CN110312739A - 减少碎裂的聚烯烃稳定剂 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有选定的热稳定剂和加工稳定剂的聚烯烃组合物,使得从聚烯烃产生较少的污染物。
Description
技术领域
本发明涉及一种包含稳定剂的聚烯烃组合物和使用这种聚烯烃组合物制成的制品,如管道、包装,尤其是食品包装制品等。
背景技术
聚合物的制造和加工的最新进展使塑料几乎应用于现代生活的各个方面。然而,聚合物化合物在氧化剂、光和热的作用下易于老化。这会导致寿命损失,如强度、刚度和柔韧性的损失,变色和划痕,以及光泽的损失。
本领域众所周知的,稳定剂如抗氧化剂可以防止或至少减少这些影响。然而,由于这些稳定剂通常具有远低于聚烯烃的分子量,关于聚烯烃组合物中抗氧化剂的存在的另一个重要问题是旨在减少抗氧化剂或从其接收的产品迁移到介质中,例如由这种聚烯烃组合物制成的管道中的水中或由这种聚烯烃组合物制成的包装制品的食品中。
在管道输送饮用水的情况中,这一点尤为重要。由于与内管道表面的永久接触,化合物可以从管道材料迁移到水中。饮用水中允许的化合物量由法律要求确定,欧洲或其他国家甚至要求更严格的要求。这不仅适用于稳定剂本身,而且在某种程度上也适用于由这种稳定剂的碎裂而产生的产品。
在食品包装或食品器具领域中存在类似的要求,然而,这里可能会出现一些困难,因为这里也提取到非均匀介质中起作用。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种聚合物组合物,其一方面显示出足够的稳定性,另一方面导致不希望的化合物的较少释放。
该目的通过根据本发明的权利要求1的聚合物组合物来解决。因此,提供了一种聚烯烃组合物,其包括聚烯烃、自由基清除剂和加工稳定剂,其中自由基清除剂包括选自具有第一结构(I)的第一化合物的化合物,
其中R1至R6彼此独立地为烷基,优选为甲基、乙基、异丙基、丁基和叔丁基。
R7至R9彼此独立地为烷基,优选为甲基,或=O,其中R7至R9中的任何一个可以与最接近的标有“*”的碳原子连接,形成六元环。
X1至X3彼此独立地为C或N,
并且分子的中心环为芳香环;
选自第二结构A-B-A的第二化合物,其中A具有以下结构:
其中R1至R5独立地选自氢或烷基,优选为甲基、乙基、丙基、正丁基、叔丁基,条件是R1和R2之一以及R3和R4之一不是氢,并且其中A和B经由标有“*”的碳连接,
并且B选自包含具有2至6个碳原子的烷基桥的基团或-[CH2]n-C=X-O-[CH2]m-O-C=X-[CH2]n-,其中n为0至4的整数,X为O、S或两个氢原子,m为2至6的整数。
或其混合物。
加工稳定剂基本上不包含具有2,4-取代酚部分的可水解的亚磷酸酯化合物。
术语亚磷酸酯(或亚膦酸酯)是指和/或涉及聚烯烃中使用的主要化学类加工稳定剂。关于典型分子的概述在Plastics Additive Handbook(Hanser Publishers,5thEdition(2001))的第109-112页给出。可以注意的是,亚磷酸酯中优选的亚类包含2,4-取代酚部分。该化学类的主要化学和优点在同一参考文献的第14页中列出。还注意到的是(在同一页上)这一化学类的主要弱点;它对水解的敏感性。
术语“可水解的亚磷酸酯”特别是指和/或涉及在第45页的底部和第47页的底部(上述出版物)中描述的效果。尽管水解速率存在差异,以不同的速率产生碎裂产物,但普遍认为所有常用的亚磷酸酯都进行水解。
令人惊讶的是,已经发现通过使用这种聚烯烃组合物,对于大多数应用,可检测的污染物,特别是由稳定剂碎裂而产生的污染物显著减少,同时仍然提供聚烯烃的合适稳定性。
本发明还涉及一种稳定剂组合物的用途,该稳定剂组合物包括自由基清除剂和加工稳定剂,该自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,该加工稳定剂基本上不包含2,4-取代酚部分,以减少污染物的量。
本发明还涉及稳定剂组合物的用途,该稳定剂组合物包括自由基清除剂和加工稳定剂,该自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,该加工稳定剂基本上不包含2,4-取代酚部分,以减少因稳定剂组合物的碎裂而产生的污染物的量。
根据本发明的术语“聚烯烃”特别是指和/或包括US 2015/0090671A1、US2014/0296398A1、WO 2006/119935A1和/或US 2005/0148700A1中定义的所有基材。
本发明意义上的术语“碎裂”特别涉及和/或包括所有方法,其中稳定剂组合物的初始组分产生有意或无意的转化产物,该转化产物具有足够低的分子量,从而可能从聚烯烃基材中物理损失。碎片的化学性质可以显著变化,但不限于酚衍生物。碎裂可以通过例如但不限于水解、C-C键断裂、稳定剂的预期反应、副反应、剪切力引起的稳定剂碎裂以及与其他添加剂的相互作用而发生。
将更详细地讨论这些稳定剂的各个稳定剂和组分,其中任何特征可以随意组合:
自由基清除剂:
根据本发明的术语“自由基清除剂”特别是指和/或包括保护固态的聚烯烃免于自氧化的化合物。在聚烯烃的熔融转化过程中,自由基清除剂可以很好地相互作用和起作用。
根据本发明,自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物。根据本发明的优选实施例,自由基清除剂基本上由选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物组成。
在本发明意义上,术语“基本上由……组成”特别是指和/或包括(以wt/wt计)≥95%,更优选≥98%,并且最优选≥99%。
在本发明意义上,术语“基本上不包含”特别是指和/或包括(以wt/wt计)≤1%,更优选≤0.1%,再优选≤0.01%,并且最优选≤0.001%。
化合物(I)
根据本发明的优选实施例,R1至R6彼此独立地为甲基和叔丁基。
然而,根据本发明的优选实施例,所有R1至R6均为叔丁基。
根据本发明的另一个优选实施例,在一个环上的R是甲基,另一个环上是叔丁基。
根据本发明的优选实施例,所有X1至X3均为C且所有R7至R9均为烷基。
根据本发明的另一个优选实施例,所有X1至X3均为N且所有R7至R9均为=O。
根据本发明的优选实施例,化合物(I)选自:
或其混合物。
化合物(II)
根据优选实施例,R1和R2中的一个是氢,另一个是叔丁基。
根据优选实施例,R3和R4中的一个是氢,另一个是叔丁基。
根据优选实施例,R5不是氢,优选R5是甲基。
优选地,部分“B”为-[CH2]a-C=O-O-[CH2]b-O-C=O-[CH2]a-,其中a=0或1且b=2或4。
根据本发明的优选实施例,化合物(II)包括,优选基本上由以下化合物组成:
加工稳定剂:
根据本发明的术语“加工稳定剂”特别是指和/或包括保护熔融状态下的聚烯烃免于自氧化的化合物。取决于应用和/或优选实施例和/或其化学性质,加工稳定剂可以单独起作用或作为选定的“自由基清除剂”的增效剂起作用。
根据本发明的优选实施例,加工稳定剂包括,优选基本上由选自亚磷酸酯(不含2,4-取代酚部分)、亚膦酸酯(不含2,4-取代酚部分)、N-羟胺、天然抗氧化剂的化合物组成,特别是选自姜黄素、槲皮素、柚皮素、β-胡萝卜素、白藜芦醇、维生素E和所有这些化合物的衍生物、环状季戊四醇二亚磷酸酯、部分不饱和烃或其混合物。
酸清除剂:
根据优选实施例,聚烯烃还包括酸清除剂。因此,本发明还涉及如上所述的稳定剂组合物与酸清除剂的用途。
根据本发明的术语“酸清除剂”特别是指和/或包括中和酸度的化合物,其可以来源于聚烯烃合成的聚合催化剂;通常这将主要是Ziegler/Nata催化剂。应当理解的是,并不是每一种用于聚烯烃合成的催化剂都需要酸清除剂。
根据本发明的优选实施例,酸清除剂包括,优选基本上由金属氧化物、金属氢氧化物、金属有机盐和/或金属碳酸盐组成。
优选地,该酸清除剂包括层状双氢氧化物化合物。
在本发明意义上的层状双氢氧化物(LDHs)定义为具有带正电荷的层和位于层间区域中的电荷平衡阴离子的层状材料。这在固态化学中是不寻常的,因为更多的材料族在层间空间中具有带负电荷的层和阳离子(如高岭石,Al2Si2O5(OH)4)。
通常,层状双氢氧化物(LDHs)是根据下式的化合物:
[MII 1-x MIII 1-x(OH)2]x+(An-)x/n·yH2O
其中,
MII是二价金属离子,优选为Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Zn2+、Cu2+、Ni2+和Co2+;
MIII是三价金属离子,优选为Al3+、Cr3+、Fe3+、Ga<3+>和Mn3+;
An-是阴离子,优选为Cl-、CO32-、NO3-、Br-、SO42-和烷基磺酸酯、烷基芳基磺酸酯、有机羧酸酯、有机磷酸酯或其混合物,更优选为Cl-、CO32-、NO3-、Br-、SO42-或其混合物,
其中n是负电荷的数量,例如在为Cl-的情况下,n=1,并且在为CO32-的情况下,n=2,通常n在1到2的范围内;
y是稳定晶体结构所需的水分子数,通常y在0.25至4的范围内,优选为0.5至4,更优选为0.5至1.0;
x通常在0.1至0.5的范围内,优选在0.10至0.38的范围内,更优选在0.10至0.33的范围内;
层状双氢氧化物(LDHs)尤其描述于F.Cavani,F.Trifiro,A.Vaccari,Catal.Today 1991,11,173中,此处通过引用并入本文。
在An-是烷基磺酸酯的情况下,烷基通常是C1至C20烷基。
在An-是烷基芳基磺酸酯的情况下,烷基芳基是C6至C20烷基芳基。
在An-是有机羧酸酯的情况下,连接到羧酸酯基团的有机基团通常包含1至20个碳原子和至多5个杂原子,优选地,如果存在,杂原子选自N、O、P和S。通常有机羧酸酯包括1至2个羧酸酯基团,优选地包括1个羧酸酯基团。
术语“连接到羧酸酯基团的有机基团”表示羧酸酯基团不是有机基团的一部分。因此,羧酸基团中存在的氧和碳原子不计入有机基团。因此,例如在乙酸酯的情况下,有机基团是甲基。
在An-是有机磷酸酯的情况下,连接到磷酸酯基团的有机基团通常独立地包含1至20个碳原子和至多5个杂原子,优选地,如果存在,杂原子选自N、O、P和S。通常有机磷酸酯包含一个磷酸酯基团和一个有机基团。
术语“连接到磷酸酯基团的有机基团”表示磷酸酯基团不是有机基团的一部分。因此,磷酸基团中存在的氧和磷原子不计入有机基团。因此,例如在磷酸甲酯的情况下,有机基团是甲基。
优选地,层状双氢氧化物(LDHs)是根据下式的化合物:
[MII 1-x MIII 1-x(OH)2]x+(An-)x/n·yH2O
MII选自Mg2+、Ca2+或Zn2+;
MIII为Al3+;
An-是选自Cl-、CO32-和NO3-的阴离子;
y在0.25至4的范围内,优选地在0.5至1.0的范围内;
x在0.10至0.38范围内,优选地在0.10至0.33的范围内。
更优选地,层状双氢氧化物(LDHs)选自:
合成水滑石;
Mg4.5Al2(OH)13(CO3)3.5·H2O(CAS号为11097-59-9)
或者
水滑石
Mg6Al2(OH)16(CO3)·4H2O。
特别优选的是水滑石、水铝钙石、金属脂肪酸、氧化锌和碳酸钙。
令人惊讶的是,已经发现层状双氢氧化物,如水滑石,作为稳定剂是特别有利的。因此,本发明特别涉及一种聚烯烃组合物,其包括如上所述的聚烯烃、自由基清除剂和加工稳定剂以及层状双氢氧化物。
在用不产生酸性催化剂残余物的催化剂体系制造聚烯烃,并且因此通常不需要使用酸清除剂的情况下,令人惊讶地观察到层状双氢氧化物的上述效果。
本发明还涉及包括本发明的聚烯烃的产品和/或使用本发明用途的产品。
根据优选实施例,该产品包括选自以下的产品:
-管道
-刚性食品包装
-柔性食品包装
-食品器具。
应当注意的是,取决于应用,聚烯烃组合物中稳定剂的总含量可以变化。尽管用于长期使用的聚烯烃组合物,例如管道,通常需要较大含量的自由基清除剂,但在其他应用中,例如食品包装,自由基清除剂的含量可能较低。
因此,本发明涉及根据本发明的聚烯烃组合物,其中自由基清除剂的含量≥1000pm。
本发明还涉及一种稳定剂组合物的用途,该稳定剂组合物包括自由基清除剂,该自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,该稳定剂组合物包括加工稳定剂,该加工稳定剂基本上不包含2,4-取代酚部分,以减少聚烯烃组合物中稳定剂组合物碎裂而产生的污染物的量,其中自由基清除剂和加工稳定剂的添加量≥1000pm。
优选地,自由基清除剂的含量为≥1500pm,更优选为≥2000ppm。
此外和备选地,本发明因此涉及根据本发明的聚烯烃组合物,其中自由基清除剂的含量≤1000pm。
本发明还涉及一种稳定剂组合物的用途,该稳定剂组合物包括自由基清除剂,该自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,该稳定剂组合物包括加工稳定剂,该加工稳定剂基本上不包含2,4-取代酚部分,以减少聚烯烃组合物中稳定剂组合物碎裂而产生的污染物的量,其中自由基清除剂的含量≤1000pm。
优选地,自由基清除剂的含量为≤800pm,更优选为≤500ppm。
在所描述的实施例中,上述部件以及要求保护的部件和根据本发明使用的部件在其尺寸、形状、材料选择和技术概念方面不受任何特殊例外的限制,使得可以无限制地应用相关领域中已知的选择标准。
从属权利要求中公开了本发明的目的的其他细节,特征和优点,并且各个附图的以下描述-以示例性方式-示出了根据本发明的一个优选实施例。然而,这种实施例不一定代表本发明的全部范围,因此参考权利要求并且在此用于解释本发明的范围。应当理解的是,上述一般性描述和以下详细描述均仅是示例性和说明性的,并且旨在提供对要求保护的本发明的进一步解释说明。
具体实施方式
提取试验说明:
聚烯烃:
进一步描述的实验试验用LLPDE级聚烯烃进行。它是在UNIVATION流化床气相聚合后制备的Ziegler/Natta催化聚乙烯。其熔体流动指数MFI2.16/190为0.9[g/10min],密度为0.918[g/cm3]。它的物理形态是细粉。
样品制备:
采用Toshiba TEM 37BS双螺杆挤出机,在氮气作用下,在190℃至215℃的温度范围内进行LLDPE的复合。为了匹配或至少模拟工业设备的加工条件,将该挤压重复五次。
迁移试验:
采用以下标准程序进行迁移试验。
将10g样品(聚乙烯颗粒)浸入100ml水中。将混合物在室温下搅拌72小时。随后,将聚乙烯颗粒去除,并对含水提取物进行GC-MS分析。
熔体流动指数(MFI重量/温度)
熔体流动指数是在给定温度和单个给定剪切速率下聚合物熔体的流动行为的非常粗糙(但简单且实用)的流变学测量。它与聚合物的分子量成比例。熔体流动指数的增加对应于由于链断裂引起的分子量的降低,而熔体流动指数的降低对应于由于交联反应引起的分子量的增加。
MFI测量根据ISO 1133在半自动Casyt 16412上进行。
黄度指数(YI)
黄度指数是(塑料)材料变色的量度,特别强调变黄(与白度指数和总颜色变化相反)。它根据以下公式计算:
YI测量根据ISO E 313在Greytag Macbeth Spectro Eye上进行。由于生产力原因,YI是在聚乙烯颗粒上而不是在模塑板上测测量的;尽管后者产生更精确的结果。
研究了七个对比样品(C.1-C.6)和两个本发明样品(I.1和I.2)。组成如下:
所有样品还包括750ppm的硬脂酸钙。
结果如下表所示:
如果在50℃下使用寿命超过3个月,则耐久性被视为“是”。
样本C.1(=未稳定的)得到大量由聚烯烃本身产生的碎片。对于其他样品,碎片被认为是由于稳定剂的碎裂。
在样本C.1中,0.32的MFI被认为是低且不可接受的。
对比例C.1表明,聚烯烃不能在没有抗氧化剂的情况下加工。聚合物失去其机械性能,并且形成挥发性和可萃取的化合物(聚合物起源于NIAS;无故意添加的物质)。
任何添加的稳定剂都能保护聚烯烃在熔融转化过程中不降解。然而,单独的热稳定剂(C.2和C.5)虽然提供额外的耐久性,但通常会导致基材变色。黄度指数为7.5或更高也是不可接受的。单独的加工稳定剂(C.3、C.6和C.7)不会使基材适合于中长期应用。对比例C.4保护基材在熔融转化过程中免于自氧化而不产生太多颜色,并使材料适合于耐久应用。然而,可以在样品中检测到大量的碎片。
只有本发明的实施例I.1和I.2以足够的方式在熔融转化过程中保护聚烯烃,而不会导致不可接受数量的可检测的碎裂产物。
为了研究水滑石的有利作用,进行了以下实验:在含有1000ppm自由基清除剂(但不含硬脂酸钙)的根据实施例C2的组合物中,按照下表添加400ppm的添加剂。在上述萃取试验后,通过GC-MS测量2,6-二叔丁基-1,4苯醌的峰面积和峰高。
添加剂 | 峰面积 | 峰高 |
- | 72155 | 19293 |
DHT-4a(合成水滑石) | 65223 | 17448 |
硬脂酸包覆的DHT-4a | 65451 | 17498 |
干燥DHT-4a | 66135 | 17610 |
上述详细实施例中的元件和特征的特定组合仅是示例性的;还明确考虑了这些教导与本文中以及通过引用并入本文的专利/申请中的其他教导的交换和替换。如本领域技术人员将认识到的,在不脱离所要求保护的本发明的精神和范围的情况下,本领域普通技术人员可以想到本文所描述的内容的变化、修改和其他实现。因此,以上描述仅是示例性的,而不旨在限制性的。在权利要求中,词语“包括”不排除其他元件或步骤,并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用于获益。本发明的范围由以下权利要求及其等同物限定。此外,在本说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。
Claims (12)
1.一种聚烯烃组合物,包括聚烯烃、自由基清除剂和加工稳定剂,其中所述自由基清除剂包括选自具有第一结构(I)的化合物的化合物
其中R1至R6彼此独立地为烷基,优选为甲基、乙基、异丙基、丁基和叔丁基,
R7至R9彼此独立地为烷基,优选为甲基,或者R7至R9彼此独立地为=O,其中R7至R9中的任何一个能够与最接近的标有“*”的碳原子连接以形成六元环,
X1至X3彼此独立地为C或N,
并且分子的中心环为芳香环;
选自第二结构A-B-A的化合物,其中A具有以下结构:
其中R1至R5独立地选自氢或烷基,优选为甲基、乙基、丙基、正丁基、叔丁基,条件是R1和R2之一以及R3和R4之一不是氢,并且其中A和B经由标有“*”的碳连接,
并且B选自包含具有2至6个碳原子的烷基桥的基团或-[CH2]n-C=X-O-[CH2]m-O-C=X-[CH2]n-,其中n为0至4的整数,X为O、S或两个氢原子,m为2至6的整数;
或其混合物;
以及所述加工稳定剂基本上不包含具有2,4-取代酚部分的可水解的亚磷酸酯化合物。
2.根据权利要求1所述的聚烯烃组合物,其特征在于,在结构(I)中,R1至R6彼此独立地为甲基和叔丁基。
3.根据权利要求1或2所述的聚烯烃组合物,还包括酸清除剂。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,所述加工稳定剂包括选自亚磷酸酯(不含可水解的2,4-苯基部分)、亚膦酸酯(不含可水解的2,4-苯基部分)、N-羟胺、天然抗氧化剂、环状季戊四醇二亚磷酸酯和部分不饱和烃的化合物,或其混合物。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,所述自由基清除剂选自:
或其混合物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,所述自由基清除剂包括以下化合物:
7.根据权利要求1至6中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,还包括酸清除剂,所述酸清除剂包括层状双氢氧化物化合物。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,所述自由基清除剂的含量为≥1000pm。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的聚烯烃组合物,其特征在于,所述自由基清除剂的含量为≤1000pm。
10.一种稳定剂组合物的用途,所述稳定剂组合物包括自由基清除剂,所述自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,所述稳定剂组合物包括加工稳定剂,所述加工稳定剂在聚烯烃中基本上不包含具有2,4-取代酚部分的可水解的亚磷酸酯化合物,以减少污染物的量。
11.一种稳定剂组合物的用途,所述稳定剂组合物包括自由基清除剂,所述自由基清除剂包括选自化合物(I)和(II)的化合物或其混合物,所述稳定剂组合物包括基本上不包含2,4-取代酚部分的加工稳定剂,以减少稳定剂组合物碎裂而产生的污染物的量。
12.一种包括根据权利要求1至9中任一项所述的聚烯烃或使用根据权利要求10或11所述的用途的产品,所述产品选自:
-管道
-刚性食品包装
-柔性食品包装
-食品器具。
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