环保型CaZn复合热稳定剂的研究现状和发展方向
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环保型Ca/Zn复合热稳定剂的研究现状和发展方向陈 语1*,徐会志2,唐 伟2,谭莉莉2,金可刚2,单雅丽2(1.浙江工业大学经贸管理学院,浙江杭州310023;2.浙江传化华洋化工有限公司,浙江杭州311231)
[关键词]PVC;Ca/Zn;环保型;复合稳定剂[摘 要]重点阐述了国内外PVC用环保型Ca/Zn复合稳定剂的研究现状及发展方向。 [中图分类号]TQ325.3 [文献标志码]A [文章编号]1009-7937(2008)03-0004-05
Thecurrentresearchsituationanddevelopmenttrendofenvironment-friendlyCa/ZncompositeheatstabilizerCHENYu1,XUHui-zhi2,TANGWei2,TANLi-li2,JINKe-gang2,SHANYa-li2(1.ColloegeofBusinessandAdministration,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310016,China;2.ZhejiangTransfarWhyyonChemicalCo.,Ltd.,Hangzhou311231,China)
Keywords:PVC;Ca/Zn;environment-benign;composititeheatstabilizerAbstract:Thecurrentresearchsituationanddevelopmenttrendofenvironment-friendlyCa/ZncompositeheatstabilizersforPVCathomeandabroadwerediscussedemphatically.
聚氯乙烯(PVC)是世界上通用的五大合成树脂之一,因其具有优越的综合性能而广泛应用于工业建筑、农业、日用品等各个领域,目前产量仅次于聚乙烯(PE),居世界第2位[1-3]。由于PVC加工热稳定性差,所以在其成型加工时必须加入热稳定剂,常用的热稳定剂主要有铅盐类、金属皂类、有机锡类、稀土类和Ca/Zn类等稳定剂[4-6]。由于铅盐稳定剂价格低廉、热稳定效果好,所以是用量最大的热稳定剂,但其毒性大,严重危害人体健康并污染环境,从20世纪90年代起,世界上,尤其是西方国家禁止热稳定剂中含铅、镉等有毒金属的呼声日益高涨[7-9]。2003年1月27日,欧盟已正式公布了5报废电子电器设备指令6(WEEE)和5关于在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令6(RoHS)[10]。指令要求从2006年7月1日起,禁止在欧盟市场销售含有铅、汞、镉、+6价铬、多溴联苯及多溴二苯醚6种有害物质的电子电气设备[11];2006年5月,ESPA和EuPC共同承诺欧盟将在2015年全面禁止使用含铅PVC稳定剂,而欧盟Vinyl2010也于2006年末禁止了含镉稳定剂的使用[12]。因此,目前在世界范围内,无毒、无污染、复合和高效已成为PVC热稳定剂不可逆转的发展趋势[13-16],而无毒Ca/Zn热稳定剂是世界上公认的无毒、环保型热稳定剂,且具有价格低廉、润滑性良好等优点,具有极广阔的发展空间[17-18]。1 环保型Ca/Zn复合稳定剂的研究现状Zn皂稳定剂对PVC的稳定性较差,属于短效热稳定剂,而且容易出现/锌烧0(主要是产生的ZnCl2为强路易斯酸,具有催化脱HCl的作用)现象,但具有初期着色性优良、耐候性强等优点。Ca皂热稳定剂属于长效热稳定剂,稳定性较差,着色性强,但无毒,具有优良的润滑性。Ca/Zn复合热稳定剂就是利用两者具有的协同效应,使其成为近年来复合稳定剂中最活跃的研究领域[19-21]。同时,为了提高其稳定性,在合成过程中通常要添加一些辅助稳定剂(如,季戊四醇等多元醇、水滑石、亚磷酸
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第36卷 第3期2008年3月 聚氯乙烯PolyvinylChloride Vol.36,No.3 Mar.,2008
*[收稿日期]2007-10-18;[修回日期]2007-10-23[作者简介]陈 语(1984)),女,硕士,现于浙江工业大学经贸管理学院从事人力资源管理方面的研究。酯、B-二酮和环氧大豆油等化合物)等来改善Ca/Zn羧酸盐的性能,调整Ca/Zn羧酸盐的比例也可以使其性能有一定程度的改善[22-23]。Ca/Zn复合稳定剂分为固、液两种,主要用于食品包装、玩具和输血管等无毒应用领域,现在主要有以下5种基础体系[24]。(1)以多元醇、Ca皂和Zn皂为基础。多元醇通过螯合金属离子,可以防止氯化物催化降解;同时,在金属皂的存在下,可以置换烯丙基氯,从而使PVC稳定。(2)以羟基碳酸镁化合物为基础。(3)以钙/铝-羟基亚磷酸酯为基础。亚磷酸酯首先置换烯丙基氯,在金属皂的存在下,亚磷酸酯与金属螯合或者与金属氯化物生成亚磷酸盐,从而抑制其在脱HCl过程中的催化作用;此外,亚磷酸酯还可以分解过氧化物,并与多烯烃加成。(4)以沸石、水滑石为基础。沸石、水滑石的层间阴离子先与HCl发生反应,形成Cl-为层间阴离子的HT;其后,层状水滑石本身与HCl反应,同时层状结构完全被破坏,形成金属氯化物。所有这类体系都包含有机辅助稳定剂、抗氧剂和润滑剂,是多功能化的/一包化0热稳定剂体系,有利于稳定剂在PVC中的分散,且避免了粉尘污染,为缩短混料周期和自动化操作等提供了较大的方便。(5)Ca/Zn多元复合稳定剂。除Ca/Zn复合稳定剂外,还出现Ca/Zn/Sn、Al/Ca/Zn、Ca/Zn/Mg和Re/Zn稀土复合稳定剂等新品种。因此,环保型Ca/Zn复合热稳定剂作为最具有发展前景的稳定剂品种,受到了国内外众多企业和学者的重视,并对其进行了广泛的研究和应用[25-37]。1.1 国内环保型Ca/Zn复合稳定剂的研究现状福建师范大学林美娟等[25-26]合成了与B-二酮及Ca/Zn皂之间有良好协同稳定作用的螯合剂,并将Ca/Zn皂、螯合剂等多种组分复配制备出高效Ca/Zn复合热稳定剂,同时研究了螯合剂对热稳定性能的影响,考察了Ca/Zn复合热稳定剂在软质、硬质PVC配方中的应用,着重研究了体系的静态热稳定性和抗紫外性能。结果表明,所研制的螯合剂能显著改善体系的长期热稳定性,并与B-二酮和Ca/Zn皂间有良好的协同稳定作用;Ca皂、Zn皂的静态、动态热稳定时间分别为CaSt2、ZnSt2的2倍,当w(Ca)Bw(Zn)=6B4时,PVC试样于195e条件下刚果红变色时间为27min,初期着色性好,长期稳定性高,且有很好的抗紫外老化性能。中国专利101041729[27]介绍了采用高级脂肪酸与钙锌氧化物或氢氧化物,在复合催化剂存在下,一步熔融法直接合成脂肪酸钙、脂肪酸锌,进一步与水滑石、B-二酮、双酚A等复配得到环保型Ca/Zn复合热稳定剂。与传统水溶液皂化法相比,该方法实现一步合成高级脂肪酸钙、脂肪酸锌,转化率均接近100%,设备利用率由原来的10%左右提高到85%以上,减少了过滤、洗涤、脱水、干燥等工序,生产环节短,生产周期由原来的15h缩短至6h左右,生产成本低,无/三废0排放,具有明显的技术和经济优势,复配后的Ca/Zn复合热稳定剂静态老化实验变黄时间达到60min以上,刚果红实验变色时间达到42min以上。唐赢等[28]利用自行新研制的大分子、高含锌(MHZn)热稳定剂,与ZnSt2进行了静态热稳定实验对比,并同CaSt2进行了复配研究。将该组分用于PVC制品,进行了静态热稳定性、动态热稳定性和PVC材料融合实验等测试,在测试基础上用于PVC软质制品、半软质制品、硬质制品的初步配方研究和制样,并对样品进行了力学性能测试。结果表明,利用该化合物复配的MHZn/CaSt2复合热稳定剂,通过润滑剂系统的进一步配合设计,可以作为PVC异型材、管材、片材、医用塑料、食品包装、玩具等的无毒环保型加工助剂。中国科学院广州化学研究所刘艳斌等[29-30]通过碱中和法制备了庚二酸钙、壬二酸钙和壬二酸锌,采用复分解反应法制备了二聚酸钙,同时采用刚果红法与热烘法研究了二元羧酸盐热稳定剂对PVC的热稳定作用。结果表明,二元羧酸盐具有较好的热稳定性,尤其是壬二酸钙,因其金属含量高且与PVC糊的相容性好,使其具有相对较好的热稳定性和初期着色性。郑国雄等[31]合成一种含非对称结构的新型Ca/Zn热稳定剂,通过正交实验筛选出其与辅助稳定剂协同作用的最佳配方:Ca/Zn皂[w(Ca)Bw(Zn)=2.7B3]、B-二酮、季戊四醇单十六酸酯、亚磷酸三苯酯的最优配方,即w(Ca/Zn皂)Bw(B-二酮)Bw(季戊四醇单十六酸酯)Bw(亚磷酸三苯酯)=100B0.2B0.75B0.75,同时研究了新型Ca/Zn复合稳定剂对PVC热稳定性和力学性能的影响。结果表明,非对称结构Ca/Zn复合稳定剂的热稳定性能优于其他对比用热稳定剂,当Ca/Zn复合稳定剂用量为4份时,PVC的热稳定性和力学性能5
第3期 陈 语等:环保型Ca/Zn复合热稳定剂的研究现状和发展方向 综述最佳。蒋金博等[32]采用环己二醇二缩水甘油醚作为辅助热稳定剂,与Ca/Zn稳定剂复配,通过刚果红热稳定测试,研究了它们相互间的协同作用及机理。结果表明,环己二醇二缩水甘油醚与Ca/Zn复合稳定剂有很好的协同作用,能有效地抑制Ca/Zn复合稳定剂在使用中的/锌烧0现象。当w(Ca)Bw(Zn)=3B1时,热稳定性最好,热稳定时间为38min。郭立新等[33-34]以一种简便的方法制备了以环氧脂肪酸钙、环氧脂肪酸锌为主,环氧基保留完好的高纯度环氧脂肪酸固体Ca/Zn复合稳定剂。研究发现,环氧脂肪酸钙、环氧脂肪酸锌稳定剂对PVC的热稳定作用类似于CaSt2、ZnSt2稳定剂,但其热稳定性能明显优于后者,且具有较好的初期着色性。可用于无毒制品,具有良好的社会效益和经济效益。王大年等[35]申请的专利CN101007878采用柱撑水滑石、不饱和脂肪酸稀土、直接合成法环氧脂肪酸钙/锌,经合理设计,选择最佳的协同效应,进行化学合成、改质处理、优化复配等,制备了一种PVC用水滑石-稀土-Ca/Zn稳定剂。该产品具有卓越的长期热稳定效果及优良的初期着色性、透明性、耐候性,塑化性能好,并可提高制品质量,高效、无毒、无污染、成本低廉,可替代价格昂贵的有机锡热稳定剂,广泛适用于上水管材、型材、透明粒料、薄膜、医用器械、玩具、冰箱封条及箱体板材等PVC制品加工中,具有广阔的市场前景。许家友等[36]通过荧光发射光谱、红外光谱和光电子能谱研究了季戊四醇与ZnSt2和ZnCl2的络合作用,以及PVC/ZnSt2/季戊四醇体系在170e共混过程中的结构变化。结果表明,季戊四醇与ZnSt2和ZnCl2形成络合物,在加工过程中无游离的ZnCl2生成,季戊四醇与ZnCl2形成的络合物抑制了ZnCl2对PVC的催化降解,从而抑制了/锌烧0。1.2 国外环保型Ca/Zn复合稳定剂的研究现状国外也有许多公司和学者对环保型Ca/Zn复合稳定剂进行了研究与开发,目前比较有影响力的公司有:¹美国科聚亚公司,主要生产MarKCZ系列液体、粉体Ca/Zn产品,可用于PVC压延、挤出、造粒等工艺及其他复合稳定剂等;º德国熊牌公司,主要生产MC系列,用于PVC电线、电缆料加工;BS系列,用于浸塑、滚塑、压延工艺及制品;SMS系列,可用于管道、管件制品;»日本艾迪科(旭电化)公司,主要产品有RX系列粉状钙/镁/锌产品,用于PVC异型材;¼其他公司,如罗门哈斯公司和阿科玛化学有限公司等。当然,产品的出现离不开众多学者的研究。1999年,HayriBaltacloglu等[37]利用量热仪和光谱等方法研究了ZnSt2、环氧大豆油(ESO)和增塑剂DOP对PVC材料热稳定性能的影响。研究表明,加入一定量的助剂后,PVC材料的颜色变化时间和黄色指数都有不同程度的提高。在140e下,PVC脱HCl的速率随添加助剂类型和量的变化而变化,一定配比的ZnSt2、ESO和DOP对PVC材料热稳定性能的提高具有明显的协效作用。BalkoseD[15]等学者研究了不同配比Ca皂、Zn皂稳定剂对PVC稳定性的影响。利用X射线衍射仪等方法表征了金属皂,并将加入Ca/Zn稳定剂的PVC薄膜在160e加热30min后,对其进行稳定性检测。加热后的薄膜利用红外和可见紫外光谱、DSC和TGA等方法进行表征,并研究了Zn2+、Ca2+和H+在水中的迁移性。结果表明,当Ca皂和Zn皂的质量比在(1B1)~(4B1)之间时,金属皂的分散在分子水平;当Ca皂和Zn皂的质量比为4B1时,Zn2+在水中有最小迁移率。利用UV光谱和阳离子迁移表征了Ca/Zn稳定剂[w(Ca)Bw(Zn)=4B1]的协同配位作用。Gonzalez-OrtizLJ[20]等将硬脂酸、增塑剂(DEHP)和ESO及不同比例的Ca/Zn硬脂酸盐等加入PVC中,研究硬脂酸的预加热对PVC在加工过程中和加工后的热稳定性影响。PVC材料的制备方法为:¹将各种组分物理混合,制得复合物;º将干法制得的复合物磨细;»将粉料挤出成条状。加工过程中的稳定性能可通过力学性能的测试和挤出料颜色的对比来确定。PVC加工后热稳定性的研究:¹粒料加热后释放HCl量的计量,º加热后样条颜色的变化。研究表明,PVC粒料在硬脂酸预加热处理前后刚性稍微发生了一点变化,处理前刚性稍大;而硬脂酸预加热处理对体系的初期着色性影响不大;同时具体讨论了硬脂酸的预加热处理对不同体系热稳定性的影响,为硬脂酸在Ca/Zn稳定剂复配体系中的应用奠定了理论基础。EgbuchunamTO[14]等采用橡胶油(RSO)、氧橡胶油(ERSO)和Zn皂进行复配,并研究了复配体系对PVC热稳定性的影响。同时利用IR、XRD和SDSC等研究了体系的晶体结构、形态和热稳定性等。结果表明,含有ESO的Zn皂很好地阻止了6