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            聚烯烴用受阻酚類抗氧劑的合成與應用研究進展

            2023-10-11 1888

            受阻酚類抗氧劑由于具有毒性較低、相容性好等優勢,是市場上應用最廣泛的抗氧劑之一。新型高效的抗氧劑廣泛地應用于合成橡膠、聚烯烴塑料、纖維制品等高分子材料領域,以及石油產品中。

            聚合物材料在高溫加工或使用過程中,由于氧原子的襲擊會使其發生氧化降解。經過多年的研究發現,聚合物的A動氧化過程是一系列A由基反應過程。反應初期的主要產物是由氫過氧化物在適當條件下分解成活性自由基,該自由基又與大分子烴或氧反應生成新的自由基,這樣周而復始地循環,使氧化反應按自由基鏈式歷程進行。在聚合物老化過程中,如果可以有效地捕獲過氧化自由基,就可以終止該氧化過程。但生成過氧化自由基的反應速率極快,所以在有氧氣存在的條件下,自由基捕獲劑便會失效。在受阻酚類抗氧劑存在的情況下,1個過氧化自由基(R00 7)將從聚合物(RH)上奪取1個質子,打斷這一系列自由基反應,這是自動氧化的控制步驟。當加入受阻酚抗氧劑時,它比那些聚合物更易提供質子,即提供了一個更加有利的反應形成酚氧自由基,這使聚合物相對穩定,不會進一步發生氧化。

            聚烯烴材料是指以由一種或幾種烯烴聚合或共聚制得的聚合物為基材的材料。聚烯烴塑料是通用塑料的一種,它主要包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和POE、EVA、MMA等高級烯烴聚合物。聚乙烯(PE) 又分為高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)。聚烯烴塑料即烯烴的聚合物,是一類產量最大、應用最多的高分子材料;其中以聚乙烯、聚丙烯最為重要。由于原料豐富、價格低廉、容易加工成型、綜合性能優良等特點,在現實生活中應用最為廣泛,其在汽車上應用也越來越重要,并有逐步擴大之趨勢。

            聚烯烴材料應用廣泛,需求量大,所以聚烯烴用受阻酚抗氧劑具有良好的發展前景,聚烯烴材料具有優異的力學性能和化學惰性,被廣泛應用于生活和生產的各個領域。但在其加工和使用過程中會受到光、熱、氧、機械剪切和重金屬離子等作用,發生老化降解,直至喪失使用價值。對于大多數聚烯烴材料來說,采用添加抗氧劑的方法來提高其抗氧化性能是一種簡便有效的途徑,其中受阻酚類抗氧劑是應用最廣泛的主抗氧劑。

            早在1870年,研究者就將苯酚、甲酚等這類簡單的酚類化合物作為聚合物的抗氧劑使用,但對其作用機理上不明確,隨著聚合物應用領域的拓寬,對其老化機理的研究不斷深入,自動老化機理別提出和認可。1937年,第1個受阻酚類抗氧劑2,6-二叔丁基苯酚被成功開發。

            隨后,以2,6-二叔丁基苯酚為基本結構的新型受阻酚類抗氧劑被廣泛開發,如抗氧劑2246、抗氧劑300、抗氧劑736以及抗氧劑1076等,考察其在聚烯烴材料中應用性能的研究大量涌現。

            抗氧劑1076結構中具有烷基長鏈,可以增強其在聚烯烴材料中的溶解性和抗遷移性,使其具有更加優異的抗氧化效果,仍是目前使用量較大的聚烯烴抗氧劑。Chakraborty等將抗氧劑1076、紫外線吸收劑HOBP和輔助抗氧劑NiDEC/ZnDEC 添加到聚丙烯材料中,結構如圖4所示??疾煸诠饫匣蜔崂匣瘲l件下,各助劑間的協同效果,結果表明,在熱老化過程中,助劑間具有不同程度的協同作用,尤其是1076和輔助抗氧劑ZnDEC聯合使用時聚丙烯的氧化誘導期高達330min。在光老化過程中紫外線吸收劑HOBP和輔助抗氧劑ZnDEC具有很好的協同作用,而1076和輔助抗氧劑ZnDEC幾乎沒有協同作用,這主要是由于在光老化過程中紫外線吸收劑HOBP能夠與老化產生的活性物質反應,保護輔助抗氧劑ZnDEC,而1076卻不具有這種特性。

            近年來,有關1010和1330的研究也較多。2015年,Damodaran將抗氧劑加入到聚丙烯材料中,采用傅里葉紅外光譜儀測定了不同老化試樣的紅外譜圖,結果隨老化時間的增長,兩體系在波束1600~1700cm-1之間的紅外吸收強度均發生變化,但老化后的PP2體系在1745、1640和1620cm-1處的紅外吸收強度大于PP1體系,這主要是由于1010結構中存在酯基,在水中水解成小分子,會從材料中遷移出來,從而導致含有較多1010的PP1的抗氧化性降低,紅外吸收增強。

            隨著高相對分子質量受阻酚類抗氧劑需求的增加,新型高相對分子質量受阻酚類抗氧劑不斷被開發。Wang等以季戊四醇四丙烯酸酯和2,4-二叔丁基對羥基苯硫酚為原料合成大分子抗氧劑SAO,并將其添加到聚丙烯材料中,在150℃烘箱老化考察其抗氧化性。結果表明SAO具有的抗氧化性。

            在聚烯烴材料發生老化過程中,受阻酚類抗氧劑可以快速的提供氫質子,終止自由基,抑制材料的老化。然而,受阻酚類抗氧劑在捕獲自由基時生成的氫過氧化物對熱氧老化降解具有自動催化作用,而受阻酚本身不能分解氫過氧化物,

            所以單獨使用受阻酚類抗氧劑時,難以達到理想的抗氧化效果。輔助抗氧劑如亞磷酸酯類、硫代酯類抗氧劑能夠有效分解氫過氧化物,與受阻酚類抗氧劑復配使用時具有更加優異的抗氧化效果,成為聚烯烴用抗氧劑的研究熱點。

            Grabmayer等將1024、1010、1330和168加入到聚乙烯材料中,在115 ℃條件下進行加速老化試驗。結果兩聚乙烯試樣在加速老化818h后熒光強度開始顯著增加,材料發生老化,并且試樣PE1的抗老化效果更好,說明主輔抗氧劑復合使用具有優異的抗氧化效果。

            綜上所述,將受阻酚類抗氧劑添加到聚烯烴材料中,能夠有效抑制材料的老化。隨著我國聚烯烴行業的飛速發展,受阻酚類抗氧劑向著高相對分子質量、復配使用方向發展。雖然傳統受阻酚類抗氧劑也具有一定的抗氧化效果,但由于其易揮發,使其抗氧化性能受到限制。高相對分子質量受阻酚類抗氧劑能夠有效減少抗氧劑的揮發損失,大幅度提高抗氧劑的抗氧化性能。主輔抗氧劑的復合使用,能夠最大限度發揮各抗氧劑的優勢,而將其劣勢減小到最低,將是今后受阻酚類抗氧劑發展的重要趨勢。

            參考文獻:王玉如,閆義彬,吳 雙,牛 娜,任 鶴 ,聚烯烴用受阻酚類抗氧劑的合成與應用研究進

            展 ,精細石油化工第37卷 第1期2020年1月


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