CN105038027B - 金属氧化物‑己六醇复合物热稳定剂、制备方法及在pvc中的应用 - Google Patents
金属氧化物‑己六醇复合物热稳定剂、制备方法及在pvc中的应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金属氧化物‑己六醇复合物热稳定剂、制备方法及应用,所述热稳定剂由己六醇与金属氧化物反应后生成的复合物,包括己六醇金属盐、金属氧化物、己六醇、脱水己六醇。本发明合成的金属氧化物‑己六醇复合物热稳定剂,无毒环保,熔点低,易分散,与PVC基体相容性好,初期着色性良好,长期稳定性佳,兼具较好的润滑性,解决了目前环保型PVC热稳定剂热稳定效果不佳的难题。其中优选条件下制备的氧化锌‑甘露糖醇复合物应用于PVC时,热稳定时间可达240分钟,解决了目前环保型PVC热稳定剂热稳定效果不佳的难题。
Description
技术领域
本发明涉及塑料加工助剂领域,尤其涉及一种PVC用金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂、制备方法及在PVC中的应用。
背景技术
聚氯乙烯(PVC)是产量和用量最大的通用塑料之一,具有强度高、绝缘性好、耐腐蚀、阻燃等优点,广泛应用于防撞护栏、水管、门窗异型材、电缆、食品包装、医疗器材等领域。在高于130℃时PVC会发生降解,而其加工温度一般在160℃以上,在加工温度下,PVC易脱除氯化氢,生成的氯化氢进一步催化PVC的降解,产生“拉链”式降解反应,使PVC力学性能下降,颜色泛黄、泛红甚至发黑。因此PVC加工时必须加入热稳定剂,以抑止PVC的热降解。
一般而言,PVC热稳定剂具有以下特征:1.能有效取代PVC的活泼氯原子,相当于消除或屏蔽热降解引发位,这类热稳定剂能有效抑制PVC的初期着色;2.吸收氯化氢,抑制并消除氯化氢的自催化降解作用,延缓PVC的热降解,这类热稳定剂不能有效抑制初期着色,但能提高其长期的热稳定性。单一的热稳定剂难以达到较为理想的热稳定效果,因此需要将不同种类的热稳定剂和其他助剂复配,利用不同组分间存在的协同作用,满足实际应用的要求。
随着环保要求的提高,传统的铅系、镉系热稳定剂因其毒性而逐渐被淘汰。发达国家多采用有机锡热稳定剂,但是价格相对昂贵。近年来研究者一直着力于环保型PVC热稳定剂的开发和推广。钙锌类热稳定剂是一种环境友好型热稳定剂,主要由长链脂肪酸钙盐和锌盐复配而成,锌盐能取代活泼氯原子,具有良好的初期着色性,而且能有效吸收氯化氢。但锌盐与氯化氢反应后生成的氯化锌是一种强的Lewis酸,加工后期会极大地加速PVC降解,发生锌烧。钙盐虽然对氯化氢吸收能力较弱,但能活化锌盐,从而抑止锌烧。钙锌热稳定剂无毒环保,但热稳定效果不够理想,需要添加其他辅助热稳定剂配合使用。
辅助热稳定剂热稳定效果有限,一般不单独使用,但能与主稳定剂产生协同作用,充分发挥热稳定功效。常用的辅助热稳定剂有环氧化合物、β-二酮、亚磷酸酯、多元醇等。Leonardus等人研究了天然多元醇辅助稳定剂对PVC热稳定性的影响,结果表明其能提高PVC的长效热稳定性(Johan Steenwijk,Daan S.van Es,Jacco van Haveren,John W.Geusand Leonardus W.Jenneskens,The effect of(natural)polyols on the initialcolour of heavy metal-and zinc-free poly(vinyl chloride),Polym.Degrad.Stab.,2006,91,2233-2240)。季戊四醇是一种常见的辅助热稳定剂,但季戊四醇与PVC相容性不好,分散性较差,容易在加工过程中析出,难以充分发挥热稳定作用。专利文献US4544761、CN103627117A公布了季戊四醇盐可作为热稳定剂使用,热稳定性能良好。相比季戊四醇,己六醇的熔点低于PVC的加工温度,能确保在加工过程中分散良好,而且己六醇的羟基含量高,其羟基/碳原子摩尔比=1:1,高于季戊四醇(羟基/碳原子摩尔比=4:5),具有更高的氯化氢吸收容量。专利文献CN1844210A公布了将甘露糖醇和其他多元醇的混合物与钙锌热稳定剂配合使用,但是该专利文献报道的稳定剂的热稳定性和分散性有待进一步提高,而且上述文献报道的稳定剂的制备方法比较繁琐,需要多步处理工艺,目前尚无将己六醇与金属氧化物反应制备复合热稳定剂的报道。
发明内容
本发明合成了一种分散性好、无毒环保、长期热稳定性佳的PVC用的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂。
本发明同时提供了一种金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂的制备方法,该方法工艺简单,操作方便,适于工业化大生产。
本发明同时提供了一种上述金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂在PVC中的应用。
一种金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,由己六醇与金属氧化物反应后生成的复合物,包括己六醇金属盐、金属氧化物、己六醇、脱水己六醇。
作为优选,其中金属氧化物与己六醇的摩尔比为0.05~10。当金属氧化物含量低时,其对氯化氢的捕获效率较差,热稳定效果不佳;而金属氧化物含量高时,金属氧化物与己六醇的协同作用不足,热稳定效果不佳。作为进一步优选,所述金属氧化物与己六醇的摩尔比为0.3~3,更进一步优选为0.3~2,在此范围内金属氧化物与己六醇协同作用明显,热稳定效果好。
作为优选,本发明所述的金属氧化物为氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铝、氧化镧中的至少一种。其热稳定效果排序如下:锌基>铝基>镧基>钙基>镁基。其中锌与氯化氢的反应能力强,效果最好;铝的反应能力弱于锌,但是铝离子为三价,能吸收更多的氯化氢,因此热稳定效果好;镧的反应能力强,但是原子质量大,等质量热稳定剂含有的镧元素摩尔数少,因此热稳定效果次之;而钙和镁的反应能力差,其热稳定效果一般。所以,作为进一步优选,所述金属氧化物为氧化锌、氧化铝、氧化镧中的至少一种,更进一步优选为氧化锌。
作为优选,所述的己六醇为甘露糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇中的至少一种,其结构式如下式(I)所示。采用不同的己六醇制备的热稳定剂,热稳定效果排序如下:山梨糖醇>甘露糖醇>半乳糖醇。由于分子构型不同,山梨糖醇、甘露糖醇、半乳糖醇熔点分别为95、166、189℃,而硬质PVC加工温度一般为180℃,山梨糖醇和甘露糖醇在PVC中熔融分散良好,因此热稳定效果佳,而半乳糖醇熔点高于PVC的加工温度,因此分散性不如山梨糖醇和甘露糖醇,因此热稳定效果一般。所以,作为进一步优选,所述的己六醇为甘露糖醇、山梨糖醇中的一种或者两种。
作为对上述两类技术方案的进一步优选,所述的金属氧化物为氧化锌、氧化铝中的一种或两种时,所述的己六醇为甘露糖醇、山梨糖醇中的一种或两种。所述的金属氧化物与己六醇的摩尔比为0.4~1,选择上述组合时,得到的复合热稳定剂的刚果红热稳定时间均高于180min以上,远远高于现有技术中的热稳定性数据。
本发明所述的金属氧化物-己六醇复合物的制备方法如下:按金属元素与己六醇的摩尔比,在空气气氛中将两种物质搅拌混合一段时间后,再在一定温度下发生己六醇脱水、金属氧化物与己六醇反应生成醇盐等,最终得到金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂。以氧化锌为例,其反应式如下式(II)和(III)所示:
作为优选,本发明所述的金属氧化物-己六醇复合物制备的反应条件如下:反应的温度为100~220℃,时间为0.5~6小时,搅拌速率为10~120rpm。优选反应温度为180~200℃,温度较低时,不利于脱水反应的进行;温度过高时,己六醇发生明显的氧化反应。优选反应时间为2~4小时,反应时间太短,金属氧化物和己六醇反应不充分;反应时间太长,己六醇被氧化。优选搅拌速率为50~80rpm,搅拌速率太低,混合不充分,搅拌速率太高,混合效果不再提升,浪费电能。
本发明同时提供了一种上述金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂在PVC中的应用。
作为优选,在PVC中应用时,上述金属氧化物-己六醇复合物的加入量为2-5phr(每100克PVC树脂中添加助剂的克数)。实际应用过程中,直接将本发明制备得到的金属氧化物-己六醇复合物稳定剂及其它助剂与PVC粉末混合即可。
本发明中的金属氧化物-己六醇复合物的特点是以低熔点的己六醇和金属氧化物作为反应物,在高温条件下脱水生成己六醇金属盐,以及己六醇分子内脱水形成1,4-脱水己六醇和1,4:3,6-二脱水己六醇,反应产物为金属氧化物、己六醇、己六醇金属盐、脱水己六醇的混合物。所述的金属氧化物-己六醇复合物可用作PVC热稳定剂,该复合物产生协同作用,不仅具有较好的初期着色性,而且长期热稳定性佳。
本发明合成的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,无毒环保,熔点低,易分散,与PVC基体相容性好,初期着色性良好,长期稳定性佳,兼具较好的润滑性,解决了目前环保型PVC热稳定剂热稳定效果不佳的难题。其中优选条件下制备的氧化锌-甘露糖醇复合物应用于PVC时,热稳定时间可达240分钟,解决了目前环保型PVC热稳定剂热稳定效果不佳的难题。
本发明的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,制备方法简单,可工业化生产,且组分简单,可替代目前市场上的普通钙锌稳定剂,具有良好的市场化前景。
具体实施方式
实施例1金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂的制备
将甘露糖醇(5.47g,0.03mol)和氧化锌(2.44g,0.03mol)按照摩尔比1:1的比例加入到250mL三口烧瓶中,采用机械搅拌,搅拌速率为50rpm,在空气气氛下,在200℃油浴中反应2小时。冷却后,将产物研磨成细粉,用200目钢筛筛分,得到氧化锌-甘露糖醇复合物。
实施例2~5
采用实施例1的方法制备金属氧化物-己六醇复合物,不同的是改变金属氧化物的种类,见表1。
表1
实施例序号 | 金属氧化物(mol) | 己六醇(mol) |
2 | 氧化镁(0.03) | 甘露糖醇(0.03) |
3 | 氧化钙(0.03) | 甘露糖醇(0.03) |
4 | 氧化铝(0.03) | 甘露糖醇(0.03) |
5 | 氧化镧(0.03) | 甘露糖醇(0.03) |
实施例6、7
采用实施例1的方法制备金属氧化物-己六醇复合物,金属氧化物为氧化锌,改变的是己六醇的种类,见表2。
表2
实施例序号 | 金属氧化物(mol) | 己六醇(mol) |
6 | 氧化锌(0.03) | 山梨糖醇(0.03) |
7 | 氧化锌(0.03) | 半乳糖醇(0.03) |
实施例8~11
采用实施例1的方法制备金属氧化物-己六醇复合物,金属氧化物为氧化锌,己六醇为甘露糖醇,不同的是改变金属氧化物与己六醇的摩尔比,见表3。
表3
实施例序号 | 金属氧化物(mol) | 己六醇(mol) | 金属氧化物:己六醇的摩尔比 |
8 | 氧化锌(0.0033) | 甘露糖醇(0.03) | 1:9 |
9 | 氧化锌(0.0129) | 甘露糖醇(0.03) | 3:7 |
10 | 氧化锌(0.07) | 甘露糖醇(0.03) | 7:3 |
11 | 氧化锌(0.27) | 甘露糖醇(0.03) | 9:1 |
注:实施例1中,氧化锌与己六醇的摩尔比为5:5。
实施例12刚果红法表征PVC的热稳定性
称取一定量的实施例1制备的氧化锌-甘露糖醇复合物,按照4phr(每100克PVC树脂中添加助剂的克数)的比例加入到PVC-SG5粉末中,然后在高速混料机中混合均匀。取1.0g该粉末,加入到试管中,根据国际标准ISO 182/1-1990,测定刚果红热稳定时间。测试温度为180℃,刚果红试纸下端距离粉末2cm。该组样品热稳定时间为240min。
对比例1
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,不添加热稳定剂。作为空白对照样,该组样品的热稳定时间为4min。
对比例2
将市售的某品牌钙锌热稳定剂(型号MC 123R)研磨成细粉,用200目钢筛筛分。采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,添加市售的钙锌热稳定剂。作为对照实验,该组样品热稳定时间为41min。
实施例13~16
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,分别添加实施例2~5所制备的金属氧化物-己六醇复合物,其热稳定时间见表4。
表4
实施例序号 | 选用热稳定剂及序号 | 热稳定时间(min) |
13 | 氧化镁-甘露糖醇复合物,2 | 57 |
14 | 氧化钙-甘露糖醇复合物,3 | 75 |
15 | 氧化铝-甘露糖醇复合物,4 | 205 |
16 | 氧化镧-甘露糖醇复合物,5 | 173 |
实施例17、18
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,分别添加实施例6和7所制备的金属氧化物-己六醇复合物,其热稳定时间见表5。
表5
实施例序号 | 选用热稳定剂及序号 | 热稳定时间(min) |
17 | 氧化锌-山梨糖醇复合物,6 | 252 |
18 | 氧化锌-半乳糖醇复合物,7 | 130 |
实施例19~22
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,分别添加实施例8~11所制备的热稳定剂,其热稳定时间见表6。
表6
实施例序号 | 选用热稳定剂及序号 | 热稳定时间(min) |
19 | 氧化锌-甘露糖醇复合物(1:9),8 | 78 |
20 | 氧化锌-甘露糖醇复合物(3:7),9 | 183 |
21 | 氧化锌-甘露糖醇复合物(7:3),10 | 143 |
22 | 氧化锌-甘露糖醇复合物(9:1),11 | 52 |
对比例3
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,添加甘露糖醇作为热稳定剂。作为对照,该组样品热稳定时间为6min。由于未加入金属氧化物,单独的甘露糖醇几乎没有热稳定效果。
对比例4
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,添加氧化锌作为热稳定剂。作为对照,该组样品热稳定时间为25min。作为碱性氧化物,氧化锌具有吸收氯化氢的能力,但氧化锌未与多元醇复合时,无协同作用,单独的氧化锌热稳定效果不佳。
对比例5
采用实施例12的方法混合和测试样品,不同之处在于,分别添加文献CN1844210A中实施例1-12的产品作为热稳定剂。作为对照,该组样品热稳定时间均小于40min。
Claims (6)
1.一种金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,其特征在于,所述的金属氧化物-己六醇复合物为金属氧化物与己六醇反应后生成的复合物,包括金属氧化物、己六醇、脱水己六醇、己六醇金属盐;
所述金属氧化物与己六醇的摩尔比为0.05~10;
所述的金属氧化物选自氧化镁、氧化钙、氧化锌、氧化铝、氧化镧中的至少一种;
所述的己六醇为甘露糖醇、山梨糖醇、半乳糖醇中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,其特征在于,所述金属氧化物与己六醇的摩尔比为0.3~3。
3.根据权利要求1所述的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,其特征在于,所述金属氧化物为氧化锌、氧化铝、氧化镧中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂,其特征在于,所述的己六醇为甘露糖醇、山梨糖醇中的至少一种。
5.一种权利要求1~4任一权项所述的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂的制备方法,其特征在于,包括;将金属氧化物与己六醇加热至100~220℃,搅拌下反应0.5~6小时,冷却得到金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂。
6.根据权利要求5所述的金属氧化物-己六醇复合物热稳定剂的制备方法,其特征在于,将金属氧化物与己六醇加热至180~200℃,反应时间为2~4小时。
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