进行，导致反应速率降低，而过氧羧酸形成后易分解，增加了氧化剂的消耗和原料成本。本发明采用油溶性脂肪酸作为羟基化试剂，使环氧键原位开环反应具有更高的选择性，反应温度窗口更宽，可较好地适用于超声波条件下高反应速率的特点。而且避免了环氧化反应过程中，小分子醇类试剂易和带氧剂甲酸发生酯化反应，导致反应体系中小分子醇类试剂和甲酸的浓度明显降低、环氧化和原位开环反应速率慢、防止交联副反应效果不佳等问题，有效降低了羟基化试剂、甲酸、双氧水的用量，且反应体系初期不用添加去离子水，降低了生产原料成本和工业废水的处理量。
另外，在桐油多元醇的制备过程中，由于在环氧化反应过程中，体系内存在油、水两相，生成的过氧羧酸在水相中，而桐油在油相中，导致反应速率降低，过氧羧酸易分解，增加了消耗。本发明采用超声波反应器，使两相反应体系的微观混合和传质过程得到极大强化，可有效提高两相反应的反应速率，缩短反应时间，而且能够减少过氧羧酸的分解，降低过氧化氢溶液和羧酸的使用量，节约生产成本。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明中，wt%表示质量分数。
本发明所制备的桐油多元醇产品的羟值按照gb/t12008.3-2009中的邻苯二甲酸酐酯化法测定，酸值按照gb/t12008.5-2010方法测定，粘度按照gb/t12008.7-2010中的旋转粘度计方法测定。
实施例1
将500g桐油、80g甲酸（85wt%溶液）、0.5g浓硫酸、150g正己酸加入到超声波反应器中，升温至40℃后，设置超声波功率为120w；在剧烈搅拌下滴加30wt%过氧化氢溶液325g，控制反应温度为50℃，滴加完毕后，继续反应2h，结束反应；将反应体系静置分层，除去水相，将油相用10wt%碳酸氢钠水溶液洗涤至中性，然后用70℃热水洗涤产物3次。将洗涤后的产品在2000pa、80℃条件下蒸馏2h，即得桐油多元醇产品。将洗涤后的产品在2000pa、80℃条件下蒸馏2h，即得桐油多元醇。经检测，羟值为241mgkoh/g，粘度8117mpa·s，酸值0.75mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率为94.3%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例2
将500g桐油、100g甲酸（85wt%溶液）、0.25g浓硫酸、250g正己酸加入到超声波反应器中，升温至45℃后，设置超声波功率为180w；在剧烈搅拌下滴加30wt%过氧化氢溶液380g，控制反应器温度为65℃，滴加完毕后，继续反应1.5h，结束反应；将反应体系静置分层，除去水相，将油相用10wt%碳酸氢钠水溶液洗涤至中性，然后用70℃热水洗涤产物3次。将洗涤后的产品在2000pa、80℃条件下蒸馏2h，即得桐油多元醇。经检测，羟值为255mgkoh/g，粘度8220mpa·s，酸值0.76mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率为94.5%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例3
将500g桐油、60g甲酸（85wt%溶液）、4g浓硫酸、120g正己酸加入到超声波反应器中，升温至35℃后，设置超声波功率为80w；在剧烈搅拌下滴加30wt%过氧化氢溶液280g，控制反应器温度为45℃，滴加完毕后，继续反应2.5h，结束反应；将反应体系静置分层，除去水相，将油相用10wt%碳酸氢钠水溶液洗涤至中性，然后用70℃热水洗涤产物3次。将洗涤后的产品在2000pa、80℃条件下蒸馏2h，即得桐油多元醇。经检测，羟值为177mgkoh/g，粘度12440mpa·s，酸值0.88mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率为93.0%，可用于制备聚氨酯产品。
实施例4
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的羧酸为乙酸。制得的桐油多元醇的羟值为155mgkoh/g，粘度3130mpa·s，酸值0.51mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率为93.1%，可用于制备聚氨酯产品。
实施例5
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的无机酸催化剂为磷酸。制得的桐油多元醇的羟值为226mgkoh/g，粘度7820mpa·s，酸值0.72mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率为93.9%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例6
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的羟基化试剂为正庚酸。制得的桐油多元醇的羟值为233mgkoh/g，粘度8440mpa·s，酸值0.77mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率高于94.1%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例7
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的羟基化试剂为异庚酸。制得的桐油多元醇的羟值为208mgkoh/g，粘度8950mpa·s，酸值0.82mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率高于93.8%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例8
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的羟基化试剂为正辛酸。制得的桐油多元醇的羟值为224mgkoh/g，粘度8640mpa·s，酸值0.79mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率高于94.0%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
实施例9
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于加入的羟基化试剂为异辛酸。制得的桐油多元醇的羟值为201mgkoh/g，粘度9210mpa·s，酸值0.85mgkoh/g，水分低于0.1wt%，产率高于93.5%，可用于制备聚氨酯硬泡产品。
比较例1
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于不加入羟基化试剂。产物的粘度452000mpa·s，由于产物粘度过大且无法溶解，无法进一步进行羟基化反应，故无法用于制备聚氨酯产品。
比较例2
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于使用大豆油制备多元醇。产物羟值为6.4mgkoh/g，由于产品没有发生羟基化反应、羟值过低，故无法用于制备聚氨酯产品。
比较例3
采用与实施例1相同的工艺条件和原料用量，不同之处在于使用普通合成反应釜进行反应，制备桐油多元醇。产物羟值为197mgkoh/g，明显低于实施例1中产物的羟值241mgkoh/g，说明利用普通合成反应釜，甲酸和过氧化氢溶液的利用率较低，相同用量条件下无法制备高羟值产品，增加生产成本。
比较例4
采用与实施例1相同的处理工艺条件，不同之处在于使用甲醇作为羟基化试剂。产物羟值为108mgkoh/g，粘度94500mpa·s，由于甲醇在反应体系中易与甲酸发生酯化反应，造成甲醇在反应体系中的实际浓度较低，且由于采用超声波反应器，环氧化反应速率高，导致反应放热加剧，而甲醇作为羟基化试剂在温度较高时的反应选择性较差，以上因素导致甲醇等醇类试剂无法避免桐油环氧化的交联副反应，导致产物粘度急剧增加，无法进一步合成聚氨酯产品。