发明领域
本发明涉及用于PVC的液体热稳定剂,该稳定剂无毒作用,对增塑的PVC具有稳定作用,并且该稳定作用类似于使用基于本身有致癌性、生殖毒性和诱变性(CRM)风险的组分的稳定剂得到的稳定作用。
用于增塑的PVC的液体热稳定剂的制剂必须使用与PVC的物理化学性质相容的亲油性酸的Ba盐和Zn盐的特定混合物;该制剂在与PVC混合时还必须能提供合适的润滑作用,使得可以通过常用的要求流体或软化PVC与机器的热金属装置接触的主要技术(压延、注塑、挤出等)来加工PVC。
4-叔丁基苯甲酸是这些制剂的主要组分。该酸目前被归入CRM类别(生殖毒性类别:2)。因此,该酸及其相应的盐不应用于热稳定剂制剂,因为含有这些化学物质的PVC终产品可能释放它们,导致危害公众健康的巨大潜在风险。
而且,制备稳定剂和PVC终产品中涉及的工作人员可能长期暴露于上述化学物质,他们的健康有遭到侵害的风险。
因此,在用于PVC的液体热稳定剂的常规制剂中,存在这样的工业需求,即用更安全且具有能赋予增塑PVC类似的稳定性和加工性能的合适特性的酸代替4-叔丁基苯甲酸。
背景技术
目前用于增塑PVC的液体热稳定剂的最先进的制剂主要基于:基于长链脂族羧酸和芳族羧酸的组合的Ba/Zn或Ca/Zn盐的混合物;磷的有机衍生物;以及任选的作为稀释剂的高沸点烃和增塑剂。向这些混合物中添加助稳定剂和其它添加剂如抗氧化剂、润滑剂、增塑剂,以改进性能。
芳族羧酸的存在是非常重要的,因为芳族羧酸的盐能在加工过程中改善PVC制剂的初始颜色而不会影响透明度。苯甲酸是最简单的芳族羧酸,但是由于其无机盐的亲油性差,可能带来析出(place-out)的问题,主要是在压延操作中。
相反,4-叔丁基苯甲酸具有满足该技术要求的最佳物理化学性质。
美国专利第5,880,189号提及一种热稳定剂组合物,该组合物为PVC膜提供良好的润湿性,对施加在该膜上的水性油墨具有良好的粘附性。据该专利文献揭示,当Ba/Zn盐是基于C8-C10芳族羧酸并且脂族羧酸盐与芳族羧酸盐的重量比在3∶1到1∶3的范围内(优选约1∶1)时,Ba/Zn液体热稳定剂具有良好的性能。
出乎意料地,我们已经发现,即使脂族羧酸盐与C8-C10芳族羧酸盐的比率超过3∶1,也能使热稳定剂具有以下性能:制剂中不用4-叔丁基苯甲酸也对稳定剂的热稳定能力以及PVC的加工性能无干扰。
发明概述
本发明的一方面是一种Ba/Zn液体稳定剂组合物,该组合物不含4-叔丁基苯甲酸,能赋予PVC极佳的热稳定性和加工性,而没有苯甲酸及其盐的缺陷。
尤其是,该液体热稳定剂配方中的主要组分是:
a)一种或多种含有6-20个碳原子的直链或支链脂族饱和或不饱和羧酸和一种或多种含有8-10个碳原子的芳族羧酸的混合钡盐和锌盐,这些盐不属于CRM类别,其中,脂族酸盐与芳族酸盐的重量比高于3∶1;
b)一种或多种具有通式R1OP(OR2)OR3的有机亚磷酸酯,其中R1、R2和R3是相同或不同的,各自为含有6-15个碳原子的烷基,或苯基,或C10-C20烷基芳基。
发明详述
本发明的液体热稳定剂的最重要方面之一是它们能使增塑PVC的操作者和终端用户避免与存在毒性问题的化学品如生殖毒性产品(2类)发生任何接触。
事实上,本发明的液体稳定剂避开了属于上述毒性类别的酸盐。
该液体稳定剂通过钡和锌的氢氧化物或氧化物与C6-C20脂族羧酸和C8-C10芳族羧酸的混合物反应来制备;该成盐反应任选地在通式R1OP(OR2)OR3的有机亚磷酸酯和溶剂存在下进行,所述溶剂选自C8-C16烷基醇、二醇或二醇醚,或低挥发性的烃。或者,通式R1OP(OR2)OR3的有机亚磷酸酯和上述溶剂可以在成盐反应结束时加入。
任选地,可以向上述制备的液体热稳定剂中加入一种或多种助稳定剂,例如β-二酮和二氢吡啶,羧酸钡/碳酸钡(高碱性钡)溶液,C6-C20脂族羧酸的锌盐(在Ba/Zn的比率上有更多的灵活性)。较佳地,不向本发明的液体热稳定剂中加入亚磷酸酯。
所述盐混合物包含Ba和Zn的阳离子。盐混合物中Ba/Zn的重量比约为1∶1-10∶1,优选约为3∶1-8∶1,更优选约为3.5∶1和4∶1。
盐混合物还包含含有两种不同类型阴离子的阴离子组分。一种类型由一种或多种选自下组的阴离子组成:直链或支链、饱和或不饱和的含有6-20个碳原子的脂族羧酸;优选的酸是分子中有0-3个碳碳双键的羧酸。最优选的羧酸是油酸(或橄榄油脂肪酸)、新癸酸和辛酸的异构体,例如2-乙基己酸。第二类阴离子由一种或多种含有8-10个碳原子的芳族羧酸组成。芳族羧酸是含有苯环的分子,其中羧酸部分直接或间接通过饱和或不饱和亚烷基桥与苯环连接;苯环可额外地被一个或多个烷基取代。优选的芳族羧酸是苯甲酸的取代衍生物;最优选的芳族羧酸是未归入CRM的酸,尤其是4-异丙基苯甲酸、4-乙基苯甲酸、2-甲基苯甲酸、3-甲基苯甲酸、4-甲基苯甲酸、3,4-二甲基苯甲酸和2,4,6-三甲基苯甲酸。
脂族羧酸盐与C8-C10芳族羧酸盐的重量比高于3∶1,优选在约3.5∶1到7∶1的范围内。
所述盐混合物可通过碱性Zn和Ba化合物如氧化锌和氢氧化钡与脂族羧酸或C6-C20脂族羧酸(例如油酸、新癸酸或2-乙基己酸)与芳族羧酸的混合物在有机亚磷酸酯存在下反应来制备,所述芳族羧酸例如是4-异丙基苯甲酸、4-乙基苯甲酸、2-甲基苯甲酸、3-甲基苯甲酸、4-甲基苯甲酸、3,4-二甲基苯甲酸和2,4,6-三甲基苯甲酸或它们的混合物。该反应在剧烈搅拌下进行,得到有机酸的钡盐和锌盐的均相混合物。
热稳定剂的制备还可能需要使用溶剂,例如高沸点烃(例如异链烷烃和Exxsol类别的氢化环烷烃的混合物)、C12-C15氧代醇、二醇、二醇醚、直链,支链C15-C40烷基苯的混合物,以及它们的混合物。
通式R1OP(OR2)OR3的有机亚磷酸酯是本发明液体热稳定剂中的主要化合物,其中R1、R2和R3是相同或不同的,各自为含有6-15个碳原子的烷基,或苯基,或C10-C20烷基芳基;优选有机亚磷酸酯是三烷基亚磷酸酯、二苯基烷基亚磷酸酯、苯基二烷基亚磷酸酯、三苯基亚磷酸酯、三烷基芳基亚磷酸酯、二烷基芳基烷基亚磷酸酯、一烷基芳基二烷基亚磷酸酯,或它们的混合物;最优选的有机亚磷酸酯是三壬基苯基亚磷酸酯、癸基二苯基亚磷酸酯和三(十三烷基)亚磷酸酯。
有机亚磷酸酯也可以在上述盐化反应之后加入。较佳地,有机亚磷酸酯在盐化反应之后加入,并且有机亚磷酸酯是癸基二苯基亚磷酸酯和/或三(十三烷基)亚磷酸酯和/或三烷基亚磷酸酯(5-9%)、二烷基壬基苯基亚磷酸酯(42-43%)和一烷基二壬基苯基亚磷酸酯+三壬基苯基亚磷酸酯(53-48%)的混合物,其中烷基是含有12-15个碳原子的直链或单支链烷基。
亚磷酸酯的总重量(用P表示)与Ba和Zn混合盐的重量之比为0.04-0.07,更优选为0.05-0.06。
可以在适当的温度下,在搅拌下向这样得到的混合物中加入一种或多种助稳定剂,例如β-二酮或二氢吡啶,更优选是二苯甲酰基甲烷、硬脂酰基苯甲酰基甲烷、脱氢乙酸或它们的混合物。
以稳定剂的总重量为基准计,助稳定剂的加入量为0.1重量%-8重量%,优选为0.2重量%-5重量%,更优选为0.4重量%-3重量%。
可加入到热稳定剂制剂中的其它组分是:C6-C20脂族羧酸的高碱性钡、锌盐,其它添加剂如抗氧化剂、增塑剂、润滑剂、阻燃剂、填料、颜料等,它们的相对量应满足各附加组分所需的功能。这些组分可在制备盐和亚磷酸酯的混合物之后加入。
本发明的稳定剂体系可有效增强PVC树脂对热媒劣化(heat-mediateddeterioration)的耐受性,热媒劣化也就是由于过度受热而导致的劣化,以及由于受热而引起或加快的劣化。
文中所用的术语“PVC”包括至少部分由重复基团(-CHCl-CX2-)n形成且氯含量超过40%的任何聚合物。在该通式中,各X基团可以是氢或氯,n是聚合物链的单元数。在PVC均聚物中,各X基团是氢。因此,该术语不仅包括聚氯乙烯均聚物,还包括后氯化的聚氯乙烯,以及氯乙烯作为主要组分与其它可共聚单体的共聚物,例如氯乙烯与乙酸乙烯酯的共聚物,氯乙烯与马来酸或富马酸或其酯的共聚物,以及氯乙烯和苯乙烯的共聚物。
本发明的稳定剂组合物对于含主要比例的PVC和次要比例的其它合成树脂(例如氯化聚乙烯或丙烯腈,丁二烯和苯乙烯共聚物)的PVC混合物也是有效的.
本发明的稳定剂组合物优选可用在不同的制造工艺如压延、注塑、挤出等中稳定增塑的PVC,在压延工艺中是特别有效的。
它们的用量较少,但是能有效地赋予PVC所需的抵抗热媒劣化的稳定性。可通过向PVC树脂中加入约1-5phr(重量份数/100重量份树脂)的本发明热稳定剂来实现有效的热稳定性。稳定剂的量优选约为1.5-3phr。
以下实施例用来说明本发明稳定剂的制备和应用。以下实施例的目的是用来说明,而非限制申请人认为的本发明的范围。
实施例1-使用4-乙基苯甲酸
将97.5克油酸、17.5克4-乙基己酸、44.5克氧代醇C12-C15、5.9克直链烷基苯C15-C40和67.0克三壬基苯基亚磷酸酯在加热的圆底烧瓶中混合,并用机械搅拌器搅拌。
将该混合物在60℃加热,分批加入12.0克氧化锌。将温度升高到100℃。在1小时后,加入33.1克4-乙基苯甲酸和36克一水合氢氧化钡。将温度升高到140℃,在该温度保持2小时。得到300克Ba盐和Zn盐的澄清混合物,Ba/Zn的重量比为2.7∶1。
在60℃,在搅拌下向该混合物中加入94.7克癸基二苯基亚磷酸酯、63.2克高碱性钡盐(钡含量为17.7克)、26.3克油酸和新癸酸的锌盐(Zn含量为2.1克)在癸基二苯基亚磷酸酯(13.8克)中形成的溶液、22.1克直链烷基苯C15-C40的混合物、10克二苯甲酰基甲烷和10克抗氧化剂。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和4-乙基苯甲酸的比率为4.16∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.051。
实施例2-使用4-异丙基苯甲酸
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被36.2克4-异丙基苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量减少到2.8克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和4-异丙基苯甲酸的比率为3.8∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.051。
实施例3(使用4-甲基苯甲酸)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被30.0克4-甲基苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量增加到9.0克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和4-甲基苯甲酸的比率为4,6∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.052。
实施例4(使用3-甲基苯甲酸)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被30.0克3-甲基苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量增加到9.0克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和3-甲基苯甲酸的比率为4.6∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.052。
实施例5(使用2-甲基苯甲酸)
重复实施例1的步骤,但是2-乙基苯甲酸被30克2-甲基苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量增加到9.0克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和2-甲基苯甲酸的比率为4.6∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.052。
实施例6(使用3,4-二甲基苯甲酸)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被33.1克3,4-二甲基苯甲酸代替。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和3,4-二甲基苯甲酸的比率为4.16∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.051。
实施例7(使用2,4,6-三甲基苯甲酸)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被36.2克2,4,6-甲基苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量减少到2.8克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和2,4,6-三甲基苯甲酸的比率为3.8∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.051。
实施例8(使用苯甲酸作为对比产品)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被26.9克苯甲酸代替,将直链烷基苯C15-C40的量增加到12.1克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和苯甲酸的比率为5.1∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.053。
实施例9(使用4-叔丁基苯甲酸作为对比产品)
重复实施例1的步骤,但是4-乙基苯甲酸被39.3克4-叔丁基苯甲酸代替,不使用直链烷基苯C15-C40,将氧代醇C12-C15的量减少到44.2克。
得到526.3克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.7∶1,脂族羧酸和苯甲酸的比率为3.5∶1。磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.050。
实施例10(使用3-甲基苯甲酸,脂族羧酸和3-甲基苯甲酸之间的比率更高)
将20克油酸、1.8克新癸酸、7.2克氧代醇C12-C15、10.8克三壬基苯基亚磷酸酯在加热的圆底烧瓶中混合,并用机械搅拌器搅拌。
将该混合物在60℃加热,分批加入2.4克氧化锌。在搅拌下将温度升高到100℃。在1小时后,向澄清混合物中加入5.1克3-甲基苯甲酸和5.8克一水合氢氧化钡。将温度缓慢升高到140℃,在该温度保持2小时。得到50克Ba盐和Zn盐的澄清混合物,Ba/Zn的重量比为2.2∶1。
在60℃,在搅拌下向该混合物中加入26克癸基二苯基亚磷酸酯、30克高碱性钡盐(钡含量为8.4克)、20克油酸和新癸酸的锌盐(Zn含量为1.6克)在癸基二苯基亚磷酸酯(10.5克)中形成的溶液、57克异链烷烃和氢化环烷烃的混合物、10克丁基卡必醇、4克二苯甲酰基甲烷和3克酚类抗氧化剂。
得到200克Ba/Zn稳定剂,其中Ba/Zn的比率为3.6∶1,脂族羧酸和3-甲基苯甲酸的比率为6.8∶1。
磷的总含量与Ba盐和Zn盐的重量之间的比率为0.059。
实施例11
为评价实施例1-10的稳定剂的性能而进行的测试如下所述:
a)静态热稳定性
为了进行静态热稳定性测试,将上述实施例中记载的稳定剂制剂结合到具有表1所示配方的PVC树脂中。
表1
组分 量(phr) PVC-S K70 100 DIDP 32 环氧化大豆油 3 CaCO3 20
TiO2 15
将2.5phr的实施例1-4、6、10和9(作为对比)的稳定剂加入到这些组分的均匀混合物中;在加入稳定剂后,用加热的双辊研磨机(温度180℃,摩擦力1-1.5)处理各混合物。在混合3分钟后,得到PVC薄膜,在室温冷却后,从该膜上切下一些2x20厘米的条。
将这些条引入200℃的Werner Mathis烘箱中,基本时间为4分钟,每4分钟20毫米。
在循环结束后,从烘箱中取出样品,标记从条的起点到开始燃烧处的距离(毫米)。
条的起点与开始燃烧处之间的距离越长,说明稳定剂越有效(表2)。
表2
稳定剂 毫米 实施例1 190 实施例2 185 实施例3 190 实施例4 185 实施例5 180 实施例10 180 实施例9(对比)PTBBA 175
b)析出(plate out):将上述实施例中记载的热稳定剂制剂结合到具有表3所示配方的PVC树脂中。
表3
向这些组分的均匀混合物中加入2phr的实施例1-7和8(作为对比)的稳定剂;在加入稳定剂后,用加热的双辊研磨机(圆柱体温度180℃,摩擦力1-1.5)处理各混合物1分钟。
然后,在不清洁圆柱体的情况下取出片。
用表4的制剂制备清洁混合物。
表4
组分 量(phr) PVC-S K70 100 DOP 40 CaCO3 20 TiO2 1 稳定剂 2
该清洁混合物在双辊研磨机上胶化,在圆柱体上在180℃连续混合3分钟。在结束时,将片从圆柱体上分离。片的颜色越浓,说明原制剂留下的材料的量越多。用比色计评价清洁片的颜色,测量a*值,按照此方式可以量化不同产品之间的相对区别。a*值越高,说明析出越严重。
表5
稳定剂 a* 实施例1 3.68 实施例2 4.09 实施例3 4.56 实施例4 6.09 实施例5 7.38 实施例6 3.88 实施例7 10.28 实施例8(对比,苯甲酸) 17.50
上述实施例表明,使用芳族羧酸C8-C10制备的稳定剂具有以下特征:
a)与使用4-叔丁基苯甲酸相比至少具有相同的抵抗PVC热劣化的稳定性,这样它们可以代替威胁公众健康的4-叔丁基苯甲酸;
b)与苯甲酸相比减少了PVC片加工过程中的析出,特别是对于压延应用,该效应在工业实践中非常重要。