新氢醌球粒及获得其的方法
文献发布时间:2023-06-19 11:55:48
技术领域
本发明涉及新的白色或浅色氢醌球粒。更具体地,本发明提供了一种用于制备所述浅色氢醌球粒的新方法。本发明还涉及通过所述新方法获得的所述氢醌球粒。
背景技术
在二酚化合物中,氢醌(HQ)是在许多领域中广泛用作弹性体中的抗氧化剂、阻聚剂或用于聚合物生产的单体的产品。因此,它是一种大量使用的产品。
目前,氢醌可以以不同形式商购获得,主要是作为晶体粉末或薄片。例如,专利文献WO 2016/033157披露了用于制备结晶氢醌颗粒的粉末的方法。然而,该粉末由小而脆的针状物形成。由此产生的缺点是存在细颗粒,这在所述粉末的储存、运输、物理处理以及移动过程中引起形成粉尘的问题。即使聚集倾向降低,氢醌粉末仍然可能对环境和个体有害,因为粉尘爆炸的危险并且因为该物质的毒物学特性。
已经披露了替代性的形式。日本专利JP 2000-302716 A披露了用于将氢醌颗粒化的技术,该技术包括使氢醌粉末穿过两个辊之间以产生片剂,然后将片剂压碎以获得粒料。该方法的缺点在于,由于通过辊破坏了压实机的辊中的晶体,或者因在压碎机中对片剂的磨损,粉尘可能存在于颗粒状产品中。此外,与初始粉末相比,粒料是致密的并且它们的溶解速率非常低。另外,粒料在储存时可能结块或团聚并且难以在加工设备中加工和运输。粒料在处理过程中也易于磨耗。
专利文献WO 2001/70869披露了使用有机加工助剂制备至少一种空间位阻酚抗氧化剂的粒料。将所述有机加工助剂与所述抗氧化剂混合以形成糊状物,将该糊状物加工成粒料,并且最后在不使抗氧化剂熔化的情况下干燥所述粒料以除去有机加工助剂。该方法的一个问题是最终的抗氧化剂粒料仍然可能包含一些不期望的痕量的有机加工助剂。
专利文献WO 2008/000955和WO 2008/00956披露了薄片形式的氢醌以及获得其的方法。
专利文献WO 2004/039758披露了氢醌珠粒(也称为“珠状物”),这些珠粒是高度球形的固体颗粒。据说这些氢醌珠粒没有粉尘并且具有赋予其良好的耐磨耗性的物理形式。用于制备所述珠粒的方法包括在热条件下制备氢醌的浓缩水溶液,然后将溶液经过喷嘴破碎成液滴并将获得的液滴在气体流中冷却,使得它们固化而得到珠粒,随后将这些珠粒回收并干燥。
专利文献WO 2018/153913披露了至少一种水含量小于0.1wt.%的二酚化合物的珠粒。所述珠粒是从水含量小于0.1wt.%的熔融组合物获得。然而,在某些条件下制备、处理所述组合物并维持其在熔融状态下的良好稳定性可能具有挑战性。
此外,这些方法要求在各种条件下制备、纯化或处理氢醌,值得注意的是例如在生产/纯化过程中将氢醌干燥到非常低的湿度含量、熔融所述氢醌或干燥所获得的对苯二酚珠粒,这可能会损害所述氢醌的着色,并且因此对于在一些应用中使用所述氢醌球粒是成问题的。
本发明的目的是提供一种白色或浅色氢醌球粒以克服所述缺点,特别是提供以下白色或浅色氢醌球粒,其提供改善的处理性和流动性并通过最少化粉尘和细粒来降低对人员和环境的安全、健康和环境方面的风险。
发明内容
在第一方面,本发明涉及氢醌球粒,其在5%水溶液中具有的颜色小于250哈森、优选小于200哈森、更优选小于100哈森、并且还更优选小于50哈森。
在另一方面,本发明涉及一种用于制备氢醌球粒的方法,该方法包括:
a)提供熔融氢醌,
b)迫使所述熔融组合物穿过至少一个液滴发生器装置以形成液滴,
c)将所述液滴冷却以形成固体氢醌球粒,
本发明还涉及通过本发明的方法可获得的氢醌球粒。在另一方面,本发明还涉及所述氢醌球的用途,其用作阻聚剂、防污剂、抗氧化剂,用作合成农用化学品、药物或无机化合物的构建单元,或者作为用于聚合物生产的构建单元。
附图说明
图1、图2和图3呈现了根据本发明的造粒设备的三个不同实施例。
图4示出了静止角。
具体实施方式
在本披露中,除非另外说明,表述“包含在……与……之间”包含极限值。
本发明的一个主题是氢醌球粒,其在5%水溶液中具有的颜色小于250哈森、优选小于200哈森、更优选小于100哈森、并且还更优选小于50哈森。氢醌球粒在5%水溶液具有的颜色可以大于0.1哈森、优选大于0.5哈森、并且更优选大于1.0哈森。在溶液中的颜色是根据ASTM D1209方法测量的。制备了在水中包含5wt%氢醌的溶液用于测量。除非另有说明,否则提及水应理解为符合D 1193规范的IV型的试剂水。
术语“氢醌球粒”是指,氢醌的含量为至少50wt.%、优选至少75wt.%、并且更优选至少90wt.%。
术语“球粒”指基本上球形的固体形式。因此,球粒是具有高球形度的固体,然而它不是完美的球形。也不排除球粒包含在制备球粒的过程中形成的“气孔”。
在具体方面,所述氢醌球粒的水含量是从0.1wt.%至10wt.%、优选小于5wt.%、优选小于2.5wt.%、更优选小于2.0wt.%、并且更优选从0.1wt.%至1wt.%。球粒的水含量可以用卡尔费歇尔(Karl Fischer)滴定法测定。因此,本方法中使用的是熔融氢醌不是氢醌水溶液。
在具体方面,氢醌球粒具有的内部孔隙率为从0.1cm
在具体方面,氢醌球粒具有的粒度分布(PSD)可以为:至少50%的颗粒具有的尺寸在300μm与2000μm之间、优选从60%至98%、优选从70%至98%。PSD可以通过筛分法或使用马尔文(Malvern)Mastersizer 3000激光粒度计以湿或干模式(干颗粒的Scirocco分散)测定。因此,使用了筛子,并测定穿过筛子的颗粒量,PSD表示穿过筛子的颗粒量与初始颗粒量之间的比率。
在另一个方面,氢醌球粒的粒度(用平均粒径(d50)表示)在300μm至1cm的范围内、优选在400μm与5000μm之间、更优选在500μm与3000μm之间、并且还更优选在800μm与2000μm之间。平均粒径(d
在另一个方面,本发明的氢醌球粒具有至少0.3的松散表观密度。松散表观密度优选为至多0.8。在优选的方面,松散表观密度在0.5与0.8之间。
在另一方面,本发明的氢醌球粒具有至少0.5的致密表观密度。在优选的方面,致密表观密度在0.55与0.90之间。该致密和松散表观密度是根据ASTM D 4164方法测量的。
本发明的氢醌球粒的可压缩性远小于氢醌结晶粉末。所述氢醌球粒的可压缩性通常在0%至10%之间、优选从2%至5%。压缩指数或卡尔指数通过下式计算:
在另一方面,本发明的氢醌球粒具有小于15%、优选小于10%、并且更优选小于5%的脆性。球粒的脆性的测量可以通过在三轴混合器中在10分钟期间以大约每秒0.8转的速度(60mL玻璃瓶中2克球粒)混合球粒、并测量产生的细颗粒(即小于100μm的颗粒)的百分比来进行。脆性是作为所产生的细颗粒的质量占引入三轴混合器中的球粒的质量的比率来计算。
有利地,本发明的氢醌球粒具有至少0.7N的硬度。优选地,硬度在1N与10N之间、优选在1N与5N之间、并且更优选在1N与3N之间。球粒的硬度的测量可以使用PCE FM-200型(手动)或Mark 10型(自动)透度计,也称为测力计。
此外,本发明的氢醌球粒可以具有至少20°的静止角。优选地,该静止角为至多40°。在优选的方面,该静止角在25°与35°之间、更优选在28°与32°之间。静止角是由产品通过重力从漏斗掉落在受限表面上而产生的,产品将形成锥形堆并且与水平面呈角度α。角度α表示静止角(图4)。
根据本发明的氢醌球粒还可以包含一些其他化合物,优选有机化合物。优选地,其他化合物的总量小于50000ppm、优选小于10000ppm、更优选小于5000ppm、并且还更优选小于2000ppm。优选地,其他化合物的量大于100ppm、更优选大于200ppm、并且还更优选大于300ppm。其他化合物例如可以是来自氢醌制备过程中的杂质,或者尤其可以作为抗氧化剂添加。其他化合物可以优选选自由以下组成的组:4-羟基苯乙酮、间苯二酚、邻苯二酚、邻苯三酚、双酚A、对苯氧基苯酚、异丙基氢醌。
在另一个方面,本发明的氢醌球粒还可以包含一种或几种其他阻聚剂,其优选地选自由以下组成的组:二酚衍生物、苯酚衍生物、吩噻嗪、TEMPO的衍生物(2,2,6,6,四甲基-1-哌啶N-氧基,或类似4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧基或4-氧代-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基的衍生物)、苯甲酸、生育酚衍生物、维生素E、对苯醌、苯二胺衍生物、芳香族硝基或亚硝基衍生物,锰络合物、优选乙酸锰、氧化态为2的铜络合物、优选二丁基二硫代氨基甲酸铜或乙酸铜。其他阻聚剂的总量不受具体限制,前提是氢醌球粒保持浅色。因此,阻聚剂的添加量与所述阻聚剂的选择有关。优选地,其他阻聚剂的总量小于氢醌与其他阻聚剂的组合物总量的50wt.%、优选小于25wt.%、更优选小于10wt.%。
根据本发明的氢醌球粒通常具有良好的溶解特性。溶解特性通常等同于或尽可能接近其他现有形式的氢醌的溶解特性。优选地,本发明的氢醌球粒可以溶解在水、乙醇、丙烯酸、丙烯酸酯、甲基丙烯酸甲酯或甲基丙烯酸中。
在本发明的又一方面,氢醌球粒不结块。术语“结块(caking或cake)”是指化合物附聚或形成大块的能力。这可能被视为一个缺点并且可能意味着化合物难以处理,特别是在排出或穿过管道时。因此,本发明的氢醌不形成这种难以处理的块、或大块氢醌。本领域技术人员可以通过目视检查来评估结块能力,或通过为此目的使用的任何方法。在本发明中,根据以下方法测试结块能力:试验包括在250mL的封闭玻璃容器中放入50g氢醌。将氢醌在50℃下储存7天。冷却后,将玻璃容器上下倒置,并且以80g的重量从高度(20cm)击打获得的氢醌,并计算使块状物破碎的击打次数。如果使获得的产品破碎所需的击打次数少于2次,则产品被描述为不结块。
有利地,本发明的氢醌球粒在处理和/或排出期间产生的粉尘量非常低。优选地,粉尘量与氢醌粉末排出期间产生的粉尘量相比减少了至少20%、更优选地减少了至少50%、还更优选地减少了至少70%、并且甚至更优选地减少了至少90%。在处理和/或排出期间可以进行目视检查,并且目视检查显示粉尘形成的减少。
在另一实施例中,本发明涉及的氢醌球粒具有的粒径分布为:至少50%的颗粒具有的尺寸300μm与2000μm之间。
在另一实施例中,本发明涉及的氢醌球粒具有的静止角至少为20°。优选地,该静止角为至多40°。在优选的方面,该静止角在25°与35°之间、更优选在28°与32°之间。
在另一方面,本发明涉及一种用于制备根据本发明的白色或浅色氢醌球粒的方法,该方法包括:
a)提供熔融氢醌,
b)迫使所述熔融组合物穿过至少一个液滴发生器装置以形成液滴,
c)将所述液滴冷却以形成固体氢醌球粒。
根据本发明的方法的步骤a)包括提供熔融氢醌。
根据一个实施例,该熔融氢醌由纯度为至少98wt.%、更优选至少99wt.%、甚至更优选至少99.5wt.%的高纯度氢醌制备。
优选地,步骤a)中的熔融氢醌包含小于10wt.%的水、优选小于5wt.%的水、更优选小于2.5wt.%、还更优选小于2.0wt.%、甚至更优选从0.1wt.%至1wt.%。熔融组合物包含从0.1wt.%至10wt.%的水,因此所述熔融氢醌不是氢醌水溶液。有利地,熔融氢醌还可以包含一些其他化合物。总体上,其他化合物的总量小于50000ppm、优选小于10000ppm、更优选小于5000ppm、并且还更优选小于2000ppm。优选地,其他化合物的量大于100ppm、更优选大于200ppm、并且还更优选大于300ppm。其他化合物例如可以是来自氢醌制备过程中的杂质,或者尤其可以作为抗氧化剂添加。其他化合物可以优选选自由以下组成的组:4羟基苯乙酮、间苯二酚、邻苯二酚、邻苯三酚、双酚A、对苯氧基苯酚、异丙基氢醌。
在另一个方面,在步骤a)中的熔融氢醌还可以包含一种或几种其他阻聚剂,其优选地选自由以下组成的组:二酚衍生物、苯酚衍生物、吩噻嗪、TEMPO的衍生物(2,2,6,6,四甲基-1-哌啶N-氧基,或类似4-羟基-2,2,6,6-四甲基哌啶氧基或4-氧代-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶氧基的衍生物)、苯甲酸、生育酚衍生物、维生素E、对苯醌、苯二胺衍生物、芳香族硝基或亚硝基衍生物,锰络合物、优选乙酸锰、氧化态为2的铜络合物、优选二丁基二硫代氨基甲酸铜或乙酸铜。其他阻聚剂的总量不受具体限制,前提是在过程结束时获得的氢醌球粒保持白色或浅色。因此,阻聚剂的添加量与所述阻聚剂的选择有关。
步骤a)中的氢醌被称为呈熔融状态,这意指它足够液态而能流经工艺设备。可能需要将该化合物加热以使其呈熔融形式。总体上,步骤a)在高于氢醌熔点1℃、优选高于氢醌的熔点3℃的温度下进行。总体上,步骤a)在高于氢醌熔点不到100℃、优选高于氢醌熔点不到50℃、更优选高于氢醌熔点不到20℃、并且还更优选高于氢醌熔点10℃的温度下进行。在加热期间,优选使用罩毯。可以将熔融氢醌至少暂时贮存在罐中,该罐设置有用于调节温度的系统,以保持所述化合物呈液体形式。优选地,温度应尽可能保持均匀。优选使用罩毯。熔融氢醌也可以在将通过任何制造工艺产生的粗氢醌纯化后直接获得,尤其是根据WO2008/000954在蒸馏之后。
虽然步骤a)可以在空气中保持特定停留时间的条件下操作,但优选在惰性气体下进行,优选在氮气或贫氧空气下进行。优选地,步骤a)在无氧情况下进行。不希望受任何理论的束缚,监测进行步骤a)的条件可以帮助避免氢醌在熔融状态下的氧化和着色问题。
本发明的步骤b)包括迫使所述熔融组合物穿过至少一个液滴发生器装置以形成液滴。液滴发生器装置可以是任何破碎设备,例如涡轮机、喷射喷嘴系统或带有一个或多个孔口如喷嘴的扁平板。
所使用的喷嘴系统可以是单孔或多孔的,孔的数量可以为1至3000个孔、优选1至1000个孔。可以使用包括并联的多个喷嘴板(例如2个喷嘴板)的系统,这些喷嘴板优选是可移除的。喷嘴板的穿孔的直径是期望球粒尺寸的函数。它可以为100至1500μm,但优选在200μm与900μm之间。
根据一个实施例,所使用的喷嘴可以是静态喷嘴,但是可以使用经受振动装置的喷嘴,该振动装置施加10与10000Hz之间的频率。该设备可以有利地产生具有目标尺寸的液滴。
优选在由惰性气体流、优选氮气流确保的超压下将熔融组合物进料到液滴发生器装置。相对于大气压的超压为1%至2000%、更优选5%至500%。优选地,液滴发生器中的温度为高于氢醌熔点0.5℃至50℃、优选高于氢醌熔化温度1℃至30℃。不希望受任何理论的束缚,据信在加热喷嘴的设备内部保持均匀的温度通过避免堵塞和加重球粒着色而促进操作。
优选将液滴发生器装置保持在等于或高于氢醌呈熔融状态时的温度。
步骤b)可以在与步骤a)相同的条件下操作。
根据本发明的方法的步骤c)包括冷却所述液滴以形成固体氢醌球粒。控制并有利地监测冷却介质的温度。已经注意到,这个参数会影响所获得球粒的含尘量。此外,冷却温度可以在整个过程中保持在优选范围内。不希望受任何理论的束缚,据信,冷却温度会影响球粒的脆性、硬度和耐磨性。因此,所获得的球粒在处理或排出过程中产生的细颗粒较少。
根据第一实施例,冷却可以通过冷却介质(是冷却气体、优选惰性气体、更优选贫化的空气或氮气)在-196℃与+150℃之间、优选在-100℃与+100℃之间、更优选在-40℃与+70℃之间、并且更优选在-20℃与+45℃之间的温度下进行。在本文中,“贫化空气”意指贫氧空气,例如包含小于10%的氧气的空气。优选地,冷却是在无氧情况下进行。
优选地,冷却介质相对于氢醌液滴逆流流动。冷的气体流优选地在喷嘴下方的一定距离处离开塔,该距离表示冷却区总高度的约十分之一。
停留时间,即在喷嘴出口处形成液滴与其到达回收系统中之间的时段,有利地在0.1秒与15秒之间、更优选在0.5秒与10秒之间、并且还更优选在0.5秒与5秒之间。
根据第二实施例,冷却可以通过是液化的惰性气体、优选液氮的冷却介质进行。
所述冷却介质可以优选地相对于氢醌液滴顺流流动。它可以有利地通过液氮喷射环在冷却塔的顶部、靠近液滴发生器装置被引入。
根据第三实施例,冷却可以通过两种冷却介质进行:可以首先将液滴通过液化的惰性气体、优选液氮冷却,并且其次通过冷却气体冷却。所述液化的惰性气体和所述冷却气体可以优选地是如上文的第一实施例和第二实施例中所定义的。不希望受任何理论的束缚,据信,液化的惰性气体可以首先使至少一部分液滴固化,而冷却气体接着可以完成液滴的固化以获得球粒,这些球粒具有充分固化的外壳而能承受在设备上的物理冲击、或在流化床中与其他球粒的碰撞。
根据第四实施例,冷却可以通过两种冷却介质进行:可以首先将液滴通过惰性气体冷却,并且其次通过另一个冷却部分中的第二冷却气体冷却。第一冷却气体和第二冷却气体可以优选地是如第一实施例和第二实施例中所定义的。第二冷却气体的温度优选高于第一冷却气体的温度。优选地,第一冷却气体的温度在-20℃与+10℃之间,并且第二冷却气体的温度在+10℃与+30℃之间。
在冷却步骤结束时,获得固体氢醌球粒。它们可以使用任何已知的手段回收,例如在重力下回收到回收容器中或使用流化床技术。
与造粒方法无关,将固体氢醌球粒从熔融氢醌转化为氢醌固体球粒,转化率高于或等于70%、优选高于或等于80%、更优选高于或等于90%、并且还更优选高于或等于99%。在本发明的具体方面,熔融氢醌到球粒的转化率是定量的。转化率可以定义为所形成的球粒重量与熔融氢醌的重量之间的比率。
在根据本发明的方法结束时,尺寸小于355μm的细颗粒的量按重量计占熔融氢醌的总重量的小于或等于30%、优选小于或等于20%、更优选小于或等于10%、还更优选小于或等于1%、并且甚至还更优选小于或等于0.1%。
用于实施本发明方法的设备可以称为造粒机设备。
本发明的一个实施例呈现在图1上。
在图1上,造粒机设备(1)包括液滴发生器装置(2)和造粒塔(4)。液滴发生器装置(2)设置有振动装置(3)。将根据本发明的熔融氢醌贮存在加热的罐(5)中,该罐将组合物保持在熔融状态。向罐(5)提供气体流(6)(典型地为氮气),以将熔融氢醌(7)进料到液滴发生器(3)。熔融氢醌的液滴落入造粒塔(4)中。
冷却气体(8)在塔(4)的底部被引入,相对于氢醌液滴逆流流动,并且在液滴发生器装置(2)下方的点(9)处离开塔。在造粒塔(4)的下部,收集球粒(10)。
造粒塔(4)可以设置有典型地用于允许气体流均匀分布的任何装置,例如挡板和筛网(未示出)。
根据该构造,造粒塔(4)的上部被构造用于形成球粒,而下部被构造用于完全固化和用于回收球粒。塔(4)的高度可以广泛变化,并且可以由技术人员根据装置的热质量平衡来确定,典型地在1与50米之间,这取决于设施的尺寸。
本发明的另一个实施例呈现在图2上。
在图2上,造粒机设备(11)包括液滴发生器装置(12)和造粒塔(14)。液滴发生器装置(12)设置有振动装置(13)。将根据本发明的熔融氢醌贮存在加热的罐(15)中,该罐将氢醌保持在熔融状态。向罐(15)提供气体流(16)(典型地为氮气),以将熔融氢醌(17)进料到液滴发生器(12)。熔融氢醌的液滴落入造粒塔(14)中。
为液氮(18)的冷却介质在塔(14)的顶部、靠近液滴发生器装置(12)被引入。它相对于氢醌的液滴顺流流动。在造粒塔(14)的下部,收集二酚球粒(19)并且将其送至螺旋冷却器(20),其中球粒的固化在具有逆流冷气态氮气流的流化床中完成。通过循环利用在造粒塔(21)中使用的氮气和/或通过新鲜的冷氮气(22),将所述冷氮气流引入螺旋冷却器(20)的底部。
在螺旋冷却器(20)的下部,收集球粒(23)。
任选地,在螺旋冷却器的顶部(24)除去气态氮气流以及一些细物质。可以使用旋风分离器(25)来分离细粒(26)和氮气(27)。氮气可以任选地在螺旋冷却器(20)中被循环利用。
本发明的另一个实施例呈现在图3上。
在图3上,造粒机设备(28)包括液滴发生器装置(29)和造粒塔(31)。液滴发生器装置(29)设置有振动装置(30)。将根据本发明的熔融氢醌贮存在加热的罐(32)中,该罐将组合物保持在熔融状态。向罐(32)提供气体流(33)(典型地为氮气),以将熔融组合物(34)进料到液滴发生器(29)。熔融组合物的液滴落入造粒塔(31)中。
为液氮(35)的第一冷却介质通过液氮喷射环(36)在塔(31)的顶部、靠近液滴发生器装置(29)被引入。所述冷却介质可以固化至少一部分液滴。第二冷却介质(37)(典型地可以是冷氮气流)被引入塔(31)中、相对于氢醌的液滴顺流流动,并且在塔(38)的底部离开塔。要求所述第二冷却介质完成液滴的固化以获得球粒,这些球粒具有充分固化的外壳而能承受在设备上的物理冲击、或在流化床中与其他球粒的碰撞。在造粒塔(31)的下部,收集球粒(39)。可以将所述二酚球粒进一步送至另外的冷却装置(未示出);如图2上所呈现的螺旋冷却器。
根据本发明的方法可以进一步包括下述步骤,该步骤包括通过筛分或旋风分离来分离细颗粒、并且循环利用所述细颗粒。分离的细颗粒的尺寸小于355μm。
优选地,根据本发明的方法可以进一步包括下述步骤,该步骤包括优选通过筛分或旋风分离来分离尺寸小于100μm的细颗粒、并且循环利用所述细颗粒。
通过所述方法可获得或所获得的氢醌球粒也是本发明的一个主题。
实例
实例1:制备根据本发明的氢醌球粒
使用了如图1所述的造粒设备。将纯氢醌(包含大于99.9wt.%的氢醌)在约200℃的温度下、在贫氧空气下熔化。冷却温度设定为约10℃的温度。
获得高度球形的氢醌球粒。
实例2:制备氢醌珠状物(对比实例)
从氢醌水溶液制备氢醌珠状物(根据WO 2004/039758中描述的方法)。
下表中比较了所获得的2种珠粒的特性:
1:在250mL的封闭玻璃容器中放入50g氢醌。将氢醌在50℃下储存7天。冷却后,将玻璃容器上下倒置,并且以80g的重量从高度(20cm)击打获得的氢醌。计算使块破碎的击打次数。如果使获得的产品破碎所需的击打次数少于2次,则产品被描述为不结块。
2:目视检查
- 新氢醌球粒及获得其的方法
- 一种制备2,3,5-三甲基氢醌二酯新晶型及结晶方法