摘要： 利用環氧氯丙烷與三甲胺鹽酸鹽在堿性條件下反應，生成環氧丙基三甲基氯化銨中間體。根據環氧值和轉化率確定了製備中間體的最佳工藝條件：n（環氧氯丙烷）：n（三甲胺鹽酸鹽）=1.0:1.2，反應時間3h，反應溫度50℃。以該條件下製備的中間體與木質素反應，合成木質素季銨鹽表麵活性劑，確定其最佳工藝條件：m（中間體）：m（木質素）=1:2，反應時間6h，反應溫度72℃。通過紅外光譜分析及黏度和表麵張力的測定，表明合成的木質素季銨鹽表麵活性劑樣品黏度大，表麵張力小，表麵活性明顯提高。

目前，季銨鹽類陽離子表麵活性劑種類較多，如十八烷基三甲基氯化銨等，其表麵活性也不是很高，但大多成本較高，限製了其大規模使用。尋求價廉易得的陽離子表麵活性劑，是一個急需解決的重要課題。木質素是十分豐富的天然生物質資源，以木質素為原料製備表麵活性劑，國內外已有這方麵的報道，Kosiova等人用經二氧六環和水提純後的水解木質素，與溴代十二烷進行烷基化反應製得木質素衍生物表麵活性劑，該法雖能製得活性較高的表麵活性劑，但需在有機溶劑中進行，影響了其在工業中的應用。曹亞峰等人以三乙胺、二甲基烷基叔胺與環氧氯丙烷（ECH）為原料製得了木質素季銨鹽，但未對產物的表麵活性進行測定。木質素季銨鹽的研究大多停留在理論研究上，真正的產品並不多，主要是其合成條件不太好控製，大多在有機溶劑中進行，限製了其使用，尤其是中間體的合成，影響因素很多，對pH值、溫度等的控製要求都較高。

本實驗以水為溶劑，利用環氧氯丙烷與三甲胺鹽酸鹽在堿性條件下反應，合成環氧值較高的環氧丙基三甲基氯化銨中間體，再以此中間體合成木質素季銨鹽表麵活性劑，測定了樣品在不同pH值下的表麵活性，並對表麵活性劑的使用條件進行了探討。合成木質素季銨鹽發生的化學反應如圖1所示。

1 實驗

1.1 原料

木質素為工業品；其他試劑均為分析純。

1.2 中間體的合成

在裝有恒溫槽、回流冷凝管及攪拌器的三口燒瓶中加入三甲胺鹽酸鹽，然後在攪拌下按一定比例滴加環氧氯丙烷，並升溫至50℃左右。在滴加結束10min後加入NaOH水溶液，調節pH值至9，並水浴加熱至一定溫度，在恒溫下攪拌反應數小時，生成淡黃色液態環氧丙基三甲基氯化銨中間體，取樣品測定環氧氯丙烷轉化率和中間體的環氧值。

（1）環氧氯丙烷轉化率的測定

由於中間體反應會產生遊離氯離子，通過測定氯離子的濃度變化計算環氧氯丙烷的轉化率。

（2）中間體環氧值的測定

通過環氧值的測定判斷中間體反應的程度以及副反應發生的程度。按照文獻進行環氧值的測定。

1.3 木質素季銨鹽表麵活性劑的合成及分析檢測

1.3.1 木質素季銨鹽表麵活性劑的合成

根據環氧氯丙烷轉化率求出中間體的實際質量，攪拌下將木質素與中間體按一定比例加入裝有恒溫槽、回流冷凝管及攪拌器的三口燒瓶中，升溫至50℃左右，加入1.2mol/L NaOH水溶液，調節pH值至11，水浴加熱至一定溫度後，在恒溫下攪拌反應數小時，生成棕褐色液態產物，即木質素季銨鹽表麵活性劑。

1.3.2 表麵張力的測定

采用芬蘭Kibron公司生產的Delta-8全自動高通量宅男视频在线网站測定樣品的表麵張力，基於微天平傳感器直接測量液體表麵的力，樣品質量分數0.2%，溫度25℃。為求準確，每個樣品測3次取平均值。

1.3.3 黏度的測定

采用烏貝路德黏度計在25℃的恒溫槽中測定，溶液質量分數0.2%。為求準確，每個樣品測3次取平均值。

1.3.4 紅外光譜（FT-IR）分析

經分離提純後采用Nicolet Nexus 470型FT-IR傅裏葉變換紅外光譜儀進行紅外光譜分析。

2 結果與討論

2.1 中間體

2.1.1 中間體的合成實驗

由於三甲胺沸點較低，即使在常溫下也容易揮發，造成三甲胺的利用率過低，故在反應中通常以三甲胺鹽酸鹽形式存在，這樣不僅能夠提高三甲胺的利用率，還能使反應平穩進行，避免了反應過於劇烈而難以控製的缺點。按照三因素三水平進行正交實驗設計，以三甲胺鹽酸鹽和環氧氯丙烷反應合成環氧丙基三甲基氯化銨中間體的9個樣品，其因素水平表見表1。

表1 中間體合成實驗因素水平表

實驗過程中，環氧氯丙烷的滴加速度對反應結果的影響不大，一般滴加時間為5~6min，且在恒溫水浴中進行反應，反應溫和，溫度容易控製。反應中加入NaOH是為了：①使三甲胺從其鹽酸鹽中遊離出來，因為三甲胺鹽酸鹽的反應活性不如三甲胺；②使3-氯-2-羥丙基氯化銨閉環，得到環氧丙基三甲基氯化銨。由於環氧丙基三甲基氯化銨中的環氧基是一個活潑的官能團，是能夠與木質素發生反應的關鍵基團，而它在中性或堿性條件下都會發生水解反應，使環氧基受到破壞，故一般把中間體放置在酸性條件下。

2.1.2 中間體環氧值和環氧氯丙烷轉化率

表2為中間體合成的正交實驗結果。環氧氯丙烷轉化率越高，則反應程度越高，同時中間體中環氧值越高，則反應程度越高且副反應程度越低，從表2極差分析結果可知，影響轉化率的主要因素是反應時間，其次是溫度，再次是投料比，即影響因素B>C>A，最優組合為A₂B₁C₂。此時，n(ECH):n(三甲胺鹽酸鹽)為1.0:1.2、反應時間為3h、反應溫度為50℃，樣品轉化率最高，環氧值也較大。因此，該條件可作為第二步合成木質素季銨鹽中間體的最佳工藝條件。

表2 中間體合成正交實驗結果

2.2 木質素季銨鹽表麵活性劑的合成實驗

按照三因素三水平正交實驗設計，以表2中4#樣品為中間體合成木質素季銨鹽，其因素水平表見表3。木質素與中間體在堿性條件下反應，以環氧值消失為反應終點。

表3 木質素季銨鹽合成實驗因素水平表