增塑劑是聚氯乙烯塑料制品的主要添加劑,鄰苯二甲酸酯類作為主要的增塑劑盡管具有較為優良的使用性能,近年來發現其對人體具有潛在的危害和對環境的污染,各國家和地區已制定一系列法律法規或出臺了一系列政策限制其在兒童玩具、醫用塑料、食品等領域使用。國內隨著日益嚴格的衛生安全要求,所以,用新型環保增塑劑取代傳統增塑劑已經成為大勢所趨。目前增塑劑正朝著相對分子量高、環境友好且易降解的方向發展。
近幾年來,替代鄰苯二甲酸酯類增塑劑的檸檬酸酯、環己烷二羧酸酯類、環氧植物油基類、聚酯類增塑劑的研究取得了一定發展。本文就以上幾個品種增塑劑的最新研究進展進行綜述,提出國內綠色增塑劑的發展建議,以期促進增塑劑行業的快速發展。
1 ·檸檬酸酯類增塑劑
以植物發酵生產的檸檬酸為原料酯化合成的檸檬酸酯增塑劑,作為無毒、安全的綠色增塑劑已在國內外工業化生產。主要品種有檸檬酸三乙酯、檸檬酸三正酯、乙酰檸檬酸三丁酯、檸檬酸三正己酯等。其中TBC 和ATBC 的應用較為普遍。
以乙醇為帶水劑,以檸檬酸和乙醇為原料,進行高純度檸檬酸三乙酯的合成,最佳工藝:催化劑Wellcat-s 用量為檸檬酸質量的1.0%,n(乙醇):n(檸檬酸)=10:1,反應溫度120~130℃,反應時間15h,酯化率99.5%。以可膨脹石墨為催化劑,檸檬酸和正丁醇為原料,合成檸檬酸三丁酯,最佳反應條件:檸檬酸0.2mol,n(檸檬酸):n(正丁醇)=1:4.5,催化劑1.0g,反應時間4.5h,酯化率99.3%,且催化劑可使用6 次。
乙酰檸檬酸三丁酯有很好的安全性與出色的增塑性,被認為是鄰苯二甲酸酯類增塑劑的合格替代品。以乙酸酐和檸檬酸三丁酯為原料,以[NH(CH2)5CO]HSO4酸性離子液體為催化劑合成乙酰檸檬酸三丁酯,乙酸酐用量少,收率98.7%,催化劑重復使用5 次。
以活性炭固載對甲苯磺酸為催化劑,合成了檸檬酸三( 2- 丙基庚)酯,最佳合成條件為: 催化劑用量為檸檬酸質量的1.5%,反應時間6 h,醇酸摩爾比3.7:1,反應溫度140℃,酯化率99.5%。產品可作主增塑劑使用,比TBC、TEHC 更好的熱穩定性。
2 ·環氧植物油基增塑劑
環氧植物油基增塑劑,不僅具有良好的增塑作用,且結構中含環氧基團,能吸收聚氯乙烯(PVC)因光和熱降解出來的氯化氫,可賦予PVC 良好的穩定性。
以絲瓜絡為起始碳源,濃硫酸為磺酸化試劑,制備了絲瓜絡基炭磺酸,以該炭磺酸為催化劑,以雙氧水為氧源,甲酸為活性氧載體,采用無溶劑法合成了環氧大豆油。工藝為:雙氧水24ml、甲酸3.2ml、催化劑0.7g、反應溫度65℃、反應時間3h,所得產品環氧值>6.5%,產品色澤透明。
將大豆油經環氧化制成環氧大豆油(ESO),將ESO 和9,10- 二氫-9- 氧雜-10- 磷雜菲-10- 氧化物(DOPO)為原料,經開環反應,合成植物油基含磷阻燃增塑劑DOPO-ESO。
3 ·環己烷二羧酸酯類增塑劑
環己烷-1,2- 二羧酸二烷基酯類增塑劑是一種非鄰苯二甲酸酯類增塑劑,它具有鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二異壬酯( DINP) 等鄰苯二甲酸酯類增塑劑類似的結構,具備DOP 和DINP 的性能,且可生物降解,無毒環保,使用價值更高,是鄰苯二甲酸酯最為適宜的替代品。
環己烷-1,2- 二羧酸二異壬酯(DINCH)是一種專為醫療設施、食品包裝、兒童玩具等PVC 的敏感性應用。歐遠輝等[7]以六氫苯酐、異壬醇為原料,合成環己烷-1,2-二羧酸二異壬酯,最佳工藝條件:反應溫度230℃,反應時間4h,n(異壬醇):n(六氫苯酐)=2.8,催化劑0.25%。該催化劑具有廉價易得、催化活性好、不腐蝕設備、無環境污染等優點。
以環己烷-1,2- 二甲酸酐與異辛醇為原料,甲烷磺酸為催化劑,合成了DEHCH,最佳合成工藝為:醇酐摩爾比為2.6:1.0,催化劑用量為酸酐質量的0.25%,反應溫度170℃,反應時間2h,酯化率97.89%。DEHCH與DEHP 有著相似的增塑性能,可以作為一種替代鄰苯二甲酸酯類的增塑劑。
德國巴斯夫公司針對傳統鄰苯二甲酸二元酯類增塑劑的致癌性,開發了一種創新的非鄰苯二甲酸酯類增塑劑環己烷-1,2- 二甲酸二元酯。它是一種無色透明、幾乎無味的液體,專為PVC 的敏感性應用而開發,在歐洲經過嚴格的毒理測試,可以通過RoHS、PAHS、無P 等各項歐盟認證,用于高端的PVC 制品,成為玩具、食品包裝、醫療用品等敏感軟質PVC 產品的第一選擇。
4 ·聚酯類增塑劑
聚酯類增塑劑被稱為“永久型增塑劑”,其高分子量,具有低揮發性、耐久性、耐油及溶劑抽提性的優點,且與高分子材料有較好的相容性,是未來增塑劑發展的方向。以己二酸和四甘醇單體為原料,經酯化、縮聚合成聚(己二酸- 四甘醇酯)聚酯增塑劑,合適工藝條件:醇酸摩爾比為1:1,催化劑用量為0.15%(原料的總質量),常壓反應7h,-0.095MPa 真空195℃下反應2.5h,得到粘度適中的聚(己二酸- 四甘醇酯)。
以1,2-丙二醇或二甘醇為溶劑,將工業副產物尼龍酸及活性炭按一定比例混合,N2 保護下加熱攪拌、溶解、經過一定時間后,熱濾得尼龍酸二元醇溶液,再經酯化、縮聚等反應,合成了一系列環保型的尼龍酸聚酯增塑劑。
5· 結語
綜上所述,安全環保、低廉高效的綠色增塑劑代替傳統鄰苯二甲酸酯類是增塑劑行業發展的必然趨勢,檸檬酸酯、環氧植物油基和聚酯等無毒、耐久等綜合性能好的增塑劑品種的使用,發達國家占有比例高,而我國則很低,一些特殊用途的綠色增塑劑仍然需要進口,產業結構極其不合理,因此,我們在面對全球增塑劑行業生產大型化、產品規格細化、多功能化和環保化發展的趨勢,應建立增塑劑產學研用聯合機制,通過立法限制和政策引導相結合等方式激勵增塑劑的應用基礎研究和新技術開發工作,本著節約、環保、安全的原則,以油脂、檸檬酸等可再生綠色資源為原料,采用適合工業化生產的新催化劑和新合成工藝,降低成本,提高質量,研究和開發綜合性能好、實用性強、加工性能理想、價廉、原料易得、可生物降解的綠色環保增塑劑,促進國內增塑劑產業的技術進步,打破技術貿易壁壘,重新占領國際市場,獲得更大的經濟效益。