¿Cómo se utilizan los plastificantes en materiales poliméricos y qué impacto tienen en las propiedades de los materiales poliméricos?
1. Plastificante
Cualquier sustancia añadida a un sistema polimérico que pueda aumentar la plasticidad del sistema polimérico se puede denominar plastificante.
La función principal del plastificante es debilitar los enlaces secundarios entre las moléculas del polímero, es decir, las fuerzas de van der Waals, aumentando así la movilidad de la cadena molecular del polímero y reduciendo la cristalinidad de la cadena molecular del polímero. es decir, aumenta la plasticidad del polímero, lo que se manifiesta en la disminución de la dureza, módulo, temperatura de reblandecimiento y temperatura de fragilización del polímero, mientras que aumentan el alargamiento, la flexibilidad y la flexibilidad.
Los plastificantes se pueden dividir en dos grandes tipos según su modo de acción, a saber, plastificantes internos y plastificantes externos.
Los plastificantes internos son en realidad parte del polímero. Generalmente los plastificantes internos son monómeros secundarios introducidos durante el proceso de polimerización del polímero. Dado que el segundo monómero se agrega en la estructura molecular del polímero, se reduce la regularidad de la cadena molecular del polímero, es decir, se reduce la cristalinidad de la cadena molecular del polímero. Por ejemplo, el polímero de cloruro de vinilo-acetato de vinilo es más blando que el homopolímero de cloruro de vinilo. El rango de temperatura de uso de los plastificantes internos es relativamente estrecho y deben agregarse durante el proceso de polimerización, por lo que se utilizan menos plastificantes internos.
El plastificante externo es un compuesto o polímero de bajo peso molecular. Agregarlo al polímero que necesita ser plastificado puede aumentar la plasticidad del polímero. Los plastificantes externos son generalmente líquidos de alto punto de ebullición, relativamente difíciles de volatilizar o sólidos de bajo punto de fusión, y la mayoría de ellos son compuestos orgánicos de éster. Por lo general, no reaccionan químicamente con los polímeros y su interacción con los polímeros se hincha principalmente a temperaturas elevadas, formando una solución sólida con los polímeros. Los plastificantes externos tienen propiedades integrales, son fáciles de producir y usar y se usan ampliamente. Hoy en día, los plastificantes denominados generalmente plastificantes se refieren a plastificantes externos. El ftalato de dioctilo (DOP) y el ftalato de dibutilo (DBP) son plastificantes externos.
2. Clasificación y rendimiento de los plastificantes
Existen muchas variedades de plastificantes. Durante la etapa de investigación y desarrollo, existen más de 1.000 variedades como plastificantes para la producción de productos básicos. No hay más de 200 tipos de productos químicos, y el mayor número son los ftalatos, cuya materia prima proviene de la industria petroquímica.
Existen muchas formas de clasificar los plastificantes. Según el tamaño del peso molecular, se puede dividir en plastificantes monoméricos y plastificantes poliméricos, según su forma, se puede dividir en plastificantes líquidos y plastificantes sólidos, según su rendimiento, se puede dividir en plastificantes generales y fríos; -plastificantes resistentes, plastificantes resistentes al calor, plastificantes retardantes de llama, etc., la clasificación según la estructura química de los plastificantes es un método de clasificación comúnmente utilizado.
Se puede dividir en:
(1) Ftalatos (tales como: DBP, DOP, DIDP)
(2) Grasas Ésteres de ácido dibásico de la familia (tales como: adipato de dioctilo DOA, sebacato de dioctilo DOS)
(3) Ésteres de fosfato (como: fosfato de tricresilo TCP, fosfato de difeniltolueno CDP)
(4) Compuestos epoxi (como : aceite de soja epoxidado, oleato de butilo epoxidado)
(5) Plastificantes poliméricos (tales como: oleato de epoxi butilo) Difosfato de propilenglicol
Poliéster)
(6 ) Poliéster de benceno (como: trimelitato de 1,2,4-triisooctilo)
(7) Plastificantes que contienen cloro (como: parafina clorada, pentacloroestearato de metilo)
(8) Alquilsulfonatos
(9) Éster de poliol
(10) Otros plastificantes
Un plastificante ideal debe tener las siguientes propiedades: (1) Buena compatibilidad con la resina; (2) Alta eficiencia plastificante; (3) Estable al calor y la luz; (4) Baja volatilidad (5) Pequeña migración (6) Resistente a la extracción de agua, aceite y solventes orgánicos; flexibilidad (8) Resistencia Buena inflamabilidad; (9) Buen aislamiento eléctrico (10) Incoloro, inodoro, no tóxico; (11) Buena resistencia al moho; ; (14) Barato.
Entre los plastificantes, los plastificantes de ftalato se utilizan en mayor cantidad y representan aproximadamente el 80% de la producción total de plastificantes. Este tipo de plastificante en mi país es principalmente ftalato de dioctilo (DOP) y ftalato de dibutilo. (PAD).
Debido a las limitaciones en la fuente de alcohol como materia prima, la producción de variedades de alto rendimiento como el ftalato de diheptilo (DHP), el ftalato de diisodecilo (DIDP) y el ftalato de diisooctilo (DIOP) no es alta.
3. Mecanismo de reacción de los ésteres de ftalato
En la producción total de plastificantes, los ftalatos representan más del 80% de la producción total, mientras que DOP y DBP son sus productos principales. Tomando como ejemplo el DBP, introduciremos el mecanismo de reacción de los ftalatos.
La mayor parte de la producción de DBP en mi país se realiza bajo presión normal, con las materias primas anhídrido ftálico y n-butanol reaccionando en presencia de catalizadores ácidos (como H2SO4). El catalizador ácido es un catalizador de esterificación tradicional. Tiene las ventajas de alta actividad, precio económico y fácil disponibilidad. Sin embargo, su desventaja es que provoca fácilmente reacciones secundarias.
La reacción de esterificación involucra primero una molécula de anhídrido ftálico y una molécula de alcohol para formar ftalato de monobutilo. Esta reacción no requiere un catalizador y es una reacción exotérmica.
Hecho.
La fórmula de reacción es la siguiente:
El éster monobutílico reacciona con una molécula de alcohol bajo la acción del H para formar éster dibutílico. La reacción para formar éster monobutílico es irreversible y éster monobutílico. reacciona con una molécula de alcohol bajo la acción de H. La reacción de éster a éster dibutílico es una reacción de equilibrio y es reversible.
La fórmula de la reacción es la siguiente:
La fórmula general de la reacción es:
Esta reacción es una reacción de equilibrio, por lo tanto, aumente la concentración de alcohol o disminuya la La concentración de agua y la eliminación del calor de reacción son beneficiosas para la formación de ácido dibutírico. En la producción real, para aumentar la concentración de éster dibutílico, la temperatura debe controlarse a una temperatura adecuada de 140 a 145 °C para obtener un exceso apropiado de butanol, y el agua generada por la reacción debe eliminarse a tiempo.
4. Proceso de producción
4.1 Proceso de producción intermitente
Dispositivo de producción intermitente, el llamado dispositivo de producción "universal", American Reichhold Chemical Company Un conjunto de El equipo de producción es un ejemplo típico de este equipo de producción "universal". Este dispositivo puede procesar más de 60 tipos de materias primas, además de producir ftalatos en general, también puede producir otros tipos de plastificantes, como ésteres de ácidos dicarboxílicos alifáticos.
Las condiciones del proceso para la producción intermitente de ésteres de ftalato son similares, pero ligeramente diferentes dependiendo de las propiedades del alcohol como materia prima y del producto. Tomando como ejemplo la producción de DBP, se utilizan anhídrido ftálico y n-butanol para realizar una reacción de esterificación en presencia de un catalizador ácido (como H2SO4). Para que la reacción de equilibrio sea propicia para la generación de DBP, el el agua generada por la reacción de esterificación se elimina continuamente durante el proceso de reacción, y se puede añadir más n-butanol según corresponda.
Una vez completada la esterificación, agregue una cantidad adecuada de solución de NaOH para neutralizar el H2SO4, separe el agua residual mediante capas, luego desalcoholice y elimine el n-butanol sin reaccionar a presión reducida. Luego agregue carbón activado para la decoloración. Una vez completada la decoloración, filtre para obtener el producto final DBP. El diagrama de bloques del proceso de producción de DBP se muestra en la Figura 1, que tiene cinco procesos de producción: esterificación, neutralización, desalcoholización, decoloración y filtración. Los cinco procesos del proceso de producción intermitente son todos operaciones intermitentes.
Ventajas y desventajas de la producción intermitente:
Ventajas 1) Baja inversión y construcción rápida
2) Fácil cambio de producto y puede producir una variedad de plastificantes
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3) La tecnología del proceso es simple y la calidad del personal es fácil de cumplir
Desventajas 1) La calidad del producto fluctúa mucho y no es estable
2) La tecnología está atrasada y la intensidad de mano de obra es alta
3) Alto consumo de energía y materiales
La producción intermitente es adecuada para la producción de plastificantes múltiples a pequeña escala, con baja inversión y resultados rápidos .
4.2 Proceso de producción continua
Debido a la gran demanda de plastificantes DOP y DBP, el proceso de producción continua basado en DOP y DBP se ha utilizado ampliamente en mi país. El máximo DOP único. La capacidad de producción de una sola línea es de 50.000 toneladas/año y la capacidad máxima de producción de una sola línea de DBP es de 20.000 toneladas/año.
En producción continua, los reactores de esterificación se pueden dividir en dos categorías: reactores de torre y reactores en serie escalonados. Cuando se usa un catalizador ácido, es más razonable elegir un esterificador de torre; cuando se usa un catalizador no ácido o sin catalizador, el tiempo de residencia de la mezcla de reacción es más largo, por lo que un reactor en serie escalonado es más adecuado.
Los cinco pasos del proceso de producción continua de DBP, esterificación, neutralización, desalcoholización, decoloración y filtración, son todos operaciones continuas.
Ventajas y desventajas de la producción continua:
Ventajas 1) Buena calidad del producto y calidad estable
2) Bajo consumo de energía y materiales, buenos beneficios económicos
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3) Tecnología avanzada y alta productividad laboral
4) Alto nivel de automatización y baja intensidad de mano de obra
Desventajas 1) Ciclo de construcción largo y gran inversión única
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2) Es difícil fabricar y procesar el equipo principal
3) Es difícil cambiar de producto y no es adecuado para la producción de múltiples tipos de plastificantes.
4) Altos requisitos de calidad para los trabajadores
La producción continua es adecuada para la producción a gran escala con fuentes de materia prima garantizadas, alto nivel de gestión de producción y alta calidad del personal.
4.3 Proceso de producción semicontinuo
La denominada producción semicontinua significa que el proceso de esterificación adopta un tipo intermitente y los procesos posteriores a la esterificación (neutralización, desalcoholización, decoloración, filtración ) Adoptar tipo continuo. El proceso de producción semicontinuo es una etapa de transición del proceso de producción intermitente al proceso de producción continuo. La producción de los principales plastificantes de ftalato nacionales, como DOP y DBP, adopta principalmente procesos de producción semicontinuos. Su escala es generalmente de 10.000 a 20.000 toneladas/año.
Ventajas y desventajas de la producción semicontinua:
Ventajas 1) Menor inversión que la producción continua
2) Cambiar de variedad es más fácil que la producción continua y más adecuado Produce múltiples variedades de plastificantes
3) La producción parcialmente continua es fácil de operar y el rendimiento de materia prima es básicamente el mismo que el de la producción totalmente continua
4) En comparación con la intermitente tipo, el modelo de producción es grande y alta productividad laboral
Desventajas 1) En comparación con la producción continua, la intensidad de la mano de obra es alta y la calidad del producto es fácil de fluctuar
2) La esterificación intermitente consume más energía que la esterificación continua
3) El grado de automatización es menor que el de la producción continua
La producción semicontinua es más adecuada para la producción de escala moderada y múltiples variedades de plastificantes. La flexibilidad en las variedades de producción es una ventaja importante de la producción semicontinua.
5. Conclusión
Debido a la gran dosificación y gran variedad de plastificantes, la tecnología de producción de plastificantes tiende a desarrollarse en dos aspectos. Por un lado, es la producción continua a gran escala de plastificantes principales, por otro lado, es la producción intermitente de múltiples variedades y pequeños lotes de plastificantes especiales.
Con el aumento de la producción de PVC y el desarrollo de la industria petroquímica, los plastificantes se han convertido en una industria química a gran escala basada en la industria petroquímica y con los ftalatos como principal producto. Los ftalatos representan más del 80% de la producción total de plastificantes, lo que proporciona las condiciones para una producción continua a gran escala. Debido a la existencia de múltiples variedades y pequeños lotes de plastificantes, el dispositivo de producción "universal", es decir, la producción intermitente, sigue siendo necesario para su desarrollo y supervivencia.
Para reducir el color del producto, mejorar la estabilidad térmica del producto y simplificar aún más el proceso, se han industrializado catalizadores no ácidos. Las principales ventajas de utilizar catalizadores no ácidos incluyen menos reacciones secundarias, color claro del producto, refinamiento simple del producto, menor producción de aguas residuales y buena calidad del agua, buena estabilidad térmica del producto y alto rendimiento.
Peligros
No hace mucho, la Red de Información sobre Seguridad Alimentaria de Guangzhou anunció que un estudio de la Universidad de Tongji confirmó que los plastificantes en los barriles de plástico de aceite comestible son dañinos para el cuerpo humano. "Si se utilizan barriles de plástico para envasar aceite comestible, los plastificantes que son perjudiciales para el cuerpo humano se disolverán en el aceite comestible". Según la fuente, el equipo de investigación del profesor Li Shuguang de la Facultad de Medicina Básica de la Universidad de Tongji recolectó una vez diferentes. marcas y diferentes fechas de producción en el mercado aceite de soja para ensalada, aceite mezclado, aceite de maní en barriles de plástico, así como aceite de soja a granel que se vende en el mercado. Después de las pruebas, se encontró que casi todas las marcas de aceite comestible en barriles de plástico contienen el plastificante "ftalato de dibutilo". Se infiere que los plastificantes detectados en el aceite comestible provienen principalmente de envases plásticos. Este plastificante es tóxico para el sistema reproductivo humano y es más tóxico para los hombres.