Propyleenglycol: productie, reacties en toepassingen

propylene glycol

Wat is Propyleenglycol?

Propyleenglycol is een viskeuze, kleurloze vloeistof die vrijwel geurloos is, maar een licht zoete smaak heeft. Het is een diol met de chemische formule C3H8O2.

De fysisch-chemische eigenschappen van propyleenglycol lijken op die van ethyleenglycol. De eerste geregistreerde beschrijving was van Wurtz in 1859.

De industriële productie van 1,2-propaandiol uit propyleenoxide en water begon in de jaren 30 en wordt nog steeds gebruikt. Het proces levert tegelijkertijd di- en tripropyleenglycol op.

De wereldwijde productiecapaciteit van 1,2-propaandiol bedraagt meer dan 2,56 miljoen ton per jaar.

1,2-Propaandiol kent talrijke toepassingen, waaronder gebruik in onverzadigde polyesters voor thermohardende composieten, levensmiddelenchemie, apparatuur voor voedselverwerking, cosmetica, farmaceutica, evenals dooimiddelen en antivriescomponenten voor auto’s.

Inhoudsopgave

1. Productie van propyleenglycol

1.1. Productie van propyleenglycol door hydrolyse van propyleenoxide

Het dominante proces voor industriële productie van 1,2-propaandiol omvat de directe hydrolyse van propyleenoxide in aanwezigheid van water.

Dit proces staat erom bekend dipropyleenglycol en tripropyleenglycol te genereren door de opeenvolgende toevoeging van propyleenoxide aan 1,2-propaandiol.

production of propylene glycol

Daarom wordt de scheiding van alle drie de producten uitgevoerd door destillatie.

Het productieproces van 1,2-propaandiol wordt gestart door propyleenoxide en water te combineren in een molaire verhouding van 1:15, bij een begintemperatuur van 125 °C en een druk van ongeveer 2 MPa. De temperatuur van het reactoreffluent stijgt tot ongeveer 190 °C vanwege de exotherme reactie.

Het resulterende mengsel van 1,2-propaandiol, dipropyleenglycol en tripropyleenglycol bevindt zich respectievelijk in de verhouding van ongeveer 100:10:1, waarbij deze verhouding wordt bereikt bij de bovenstaande verhouding van water tot oxide.

Het verhogen van de water-tot-oxideverhouding kan leiden tot hogere propyleenglycolverhoudingen; dit resulteert echter in hogere recyclesnelheden, lagere doorvoer en hogere energiekosten.

Het water-glycolmengsel wordt onttrokken aan de reactorzone bij ongeveer 200 °C en wordt onderworpen aan waterverwijdering in dehydratatiekolommen. Hoogzuivere 1,2-propaandiol, dipropyleenglycol en tripropyleenglycol worden gescheiden door drie opeenvolgende vacuümdestillaties.

Het residu bestaat uit een combinatie van hogere glycolen die beperkte commerciële toepassingen hebben.

Dit proces genereert zeer weinig afval vanwege de lage toxiciteit van 1,2-propaandiol, dipropyleenglycol en tripropyleenglycol, wat minimale gevaren voor het milieu oplevert. Al deze verbindingen zijn gemakkelijk biologisch afbreekbaar.

Schematic of propylene glycol production
Figuur 1: Schematische weergave van de productie van propyleenglycol
a) Reactor; b) Verdamper (meestal 2-4 kolommen); c) 1,2-propaandiol-destillatiekolom; d) Dipropyleenglycol-destillatiekolom; e) Tripropyleenglycol-destillatiekolom

1.2. Productie van propyleenglycol door hydrogenolyse van glycerol tot 1,2-propaandiol

production of propylene glycol from glycerol

Glycerol, een bijproduct van de transesterificatie van plantaardige oliën voor de productie van biodiesel, is een interessant uitgangsmateriaal voor de synthese van 1,3-propaandiol en 1,2-propaandiol.

Ongeveer 10 kg ruwe glycerol met een concentratie van 50-55% kan worden verkregen uit de productie van 100 kg biodiesel.

Metallische katalysatoren en waterstof worden gebruikt om glycerol te hydrogeneren tot 1,2-propaandiol, dat commercieel verkrijgbaar is als industriële en U.S.P.-kwaliteit.

Deze reactie vindt plaats in twee stappen via een acetol-tussenproduct. De eerste stap omvat de omzetting van glycerol in acetol in aanwezigheid van een metallische katalysator. In de tweede stap wordt acetol gehydrogeneerd tot 1,2-propaandiol met behulp van een vergelijkbare katalysator.

De keuze van de katalysator en de eigenschappen ervan beïnvloeden de selectiviteit van de reactie. Koperchromiet bleek de meest effectieve katalysator te zijn.

1.3. Alternatieve routes

Er is een uitgebreide studie uitgevoerd naar het proces van acetoxidatie van propeen, wat leidt tot de productie van glycolacetaten, gevolgd door hydrolyse tot de glycol. Deze methode biedt naar verluidt een kosteneffectief alternatief voor de propyleenoxideroute, zij het met aanzienlijk hogere vaste kapitaalinvesteringskosten.

Bovendien is er melding gemaakt van directe hydroxylatie van propeen om 1,2-propaandiol te verkrijgen, waarbij gebruik wordt gemaakt van zuurstof- en osmiumkatalysatoren.

2. Chemische reacties van propyleenglycol

De chemische eigenschappen van 1,2-propaandiol worden voornamelijk bepaald door de hydroxylgroepen en de reacties zijn kenmerkend voor alcoholen.

Bij verhoogde temperaturen condenseert 1,2-propaandiol met carbonzuren om esters en water te produceren. Het reageert ook gemakkelijk met isocyanaten en zuurchloriden om respectievelijk carbamaten en esters te produceren.

Polycondensatiereacties van 1,2-propaandiol met dizuren resulteren in de vorming van polyesters. Met name onverzadigde polyesters worden in aanzienlijke hoeveelheden geproduceerd door 1,2-propaandiol te laten reageren met maleïnezuuranhydride en andere dizuurcomponenten.

1,2-propaandiol reageert met propyleenoxide om dipropyleenglycol, tripropyleenglycol en polyetherpolyolen te genereren. De polypropyleenglycolethers die uit deze reactie voortkomen, dienen als cruciale industriële bouwstenen voor polyurethaanschuimen en elastomeren.

Vanwege de 1,2-diolstructuur kan 1,2-propaandiol verschillende intrigerende cyclisatiereacties ondergaan. Met aldehyden en ketonen kunnen respectievelijk cyclische acetalen en ketalen worden geproduceerd.

Wanneer 1,2-propaandiol wordt blootgesteld aan verhoogde temperaturen en zure katalysatoren, kan het dehydratatie ondergaan om cyclische ethers op te leveren. Deze dehydratatieproducten zijn doorgaans in lage concentraties aanwezig in waterige bijproductstromen van polycondensatiereacties waarbij 1,2-propaandiol betrokken is.

3. Toepassingen van propyleenglycol

1,2-propaandiol vindt zijn grootste toepassing in de productie van onverzadigde polyesterharsen. Deze harsen worden verkregen door 1,2-propaandiol te laten reageren met verzadigde en onverzadigde carbonzuurdizuren, zoals maleïnezuuranhydride en isoftaalzuur.

De resulterende harsen worden opgelost in styreen of een ander polymeriseerbaar monomeer en gecombineerd met vulstoffen, gehakt glas, peroxidepolymerisatie-initiatoren en andere additieven om een ​​vernet, thermohardend composiet te vormen dat wordt gebruikt in autokunststoffen, bouw en boten van glasvezel.

Deze toepassing is goed voor ongeveer 45% van de totale productie van 1,2-propaandiol.

De FDA heeft 1,2-propaandiol aangemerkt als Generally Regarded As Safe (GRAS), wat heeft geleid tot uitgebreid gebruik in de voedings- en farmaceutische industrie.

Het dient als bevochtigingsmiddel, oplosmiddel en conserveermiddel in voedsel- en diervoedingsproducten.

1,2-propaandiol wordt gebruikt als smeermiddel voor machines, als oplosmiddel bij voedselverwerking, in voedselverpakkingen en als antivriesmiddel in koelwater voor machines.

Het werkt ook als verzachtend middel, weekmaker, bevochtigingsmiddel en drager in cosmetica, huidverzorgingsproducten en veegeneesmiddelen.

Vanwege de bewezen prestaties, lage toxiciteit, biologische afbreekbaarheid en milieuacceptatie wordt 1,2-propaandiol gebruikt in ontdooi- en antivriesvloeistoffen voor vliegtuigen, en biedt het een vorstbescherming die vergelijkbaar is met die van ethyleenglycol, het hoofdbestanddeel van antivriesoplossingen voor auto’s.

1,2-propaandiol heeft in feite het giftigere ethyleenglycol vervangen in antivriescomposities voor auto’s.

Het wordt ook gebruikt als smeermiddel in combinatie met di- en tripropyleenglycolen, als bevochtigingsmiddel voor tabak en als oplosmiddel voor e-sigaretten.

1,2-Propanediol wordt in veel latexverven gebruikt als bescherming tegen bevriezing en ontdooiing en om verdamping in warme en droge omgevingen te beheersen.

Het kan reageren met vetzuren of lange-keten carbonzuren om ester smeermiddelen, emulgatoren en weekmakers te produceren.

Bovendien is 1,2-propanediol een voorloper van talrijke polyether polyolen die worden gebruikt bij de productie van urethaanschuim, elastomeren, kleefstoffen en afdichtingsmiddelen.

Referentie

Chemcess
Chemcess

Ik ben een gepassioneerde organische chemicus en leer voortdurend over verschillende industriële chemische processen en chemische producten. Ik zorg ervoor dat alle informatie op deze website accuraat is en nauwgezet verwijst naar wetenschappelijke artikelen.