環(huán)氧大豆油研究簡(jiǎn)史
現(xiàn)代高分子材料工業(yè)是在石油化學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,隨著化石資源的日益枯竭,尋求高效、廉價(jià)、可再生的替代原料制備綠色高分子材料已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。隨著世界綠色高分子材料的研究獲得長(zhǎng)足進(jìn)展,其中主要包括植物油基聚合物等在內(nèi)的綠色高分子材料邁進(jìn)歷史舞臺(tái)[5] 。
1909年由Prileschajew使用過(guò)苯甲酸試劑實(shí)現(xiàn)了用不飽和化合物與有機(jī)過(guò)氧酸反應(yīng)制備環(huán)氧化物,然而由于該方法成本太高,工業(yè)生產(chǎn)上無(wú)法使用[6] 。
20世紀(jì)40年代中、后期環(huán)氧化合物作為增塑劑使用,推動(dòng)其進(jìn)入快速發(fā)展。Archer-Daniels-Midland公司和FMC公司成功開(kāi)發(fā)了硫酸法就地制過(guò)氧乙酸制備環(huán)氧大豆油的工藝[7] ,F(xiàn)MC公司還提出采取惰性溶劑如苯或己烷減少產(chǎn)生的環(huán)氧基在硫酸催化下開(kāi)環(huán)而導(dǎo)致產(chǎn)率降低的改良方法[8] 。
1949年Rohm and Haos公司提出就地制甲酸生產(chǎn)環(huán)氧化植物油的方法,該方法反應(yīng)活性強(qiáng),可以不使用催化劑[9] 。
20世紀(jì)50年代初,國(guó)外開(kāi)始生產(chǎn)環(huán)氧大豆油,主要生產(chǎn)國(guó)有美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本和前蘇聯(lián)。
1953年美國(guó)Du Pont公司首先試驗(yàn)成功以樹(shù)脂作為催化劑生產(chǎn)環(huán)氧化植物油的方法,并用于工業(yè)生產(chǎn)[10] 。
20世紀(jì)60年代相繼出現(xiàn)了用乙醛氣相氧化過(guò)乙酸[11] 和液相氧化過(guò)乙酸連續(xù)環(huán)氧化裝置[12] 。
20世紀(jì)70年代初在西歐國(guó)家開(kāi)始研制環(huán)氧大豆油的生產(chǎn)工藝,并投入使用。后因成本較高,價(jià)格昂貴,曾一度停止生產(chǎn)。再后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧大豆油既可代替部分增塑劑,又可少用或不用有毒的熱穩(wěn)定劑鉛鹽,還可以起到光穩(wěn)定劑的作用,因此又加強(qiáng)了對(duì)環(huán)氧大豆油的研制并重新投入生產(chǎn)。生產(chǎn)工藝由有溶劑法轉(zhuǎn)向無(wú)溶劑法,從間歇式生產(chǎn)轉(zhuǎn)向連續(xù)化生產(chǎn),從單一型催化劑向復(fù)合型發(fā)展。
中國(guó)于60年代初期開(kāi)始生產(chǎn)環(huán)氧大豆油。1966年投入工業(yè)化生產(chǎn)[13] ,前期采用溶劑法生產(chǎn),由于存在溶劑回收困難、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、產(chǎn)品質(zhì)量差、成本高、環(huán)境污染大等缺點(diǎn),發(fā)展速度緩慢。
到80年代初才開(kāi)始研究無(wú)溶劑法合成工藝和對(duì)環(huán)氧大豆油在聚氯乙烯制品中的作用進(jìn)行研究。1987年張懷俊等人報(bào)導(dǎo)了無(wú)溶劑一步就地制環(huán)氧大豆油的新工藝[14] 。90年代初期取得較大的發(fā)展,1990年報(bào)導(dǎo)了樹(shù)脂催化的環(huán)氧化工藝[13] ,逐步取代溶劑法生產(chǎn)工藝[15] 。四川、江西、江蘇等省相繼建立起5個(gè)生產(chǎn)廠家[16] 。
環(huán)氧大豆油理化性質(zhì)
環(huán)氧大豆油物理性質(zhì)
結(jié)構(gòu)式
環(huán)氧大豆油為多種脂肪酸酯組成:環(huán)氧酯(51~57%)、環(huán)氧油酸酯(32~36%),環(huán)氧棕櫚酸酯(2.4~6.8%)等的混合物
[17] 。
折射率(nD25):1.4713
相對(duì)密度:0.988-0.999(20/4℃)
該品在水中的溶解度<0.01%(25℃),水在該品中的溶解度0.55%(25°C)[18] ,溶于烴類、酮類、酯類、高級(jí)醇等有機(jī)溶劑,微溶于乙醇,不溶于水。
紅外光譜[19]
黏度(25℃):325 mPa·s
蒸氣壓:[3] ;13.32 Pa(150℃)
表面張力:34 dyn/cm(20℃)
膨脹系數(shù):0.00071/℃(10-40℃)[4]
著火點(diǎn):310℃
環(huán)氧大豆油化學(xué)性質(zhì)
環(huán)氧大豆油上的環(huán)氧基可以與胺基發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)。例如以4,4'-二硫代二苯胺(APD)為固化劑,以氨基/環(huán)氧當(dāng)量比0.7/1.0,在無(wú)催化條件下合成了含動(dòng)態(tài)二硫鍵的ESO[20] 。
環(huán)氧大豆油上的環(huán)氧基可以與羧基發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)。例如10%ESO與羧基端聚酸酯(PRA)在160℃溫度下反應(yīng)約10 min便可聚合形成高粘度高彈性聚合體[21] 。
環(huán)氧大豆油上的環(huán)氧基可以與磷酸發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng),生成磷酸化環(huán)氧大豆油多元醇。例如取31 g叔丁醇、5 g磷酸、10 mL去離子水于四口燒瓶中,升溫至82℃,進(jìn)入回流狀態(tài);再把100 g大豆油(ESO)、10 mL去離子水、46.5 g叔丁醇放入到恒壓漏斗中,逐漸滴入到四口燒瓶,1 h滴完,滴完后反應(yīng)6 h;將反應(yīng)后的產(chǎn)物加入到350 g乙酸乙酯中,再用去離子水反復(fù)洗,直至溶液顯示至中性,然后通過(guò)減壓蒸餾除去乙酸乙酯和叔丁醇,最終得到磷酸化大豆油多元醇(PESOP)[19] 。
環(huán)氧大豆油上的環(huán)氧基可以與磷酸酯發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)。例如將400 mg ESO溶于二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中,用磁力攪拌器攪拌30分鐘。另外將2 g DOPO充分溶解在另一個(gè)裝有20 mL DMF溶劑的燒杯中。然后加入2 mg的硫胺素焦磷酸(TPP)作為催化劑,在130℃下加熱1.5天。最后使用真空烘箱將DMF溶劑從最終產(chǎn)品中去除,便可合成DOPO-jointed ESO[22] 。
環(huán)氧大豆油可以在催化劑催化下,利用開(kāi)環(huán)劑,開(kāi)環(huán)制備得到植物油基多元醇。例如將30 g環(huán)氧大豆油,90 g異丙醇作為溶劑,60 g甘油作為開(kāi)環(huán)劑及0.3 g磁性固體酸催化劑加入三頸燒瓶,在80℃下機(jī)械攪拌6 h后停止反應(yīng),使用外加磁場(chǎng)將催化劑固定于燒瓶底部,并將剩余反應(yīng)液傾倒。反應(yīng)結(jié)束后在反應(yīng)液中加入水萃取至下層溶液中檢測(cè)不到甘油的存在(CuSO4檢測(cè)),將得到的上層黃色液體真空旋蒸即得到最終產(chǎn)物大豆油多元醇[23] 。
環(huán)氧大豆油制備方法
環(huán)氧大豆油試驗(yàn)室制備
溶劑法
溶劑法主要是以含苯類的有機(jī)溶劑作為反應(yīng)體,以苯作為溶劑,溶解性好,反應(yīng)快,溫度低;但工藝生產(chǎn)流程長(zhǎng)而且復(fù)雜,以硫酸作催化劑。使甲酸和雙氧水在硫酸存在下,生成過(guò)氧甲酸,再與大豆油進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng),生成ESO。
采用Amberlite離子交換樹(shù)脂作催化劑,用甲苯為溶劑合成ESO。反應(yīng)7小時(shí)后ESO收率達(dá)89%。對(duì)環(huán)氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和副反應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),在40℃、60℃、80℃三個(gè)溫度條件下用過(guò)氧乙酸作環(huán)氧化劑時(shí),副反應(yīng)不嚴(yán)重。但是以過(guò)氧甲酸作環(huán)氧化劑時(shí),在80℃下環(huán)氧值較低。采用溶劑法生產(chǎn)環(huán)氧植物油缺點(diǎn)是溶劑的后處理困難,產(chǎn)生大量廢水,對(duì)環(huán)境有不利影響。
例:用大豆油為原料通過(guò)過(guò)氧乙酸環(huán)氧化步驟和用醋酸為溶劑。先將大豆油19 g投入裝有溫度計(jì)、滴液漏斗,以及磁力攪拌器的一個(gè)500 mL三口玻璃反應(yīng)器內(nèi)。將預(yù)制備12 g的過(guò)氧乙酸溶液(約1 mol)用10 min時(shí)間滴加入油內(nèi),用冰水浴冷卻,控制滴加溫度為10℃。滴定完成后,在20~25℃下攪拌反應(yīng)5 h獲得ESO的醋酸溶液[24] 。
無(wú)溶劑法
無(wú)溶劑法是以甲酸或乙酸在催化劑作用下與雙氧水反應(yīng)生成環(huán)氧化劑,然后將環(huán)氧化劑滴加到大豆油中,反應(yīng)完畢后經(jīng)堿洗、水洗,減壓蒸餾,最后得到產(chǎn)品。無(wú)溶劑法生產(chǎn)流程短,反應(yīng)溫度低,反應(yīng)時(shí)間短,副產(chǎn)物少,產(chǎn)品質(zhì)量高,環(huán)氧基的熱穩(wěn)定性(環(huán)氧值的保留率)為95%以上,已基本代替溶劑法的生產(chǎn)工藝。
無(wú)溶劑法合成ESO時(shí),主要是用強(qiáng)酸作催化劑如濃硫酸等,用27%~50%的雙氧水作為氧的給體,用甲酸作為活性氧載體進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng),產(chǎn)品的環(huán)氧化值在6.0%~6.3%。該生產(chǎn)過(guò)程具有易控制、后處理簡(jiǎn)單、三廢少、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),有利于工業(yè)化生產(chǎn)。
以過(guò)氧鎢配合物催化過(guò)氧化氫制備ESO得到的產(chǎn)品色澤淺、環(huán)氧值高、質(zhì)量好;反應(yīng)在較低酸性時(shí),碘值為5.0 gI/100 g,環(huán)氧值為6.59%,。
由于甲酸的分子較乙酸小,過(guò)氧甲酸的氧化速率大于過(guò)氧乙酸,縮短了生產(chǎn)流程,產(chǎn)品質(zhì)量好。多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)采用甲酸作為環(huán)氧化試劑,但使用中應(yīng)注意甲酸和部分分解的一氧化碳的毒性。
用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂取代硫酸作催化劑,過(guò)氧甲酸或乙酸為氧化劑,在無(wú)溶劑條件下合成ESO的工藝,特點(diǎn)為生產(chǎn)能耗低,設(shè)備投資少,生產(chǎn)穩(wěn)定、安全,產(chǎn)品不含有毒溶劑,但環(huán)氧化時(shí)間長(zhǎng)。
例:向帶溫度控制計(jì)、漏斗、回流冷凝管、攪拌器的5 L三口圓底燒瓶加入大豆油1500 g,冰醋酸225 g、19 g一水硫酸的50%溶液。將反應(yīng)器液溫升至70℃后,用30 min時(shí)間加入729 g35%過(guò)氧化氫水溶液,同時(shí)保持溫度為70℃,并繼續(xù)大力攪拌。滴定完成后,繼續(xù)反應(yīng)45 min后,將反應(yīng)系統(tǒng)的溶液轉(zhuǎn)移到分液漏斗內(nèi),并降溫。將所得產(chǎn)物冷卻,水和ESO分為兩層,用水清洗。將水洗部分的ESO再次添加到三角瓶?jī)?nèi),加入離子交換樹(shù)脂。將混合物攪拌2 h,隨后中和殘存的剩余酸。過(guò)濾去除離子交換樹(shù)脂,低真空去除殘留的水。最后獲得ESO產(chǎn)品,碘值88 gI/100 g和環(huán)氧氧含量1.89%。
用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂制取ESO,陽(yáng)離子樹(shù)脂可重復(fù)使用8次,再生容易。當(dāng)催化活性顯著下降時(shí),用95%乙醇將回收樹(shù)脂回流洗滌2 h,水洗烘干,然后再對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行預(yù)處理,則樹(shù)脂催化活性又得到恢復(fù)。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂作催化劑,在60℃下反應(yīng)6 h環(huán)氧值達(dá)到6.4%。該反應(yīng)未使用危險(xiǎn)的過(guò)氧酸和強(qiáng)腐蝕性的硫酸,得到的產(chǎn)品色澤淺、環(huán)氧值高、質(zhì)量好,但對(duì)過(guò)氧化物的回收再利用還有待進(jìn)一步研究。[24]
相轉(zhuǎn)移催化環(huán)氧化
相轉(zhuǎn)移催化劑已經(jīng)成功應(yīng)用于各種類型的有機(jī)反應(yīng),以過(guò)氧化氫為氧化劑,鎢的配合物為催化劑,甲基三辛基硫酸氫銨為相轉(zhuǎn)移催化劑,開(kāi)發(fā)了包括碳碳雙鍵環(huán)氧化在內(nèi)的多種基本有機(jī)化合物的清潔氧化生產(chǎn)方法。
制備過(guò)程中使用相轉(zhuǎn)移穩(wěn)定劑,能幫助水相中活性氧順利轉(zhuǎn)移到有機(jī)相,并且能提高過(guò)氧酸穩(wěn)定性,試驗(yàn)效果很好。
工業(yè)上催化劑的固載化有兩種方法,一種是將鎢的負(fù)離子置換到一些帶有層狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)中;另一種則是將如多元金屬含氧簇合物固定化在有機(jī)高分子材料上,實(shí)現(xiàn)固定化。近些年來(lái),國(guó)外在植物油環(huán)氧化方面的研究主要集中在新型催化劑的開(kāi)發(fā)上。開(kāi)發(fā)的催化劑主要有離子交換樹(shù)脂催化劑、錸催化劑、鈦催化劑和酶催化劑等。
甲基三氧錸(Ⅶ)(MTO)是一種良好的環(huán)氧化催化劑。MTO催化劑是基于兩種過(guò)氧中間體:MeRe(O)2(R2-O2)和MeRe(O)(R2-O2)2(H2O)。近年來(lái),有不少科研人員用MTO作催化劑來(lái)合成環(huán)氧植物油。
將甲基錸過(guò)氧化物負(fù)載在Nb2O5(MeReO3/Nb2O5)上用于大豆油的催化環(huán)氧化,在以尿素-雙氧水的氯仿溶液為氧源時(shí),在50℃下反應(yīng)30 min就使大豆油環(huán)氧化,而且催化劑還可以重復(fù)利用,采用此新技術(shù)已成功合成了ESO酸和ESO酸甲酯。
例:以乙酸乙酯為溶劑、甲基三辛基硫酸氫銨為相轉(zhuǎn)移催化劑,用30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))直接環(huán)氧化大豆油合成ESO。在無(wú)羧酸條件下,以過(guò)氧化氫為氧化劑進(jìn)行大豆油的環(huán)氧化,在溶液PH值為2,反應(yīng)溫度60℃,反應(yīng)時(shí)間7 h的條件下,產(chǎn)物環(huán)氧值達(dá)到6.7%,碘值為5.80 gI/100 g。此法避免了反應(yīng)中生成過(guò)氧酸,沒(méi)有副產(chǎn)物甲酸的生成,提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂AmberliteIR-120催化大豆油一步環(huán)氧化反應(yīng),過(guò)氧乙酸的形成是反應(yīng)速率決定步驟。優(yōu)化的反應(yīng)條件為:5%的陽(yáng)離子交換樹(shù)脂,反應(yīng)溫度75℃,反應(yīng)時(shí)間8 h,反應(yīng)物的摩爾比為:乙酸:過(guò)氧化氫(30%)=0.5:1.1,轉(zhuǎn)化率高達(dá)91%。
在陽(yáng)離子交換樹(shù)脂作催化劑條件下大豆油環(huán)氧化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)。在溫度為40℃、60℃、80℃下,對(duì)比了氧化甲酸和過(guò)氧乙酸兩種環(huán)氧化劑,結(jié)果表明:用過(guò)氧化乙酸進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.118 h-1、0.451 h-1和1.278 h-1,反應(yīng)活化能54.7 kJ/mol;用過(guò)氧化甲酸進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.264h-1、0.734 h-1和1.250 h-1,反應(yīng)活化能35.9 kJ/mol[24] 。
環(huán)氧大豆油工業(yè)制備
溶劑法
溶劑法(2張)
甲酸和雙氧水在硫酸存在下,生成過(guò)氧化甲酸,再與大豆油反應(yīng),生成環(huán)氧大豆油,過(guò)氧化甲酸復(fù)原為甲酸。因雙氧水或過(guò)氧化物在高溫下會(huì)分解,反應(yīng)應(yīng)控制在較低的溫度下進(jìn)行,一般為常溫,苯為介質(zhì)。
將大豆油1000 kg、甲酸140 kg、硫酸3 kg、和苯350 kg投入耐酸的釜式反應(yīng)器中,攪拌混合均勻后,緩緩滴加入40%濃度的雙氧水,控制反應(yīng)溫度為保持56~57℃,必要時(shí)在反應(yīng)釜通冷卻水降溫。滴加完雙氧水后,再繼續(xù)攪拌一段時(shí)間,直至反應(yīng)溫度開(kāi)始下降,約11 h后測(cè)定碘值,當(dāng)降至6以下,停止反應(yīng),反應(yīng)即達(dá)終點(diǎn)。
反應(yīng)液靜置分去下層廢酸水,油層先用2%~5%的純堿液中和,再水洗至中性,分去水后,油層進(jìn)行水蒸氣蒸餾,蒸出苯回收循環(huán)使用。余下產(chǎn)物進(jìn)行真空蒸餾,除去低沸物和水,再經(jīng)壓濾即得成品,107℃/2~3 mmHg左右的餾分即為產(chǎn)品環(huán)氧大豆油[25] 。
原料消耗:每噸產(chǎn)品消耗大豆油1000 kg、雙氧水(40%)670 kg、甲醇(85%)140 kg、苯70 kg[18] 。
無(wú)溶劑法
無(wú)溶劑法[17]
先將大豆油、醋酸和離子交換樹(shù)脂加入反應(yīng)器。然后邊攪拌邊緩緩加入濃度為30%的H
2O
2。用量為大豆油的50~70%。反應(yīng)在50~70℃下進(jìn)行。反應(yīng)產(chǎn)生的熱量用冷卻水移走。反應(yīng)時(shí)間為8 h。反應(yīng)器中出來(lái)的反應(yīng)液用過(guò)濾器過(guò)濾,以除去廢催化劑。濾液進(jìn)入分層器。經(jīng)靜置分層后,從底部排出廢酸。上部油相進(jìn)中和釜,用濃度2~5%的Na
2CO
3水溶液中和。中和液經(jīng)靜置分層,除去水相后,再用水洗滌若干次。洗滌后的油相進(jìn)濃縮釜,在真空下蒸出夾帶的水分后即得到環(huán)氧大豆油。
原料消耗:每噸產(chǎn)品消耗大豆油982 kg、雙氧水(30%)590 kg、醋酸196 kg、催化劑29.4 kg、碳酸鈉水溶液(40%)100 kg、水45 t、蒸汽300 kg、電100 kW·h[17] 。
環(huán)氧大豆油應(yīng)用領(lǐng)域
環(huán)氧大豆油高分子材料
通常,植物油增塑劑已實(shí)用于PVC樹(shù)脂,用量在15%。改性后植物油增塑劑用量可高于15%,20%,40%和50%。典型的增塑劑用量上限為70%左右。高環(huán)氧增塑劑較高濃度,將提供高的熱穩(wěn)定性。
ESO是一種無(wú)毒塑料增塑劑,是美國(guó)食品藥物管理局(PDA)批準(zhǔn)的可用于食品包裝材料的增塑劑,在PVC無(wú)毒制品、PVC透明制品、透明瓶、透明盒、食品、藥物包裝材料、PVC醫(yī)用“輸”,PVC戶外使用的塑料制品、防水卷材、塑料門窗、貼墻紙塑料膜等的生產(chǎn)制造時(shí),都使用ESO作為增塑劑。
ESO增塑劑衍生物如ESO酯、ESO丙二醇酯、ESO乙二醇酯等。環(huán)氧大豆油丙烯酸酯化合物和環(huán)氧豆油丙烯酸酯化合物的某些胺衍生物可以用于生產(chǎn)某些聚氨酯衍生物,而這種衍生物本身可作為有用的涂料、黏合劑、成型成分等,或可與其他材料組成產(chǎn)生同樣有用的組分。將植物油脂肪酸環(huán)氧化和乙酰化進(jìn)一步得到環(huán)氧酯,環(huán)氧值等于或小于8。用于PVC增塑劑,可以改善PVC聚合物的特性,這種可再生的化合物,能降低成本。用于主增塑劑,以改進(jìn)復(fù)合PVC,獲得和更好的物理性質(zhì),如在低溫條件下,具有較高混合效率與靈活性,以提高抗脂肪族溶劑萃取并改善抗紫外線降解。
PVC是最和應(yīng)用泛的乙烯塑料,PVC大都用增塑劑增塑。大量的PVC通常被稱為硬質(zhì)PVC,用于管道和類似應(yīng)用中,高抗化學(xué)物質(zhì)是必需的。PVC增塑的形式廣泛應(yīng)用于包括薄膜、電纜外皮、成型、固定產(chǎn)品、輸送機(jī)織帶、玩具和軟管。增塑PVC也用做皮革的替代品,可用于服裝和面料。
環(huán)氧化植物油在工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用,如ESO賦予制品良好的機(jī)械性能、耐候性能及電性能,除了廣泛地用于塑料門窗、管材、室內(nèi)裝潢材料、電線電纜及薄膜之外,還可用來(lái)制作要求很高的攝影膠片等,及作為生產(chǎn)電冰箱門上密封墊的專門增塑劑。
ESO用來(lái)作為輔助增塑劑,具有優(yōu)良的熱加工和柔性,在典型的擠出加工溫度下,經(jīng)過(guò)對(duì)PVC聚合物進(jìn)行測(cè)試,ESO已被發(fā)現(xiàn),適用于典型的PVC穩(wěn)定劑的配方,有助于在現(xiàn)有技術(shù)上提高2%~3%的水平。為了進(jìn)一步提高高溫穩(wěn)定性,可以加入如鋅、鈣硬脂酸鹽金屬皂與PVC、ESO組成復(fù)合熱穩(wěn)定劑。
ESO可用于制備偏氯乙烯聚合物,偏氯乙烯聚合物具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性[24] 。
環(huán)氧大豆油穩(wěn)定劑
環(huán)氧化合物包括ESO、EPSO、環(huán)氧亞麻籽油等。其中環(huán)氧油酯于PVC輔助穩(wěn)定劑,無(wú)毒,在一定程度上是作為輔助增塑劑、熱穩(wěn)定劑,用于生產(chǎn)半硬質(zhì)和硬質(zhì)PVC制品。
PVC的降解始于脫反應(yīng),而脫往往從烯丙基氯開(kāi)始,的存在則加快PVC的降解速度,使之很快形成一種多烯的鏈結(jié)構(gòu)。
PVC受熱時(shí),顏色由無(wú)色透明轉(zhuǎn)變成褐色,表現(xiàn)出長(zhǎng)共軛多烯鏈區(qū)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。多烯鏈區(qū)的氧化也會(huì)產(chǎn)生羰基和過(guò)氧化氫基團(tuán),這些基團(tuán)導(dǎo)致PVC發(fā)生一系列的物理變化使顏色加深。ESO本身的環(huán)氧基為的吸收體,可以和烯丙基氯發(fā)生反應(yīng)部分除掉烯丙基,由此延緩了PVC的降解。因此,ESO也是PVC有效的熱穩(wěn)定劑。作為含三元環(huán)氧的環(huán)氧大豆油能和有機(jī)錫產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),長(zhǎng)期發(fā)揮熱穩(wěn)定性和光穩(wěn)定性,能減少昂貴的有機(jī)金屬鹽穩(wěn)定劑的用量[24] 。
環(huán)氧大豆油化妝品增塑劑
化妝品成分組成中有效的增塑劑和溶劑,用于成膜物質(zhì),其中增塑劑為環(huán)氧油,用于構(gòu)成指甲油成分,化妝產(chǎn)品或護(hù)發(fā)產(chǎn)品。
按重量計(jì),增塑劑用于成膜材料中由3%~15%的增塑劑組成,15%~35%成膜物質(zhì)和溶劑等。這些塑化劑具有使用上的靈活性,而不削弱整體性能。如ESO、環(huán)氧亞麻油、EPSO以及它們的混合物。合適的環(huán)氧化油用于化妝品成分作為指甲油組分黏度,是200~400 mPa·S[24] 。
環(huán)氧大豆油口香糖
環(huán)氧大豆油可作為柔軟劑添加到口香糖,可以優(yōu)化口感。該柔軟劑,也被稱為增塑劑和塑化劑,一般加量約5%~15%(重量),用于生產(chǎn)口香糖使用的彈性體增塑劑包括醋酸三甘油酯、EPSO、,以及它們的復(fù)合組分[24] 。相比于其他增塑劑,環(huán)氧大豆油有毒性幾乎沒(méi)有,而且價(jià)格低廉等的優(yōu)點(diǎn)。
環(huán)氧大豆油生物降解農(nóng)膜
ESO可與檸檬酸聚合,在牛皮紙上形成聚酯涂層,用于制造可生物降解的農(nóng)膜。這種涂層可提高紙的濕強(qiáng)度,降低紙的降解速度。
環(huán)保型增塑劑可以用于生物聚合物。可以改善生物聚合物的性能,使之更加靈活和/或改變流動(dòng)特性。多數(shù)生物聚合物可以使用大量環(huán)保型增塑劑。包括甘油、醋酸三甘油酯、環(huán)氧油酯等。
對(duì)以石油為基礎(chǔ)的高分子材料日益增長(zhǎng)的需求使石油已日漸枯竭。廉價(jià)、可生物降解高分子材料的開(kāi)發(fā),對(duì)油脂基高分子材料的開(kāi)發(fā)是一種補(bǔ)充,可以極大地?cái)U(kuò)大和發(fā)展多樣化的生物油市場(chǎng),同時(shí)改善環(huán)境,減少對(duì)石油產(chǎn)品的依賴。用于橡膠的增塑劑,可以是不從石油中提取的材料,不論是合成或天然,具有增塑劑功能的均可應(yīng)用。該增塑劑還包括這些化合物的衍生產(chǎn)品[24] 。
環(huán)氧大豆油安全措施
環(huán)氧大豆油健康危害
H313 皮膚接觸可能有害
H316 造成輕微皮膚刺激
環(huán)氧大豆油危害防治
廢水處理
合成環(huán)氧增塑劑的廢水中主要是有機(jī)酸、中性油脂或脂肪酸甲酯、環(huán)氧中性油脂或環(huán)氧脂肪酸甲酯、過(guò)氧有機(jī)酸、硫酸、過(guò)氧化氫等物質(zhì)。針對(duì)這些污染物,主要采用過(guò)氧化氫催化氧化法,原理是過(guò)氧化氫在亞鐵鹽的催化氧化下,能分解生成較多的、強(qiáng)氧化性的氫氧游離基,通過(guò)這些氫氧游離基去迅速分解有機(jī)物質(zhì),最終生成二氧化碳和水。
具體操作步驟:將車間中排出的廢水利用重力法進(jìn)行隔油,油類盡量回收利用;第二步是加入FeSO4進(jìn)行曝氣催化氧化反應(yīng);再利用氫氧化鈉把PH調(diào)至6~7,然后經(jīng)過(guò)兩級(jí)沉降后在接觸氧化池進(jìn)行曝氣氧化處理,最后達(dá)標(biāo)排放,COD的去除率可達(dá)97.9%[24] 。
事故響應(yīng)
P312 如感覺(jué)不適,呼叫解毒中心或醫(yī)生
P332+P313如發(fā)生皮膚刺激:求醫(yī)/就診
消防措施
滅火介質(zhì):用水霧,耐醇泡沫,干粉或二氧化碳滅火。
特別危害:產(chǎn)品分解后性質(zhì)不明。
消防員保護(hù)措施:如有必要,佩戴自給式呼吸器進(jìn)行消防作業(yè)。
環(huán)氧大豆油毒理資料
環(huán)氧大豆油毒性極低。美、英、法、德、日、意、荷蘭等國(guó)均許可其用于制作食品包裝材料[3] 。
鼠經(jīng)口 | LD50 | 22.5 mL/kg |
兔經(jīng)皮 | LD50 | >20.0mL/kg |
Leuciscus(高體雅羅魚) | LC50 | 900 mg/L(48 h) |
Daphnia magna(水溞) | EC50 | >100 mg/L(24 h) |
Desmodesmus subspicatus(綠藻) | EC50 | 8 mg/L(72 h) |
急性毒性試驗(yàn):每天給5 mg環(huán)氧結(jié)構(gòu)的氧(相當(dāng)于環(huán)氧50 mg)時(shí),對(duì)鼠類生長(zhǎng)有妨礙,如果每天給45 mg環(huán)氧結(jié)構(gòu)的氧,則供試驗(yàn)的鼠在8天內(nèi)有80%死亡。
慢性中毒試驗(yàn):用兩種環(huán)氧化大豆油(Paraplex G60,G62)按5%的濃度混入飼料中連續(xù)喂鼠兩年,結(jié)果表明在飼養(yǎng)的初期對(duì)生長(zhǎng)是有影響的,但是繼續(xù)飼養(yǎng)下去沒(méi)有明顯的影響,且對(duì)血液、組織病理學(xué)未見(jiàn)有害的影響。
致癌性:無(wú)[26] 。
環(huán)氧大豆油儲(chǔ)存運(yùn)輸
環(huán)氧大豆油儲(chǔ)存方法
保管注意置于陰涼通風(fēng)干燥處,并防曬防潮[16] 。
環(huán)氧大豆油運(yùn)輸方法
鍍鋅鐵桶及塑料桶包裝[2] 。
環(huán)氧大豆油檢測(cè)方法
環(huán)氧大豆油碘值的測(cè)定
將精確稱取的0.6~1.2 g樣品加入250 mL碘量瓶中,用10 mL或溶解。再加入25 mL三溴化合物甲醇溶液,搖勻后置于暗處20 min。然后加入15 mL15%溶液和75 mL水,用0.1 g/L標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到淡黃色。再加入1~2 mL0.5%的淀粉指示劑,繼續(xù)滴定到藍(lán)色消失。同時(shí)作空白試驗(yàn)。
式中:V1——滴定空白耗用標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù);
V1——滴定樣品耗用標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù);
N——標(biāo)準(zhǔn)溶液當(dāng)量濃度;
G——樣品的重量,g;
0.1269——碘的毫克當(dāng)量[17] 。
環(huán)氧大豆油環(huán)氧值的測(cè)定
將精確稱取的0.5~1.0 g樣品加入250 mL三角錐形瓶中,加入精確計(jì)量的鹽酸-丙酮溶液20 mL,搖勻后置于暗處?kù)o止30 min。然后加入由甲酚紅和百里香酚藍(lán)組成的混合指示劑5滴,用0.15 g/L氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至紫藍(lán)色,同時(shí)作空白試驗(yàn)。
式中:V——空白試驗(yàn)耗用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù);
V1——試樣試驗(yàn)耗用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù);
V2——試樣中測(cè)定酸值消耗用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液的毫升數(shù);
N——?dú)溲趸c標(biāo)準(zhǔn)溶液的當(dāng)量濃度;
W——試樣重量,g;
G——測(cè)定酸值時(shí)試樣的重量,g;
0.016——氧的毫克當(dāng)量[17] 。
環(huán)氧大豆油食品中含量
原理:用乙酸乙酯提取食品模擬物中的環(huán)氧大豆油,經(jīng)甲酯化和用環(huán)戊酮衍生化后,用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(SIM模式)測(cè)定其中含量的18:2E的衍生化物,采用內(nèi)標(biāo)法定量。
取樣:測(cè)試試樣按照GB/T 23296.1的要求從遷移試驗(yàn)中獲取,在0~4℃條件下避光保存。
水基食品模擬物試樣:移取5 mL經(jīng)遷移試驗(yàn)獲得的水基食品模擬物到具塞離心管中,加入5 mL和100 μL11,14-二環(huán)氧二十烷酸乙酯內(nèi)標(biāo)物溶液,渦旋振蕩1 min,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一具塞離心管中,用氮?dú)獯蹈扇軇尤? mL 0.02 mol/L甲醇鈉溶液,再加入約1 g混勻,在60℃下保持2 h進(jìn)行甲酯化(每隔20 min充分振蕩)。冷卻至室溫后,加入5 mL正己烷和5 mL 10%的檸檬酸鈉搖勻,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一離心管中,加入約1 g,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一離心管中,用氮?dú)獯蹈扇軇灰来渭尤? mL異辛烷、1.5 mL環(huán)戊酮和0.5 mL絡(luò)合物,振蕩30 s,加入5 mL 2 mol/L氯化鈉溶液振勻,停止衍生反應(yīng)。在4000 r/min下離心3 min,轉(zhuǎn)移上清液并用異辛烷定容至5 mL,供GC/MS進(jìn)樣測(cè)定。
橄欖油模擬物試樣:從遷移試驗(yàn)中精確量取5.0 g(精確至0.01 g)橄欖油于具塞離心管中,加入5 mL和100 μL11,14-二環(huán)氧二十烷酸乙酯內(nèi)標(biāo)物溶液,渦旋振蕩1 min,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一具塞離心管中,用氮?dú)獯蹈扇軇尤? mL 0.02 mol/L甲醇鈉溶液,再加入約1 g混勻,在60℃下保持2 h進(jìn)行甲酯化(每隔20 min充分振蕩)。冷卻至室溫后,加入5 mL正己烷和5 mL 10%的檸檬酸氫二鈉振蕩搖勻,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一離心管中,加入約1 g,在4000 r/min下離心3 min,將有機(jī)相轉(zhuǎn)移至另一離心管中,用氮?dú)獯蹈扇軇灰来渭尤? mL異辛烷、1.5 mL環(huán)戊酮和0.5 mL絡(luò)合物,振蕩30 s,加入5 mL 2 mol/L氯化鈉溶液振勻,停止衍生反應(yīng)。在4000 r/min下離心3 min,轉(zhuǎn)移上清液并用異辛烷定容至5 mL,供GC/MS進(jìn)樣測(cè)定。
GC/MS檢測(cè)環(huán)氧大豆油(4張)
氣相色譜-質(zhì)譜工作條件:
能夠保證被測(cè)組分有效分離的其中一組參數(shù):
色譜柱:DB5-MS,30 cm(長(zhǎng)度)×0.32 mm(內(nèi)徑)×0.25 μm(膜厚),或性能相當(dāng)者。
柱溫:80℃保持2 min,以20℃/min升溫至275℃,保持12 min。
進(jìn)樣口溫度:250℃。
四極桿溫度:150℃。
離子源溫度(EI):230℃。
載氣(氦氣)流速:35 cm/s。
進(jìn)樣量:2 μL。
掃描方式:SIM。
選擇離子:目標(biāo)物:m/z 309(定量離子),m/z 277;內(nèi)標(biāo)物:m/z 377(定量離子),m/z 305[27] 。
環(huán)氧大豆油相關(guān)法規(guī)
(一)無(wú)毒性
符合美國(guó)FDA食品添加物規(guī)則“181.27及175.300”之要求。并獲得日本JHPA(PVC食品衛(wèi)生協(xié)議會(huì))PL規(guī)格[B.7(1)]之認(rèn)可(認(rèn)可號(hào)碼J-7059)。特別適于做食品包裝或醫(yī)療用之材料。
(二)低揮發(fā)性、耐抽出性及耐移行性
B-22及B-22D分子量約1000做為PVC之可塑劑,其揮發(fā)性為DOP的1/5,耐溶劑性遠(yuǎn)優(yōu)于DOP。又B-22及B-22D之碘價(jià)低,故耐移行性優(yōu)良。
(三)耐候性、耐熱性特優(yōu)
B-22在PVC制品中,與金屬安定劑共用,具有協(xié)合作用(Synergitism),使PVC樹(shù)脂之耐候性、耐熱性、透明性大幅提高,同時(shí)可降低金屬安定劑之用量而降低成本。
又在環(huán)保意識(shí)提高的時(shí)候,B-22與Ca-Zn安定劑,為無(wú)公害、無(wú)毒性之配方,可取代Cd-Ba-Zn或鉛系安定劑。在難燃配方中,添加B-22,則安定性大為改善。
(四)該物質(zhì)已被歐盟在食品接觸材料中限制使用
遷移限值為60 mg/kg,當(dāng)用于兒童食品的pvc墊圈時(shí)限值應(yīng)小于30 mg/kg,且氧烷< 8%,碘值 < 6。[28]
質(zhì)量指標(biāo)指標(biāo)名稱 | 指標(biāo) | 試驗(yàn)方法 |
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外觀 | 淡黃色油狀液體 | 目測(cè) |
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色度(Pt一Co比色) | ≤170號(hào) | GB/T 1664-1995 |
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相對(duì)密度(d?2?) | 0.988-0.999 | GB/T 4472-1984中2.3.1 |
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環(huán)氧值 | ≥6.0% | GB/T 1677-2008中鹽酸-丙酮法 |
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酸值 | ≤0.6mg KOH/g | GB/T 1668-2008 |
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閃點(diǎn) ,℃(開(kāi)杯) | ≥280 | GB/T 1671-2008 |
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加熱減量(125℃,3h) | ≤0.2% | GB/T 1669-2001 |
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碘值 | ≤5.0 | GB/T 1676-2008[29] |
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環(huán)氧大豆油衍生物
上游原料:苯、大豆油、過(guò)氧化氫、甲酸、硫酸
下游產(chǎn)品:壓延彩色聚氯乙烯硬板片、鈣鋅無(wú)毒復(fù)合穩(wěn)定劑、聚氯乙烯液體復(fù)合熱穩(wěn)定劑