生物基增塑劑HM-828性能及其對PVC性能的影響

毋亭亭，潘海泉，鄧健能，鐘增培，李道斌

(廣州市海珥瑪植物油脂有限公司，廣東　廣州　510430)

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生物基增塑劑HM-828性能及其對PVC性能的影響

毋亭亭，潘海泉，鄧健能，鐘增培，李道斌

(廣州市海珥瑪植物油脂有限公司，廣東廣州510430)

研究了新型環保生物基增塑劑二乙酰環氧植物油酸甘油酯(HM-828)的結構及主要性能；選用環氧大豆油(ESO)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)、已二酸二辛酯(DOA)、偏苯三酸三辛酯(TOTM)及HM-828為增塑劑分別制備了增塑聚氯乙烯(PVC)，對添加40份增塑劑的PVC制品的動態熱穩定性、熱老化質量損失、拉伸性能、硬度等進行表征。結果表明：六種增塑PVC混合物料中，DOA扭矩最小，加工能耗最低；HM-828的增塑性能與DOP和DINP相近；DOP/DINP/DOA/TOTM四種物料的耐熱性不及HM-828和ESO；六種增塑PVC制品的熱老化質量損失為DOA>DOP>DINP>HM-828>TOTM>ESO；其拉伸強度均大于20 MPa，斷裂伸長率均大于270%；以DOP/DINP/DOA增塑PVC制品的邵氏硬度比另外三種高出7度左右。

聚氯乙烯；HM-828；動態熱穩定性；拉伸性能；熱老化質量損失

近年來，隨著人們環境保護意識的增強，醫藥、食品包裝、日用品以及玩具等塑料制品對增塑劑提出了更高的衛生要求。長期以來增塑劑主要是以鄰苯類產品為主，但是人們發現該類增塑劑對人體有某些毒副作用[1]，因此無毒環保的增塑劑成為全球增塑劑研究的重點。環氧植物油和環氧脂肪酸酯類等生物基增塑劑性能優良，在塑料工業中應用廣泛。其中，環氧大豆油具有良好的耐熱性、耐光性、互滲性、低溫柔韌性，且揮發度低，是目前增塑效果比較好的無毒環保型增塑劑；但其相對分子質量較大、粘性較大、流動性差。由于環氧大豆油結構中包含環氧基團，具有較好的熱穩定性；而三醋酸甘油酯分子較小，其粘度較環氧大豆油小，因此海珥瑪公司結合二者結構的特征和性質，合成出一種增塑效果與環氧大豆油相似，但分子量低、流動性好的環氧乙酸酯類增塑劑——二乙酰環氧植物油酸甘油酯(產品型號HM-828)[2]。在此基礎上，本文進一步研究了HM-828的結構及主要性能，并選用環氧大豆油(ESO)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)、已二酸二辛酯(DOA)、偏苯三酸三辛酯(TOTM)及HM-828分別制備了增塑聚氯乙烯(PVC)，對添加40份增塑劑的PVC制品的動態熱穩定性、熱老化質量損失、拉伸性能、硬度等進行了研究。

1　實　驗

1.1主要原材料

生物基增塑劑二乙酰環氧植物油酸甘油酯，產品型號HM-828，廣州市海珥瑪植物油脂有限公司專利產品[2]。HM-828是以植物油和甘油為原料，依次經過酯交換、乙酰化、環氧化等步驟合成出的一種新型環保、可生物降解的增塑劑，具有如式(I)或式(II)所示結構，其中R1、R2、R3為植物油中20個碳原子以下的脂肪酸，CAS注冊號為1487263-87-5。

PVC樹脂，牌號SG-5(軟)，西安北元化工集團有限公司；熱穩定劑；其它常用增塑劑，如環氧大豆油(ESO)、鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)、鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)、已二酸二辛酯(DOA)、偏苯三酸三辛酯(TOTM)。

1.2儀器與設備

G&GJJ200電子天平(0.01 g)，常熟市雙杰測試儀器廠；C20水分儀，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；ME204E分析天平(0.0001 g)，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；SYD-3536克利夫蘭開口閃點試驗器，上海昌吉地質儀器有限公司；φ8∥X20∥實驗室軋輪機，臺灣泓陽；TH8011A換氣式老化試驗機，東莞市天海質檢儀器有限公司； TYP567-0050流變儀，德國哈克；TH8012試樣切片機，東莞市天海質檢儀器有限公司；CMT4104微機控制電子萬能試驗機，美斯特工業系統(中國)有限公司；XH-406B電動加硫成型機，東莞市錫華檢測儀器有限公司；LX-A邵氏橡膠硬度計，寧波經濟技術開發區凱諾儀器有限公司；NDJ-1旋轉式粘度計，上海精密科學儀器有限公司；FT-IR NICOLET 6700紅外光譜檢測儀，美國Thermo fisher。

1.3樣品制備

將PVC樹脂、增塑劑及熱穩定劑按照配方100:40:2(重量比)放入不誘鋼容器中攪拌5 min；將混合均勻的物料在輥溫(170±2) ℃的實驗室軋輪機上混合約5 min出片；將軋輪機上取下的PVC片在電動加硫成型機上壓制成(1.0±0.1) mm的樣片，電動加硫成型機溫度控制在(170±2) ℃，壓力為15 MPa，預熱5 min，加壓3 min。按照測試標準要求進行制樣。

1.4性能檢測

1.4.1HM-828技術指標檢測

HM-828的技術指標主要包括外觀、色澤、酸值、碘值、環氧值、密度、閃點和水含量等。各指標檢測依據如下：

外觀檢測：在自然光線下目測。

色澤檢測：按GB/T 1664-1995的規定進行測定。

酸值檢測：按GB/T 1668-2008的規定進行測定。

碘值檢測：按GB/T 1676-2008的規定進行測定。

環氧值檢測：按GB/T 1677-2008的規定進行測定或ASTM D 1652-04的規定進行測定，仲裁檢驗結果按GB/T 1677-2008執行。

密度檢測：按GB/T 4472-2011的4.3.1條的規定進行測定。

閃點檢測：按GB/T 1671-2008的規定進行測定。

水含量檢測：使用梅特勒公司的卡爾費休水分測定儀進行檢測。

1.4.2HM-828結構

按GB/T 6040-2002 紅外光譜分析方法通則，使用紅外光譜檢測儀進行檢測。

1.4.3與PVC樹脂的相容性

采用水價法間接評價增塑劑與PVC樹脂的相容性。測定了ESO、HM-828、DOP、DINP、DOA、TOTM等幾種增塑劑與PVC樹脂的相容性。

實驗原理：對于極性的PVC樹脂而言，極性較大的增塑劑與其相容性較好，由于水分子是極性的，因此通過測定增塑劑與水的相容性可以間接表征增塑劑與PVC樹脂的相容性；在水價法中，樣品耗用的蒸餾水毫升數越多，表明該樣品與水或PVC樹脂的相容性越好[3]。

實驗步驟：稱取增塑劑2.5 g，加入25 mL丙酮，待完全溶解呈透明狀態后，采用蒸餾水進行滴定，開始出現渾濁時即為滴定終點，讀取蒸餾水耗用毫升數。每個樣品測定5次，最終結果以算術平均值±標準偏差表示。

1.4.4流動性

通過測定幾種增塑劑的粘度來表征其流動性。采用NDJ-1型旋轉式粘度計測定不同溫度下ESO、HM-828、DOP、DINP、DOA、TOTM的粘度變化曲線。

1.4.5動態熱穩定性

采用Thermo流變儀對ESO、HM-828、DOP、DINP、DOA、TOTM六種增塑PVC 混合物料的動態熱穩定性進行測定。實驗條件：選擇轉子“Roller-Rotors R600”，溫度180 ℃，轉子轉速40 r/min。

1.4.6熱老化質量損失及拉伸性能

依據《GB/T 8815-2008 電線電纜用軟聚氯乙烯塑料》，用試樣切片機將六種增塑PVC制品制成5型試樣，厚度為(1.0±0.1) mm；

采用分析天平稱量制品熱老化質量損失，實驗條件：換氣式老化試驗機溫度115 ℃，240 h；

采用微機控制電子萬能試驗機測定老化前后制品拉伸性能，實驗條件：換氣式老化試驗機溫度136 ℃，168 h，拉伸速度150 mm/min。

1.4.7硬度

依據GB/T 2411-2008將四塊(1.0±0.1) mm的表面平整的上述某種增塑PVC制品疊合在一起，采用邵氏橡膠硬度計(A型)測試硬度，測試時間15 s。

2　結果與討論

2.1HM-828主要技術指標

HM-828主要技術指標見表1。

表1　HM-828主要技術指標

2.2HM-828結構

HM-828紅外光譜如圖1所示，IR(KBr)：2927 cm-1為飽和烴CH2的C-H不對稱伸縮振動吸收；2855 cm-1為飽和烴CH2的C-H對稱伸縮振動吸收；1745 cm-1為酯的C=O伸縮振動吸收；1466 cm-1為甲基的C-H 不對稱彎曲振動；1373 cm-1為甲基的C-H對稱彎曲振動；1170 cm-1為C-O-C 非對稱伸縮振動；1103 cm-1為C-O-C對稱伸縮振動；826 cm-1為三元環醚C-O-C非對稱伸縮振動；722 cm-1為亞甲基的平面搖擺振動。

圖1　HM-828紅外光譜圖

2.3與PVC樹脂的相容性

相容性是指增塑劑與樹脂相互混合時的溶解能力，是增塑劑最基本、最重要的特性；相容性好的增塑劑不僅能進入樹脂分子鏈的無定形區，也能插入分子鏈的部分結晶區，因此它不會滲出而形成液滴或液膜，也不會噴霜而形成表面結晶，這種增塑劑能夠單獨使用[4]。

不同增塑劑與PVC樹脂相容性的測定結果如表2所示。

表2　不同增塑劑與PVC樹脂的相容性

由表2可以看出：不同增塑劑耗用蒸餾水毫升數，從高到低依次為：HM-828>DOP>DOA>DINP>ESO>TOTM；因此可以間接得出結論，這六種增塑劑與PVC樹脂的相容性從大到小依次為：HM-828>DOP>DOA>DINP>ESO>TOTM。

2.4流動性

圖2　不同增塑劑的溫度-粘度變化曲線

一種物質的粘度大小反映了它的流動性。一定溫度下，某種增塑劑的粘度越小，則流動性越好；反之，它的粘度越大，則該增塑劑的流動性越差。六種增塑劑在不同溫度下的粘度變化曲線如圖2所示。可以看出：不同溫度下，幾種增塑劑的粘度均隨著溫度的升高而下降；相同溫度下，幾種增塑劑的粘度大小為：ESO>HM-828>TOTM>DOP>DINP>DOA。因此，在相同溫度下，HM-828的流動性低于DOP等幾種石油基增塑劑，但卻明顯高于同類生物基增塑劑ESO。

2.5動態熱穩定性

不同增塑劑增塑PVC混合物料的動態熱穩定性測定結果如圖3所示，可以看出：

(1)DOA增塑PVC混合物料的扭矩最小，加工能耗最低；而TOTM增塑PVC混合物料的扭矩最大，加工能耗最高；

(2)以DOP/DINP/DOA/TOTM增塑PVC混合物料在加工14 min前均發生熱分解，其耐熱性不及生物基增塑劑HM-828和ESO；

(3) HM-828的增塑性能與DOP/DINP相近。

因此，在上述六種增塑PVC混合物料中，HM-828的增塑性能及動態熱穩定性都較好。

圖3　不同增塑劑增塑PVC混合物料的動態熱穩定性

2.6熱老化質量損失

增塑劑在軟質聚氯乙烯(PVC)制品中的二次加工和使用過程中，會發生不同程度的遷移、抽出和揮發，不僅會導致PVC制品性能的下降，而且還會造成制品表面以及接觸物的污染，更為嚴重的是會給環境及人體健康帶來一系列問題；而增塑劑的損失與其本身的分子結構、相對分子質量大小以及與聚合物的相容性、介質、環境等因素有關；其中，增塑劑的揮發主要取決于其相對分子質量大小和環境溫度，抽出性主要取決于增塑劑在介質中的溶解度，遷移性則與增塑劑和PVC相容性有密切關系。增塑劑的相對分子質量越大，分子中含有的基團體積越大，它們在增塑PVC內擴散就越困難，到達表面的幾率小，被抽出和遷移的概率低[5]。

六種增塑劑相對分子質量及其PVC制品的熱老化質量損失如表3所示，增塑劑相對分子質量的大小依次為：ESO>TOTM>HM-828>DINP>DOP>DOA。隨著增塑劑相對分子質量的降低，PVC制品的熱老化質量損失增大，即DOA>DOP>DINP>HM-828>TOTM>ESO。分析其原因：ESO和TOTM具有較高的相對分子質量，且TOTM兼具有聚酯增塑劑的性能，因此二者揮發損失很小；DINP、DOP及DOA的相對分子質量均較小，因此其PVC制品的熱老化質量損失很大；HM-828除具有較高的相對分子質量外，其結構中的環氧鍵可與PVC中的HCl反應(反應方程式如(1)和(2))，從而減少了增塑劑的揮發量，同時減緩HCl對PVC熱降解的催化作用，可延長制品的長期熱穩定性。這一結論與2.5中增塑PVC混合物料的動態熱穩定性結論相符。

表3　不同增塑PVC制品的熱老化質量損失

(1)

(2)

2.7拉伸性能

表4　不同增塑PVC制品老化前后的拉伸性能

*老化前；**老化后(136 ℃，168 hUL)。

聚合物鏈間嵌入增塑劑分子后，增塑劑增加聚合物大分子間的距離，增塑劑用偶極力而不是用共價鍵與樹脂進行物理結合，從而改變樹脂的加工性、柔軟性、拉伸性，改善配混料的加工流動性[6]。不同增塑PVC制品老化前后拉伸性能如表4所示，在老化前其拉伸強度均大于20 MPa，斷裂伸長率均大于270%，性能優良；在老化后ESO、HM-828及TOTM三種增塑PVC制品的拉伸強度最大變化率分別為1%、-7%和2%，斷裂伸長率最大變化率分別為-16%，-12%和-5%；而DOP、DINP及DOA三種增塑PVC制品的拉伸強度及斷裂伸長率最大變化率超過135%和88%，說明這三種增塑劑不適合應用于高溫PVC制品中，僅適合用于溫度較低的PVC制品，究其原因是這三種增塑劑相對分子質量較小，在老化過程中出現大量的

揮發性損失。這一結論與2.6中增塑PVC制品的熱老化質量損失結論相符。

2.8硬度

不同增塑PVC制品的邵氏硬度檢測結果如圖4所示。以ESO、HM-828及TOTM增塑PVC制品的邵氏硬度較小；以DOP、DINP及DOA增塑PVC制品的硬度較大，高出7度左右。

圖4　不同增塑PVC制品的邵氏硬度

3　結　論

(1)選用的六種增塑劑中，HM-828與PVC樹脂的相容性最好；在相同溫度下，HM-828的流動性低于DOP等幾種石油基增塑劑，但卻明顯高于同類生物基增塑劑ESO，更加有利于加工；

(2)六種增塑PVC混合物料中，DOA扭矩最小，加工能耗最低；TOTM扭矩最大，加工能耗最高；HM-828的增塑性能與DOP和DINP相近；DOP/DINP/DOA/TOTM增塑的PVC混合物料在加工14 min前均發生熱分解，其耐熱性不及HM-828和ESO；

(3)六種增塑PVC制品的熱老化質量損失由大到小為：DOA>DOP>DINP>HM-828>TOTM>ESO；

(4)六種增塑PVC制品的拉伸強度均大于20 MPa，斷裂伸長率均大于270%，性能優良，可滿足日常使用要求；以DOP、DINP及DOA增塑PVC制品的邵氏硬度較大，比另外三種高出7度左右。

綜上，二乙酰環氧植物油酸甘油酯(HM-828)是一種新型環保的生物基增塑劑，在聚氯乙烯的不同應用領域，可部分或全部代替石油基類增塑劑，具有廣闊的應用前景。

[1]陳榮圻.鄰苯二甲酸酯及其環保增塑劑的代用品開發[J].印染助劑，2011,28(12):1-8.

[2]鄧健能,李道斌.二乙酰環氧植物油酸甘油酯及其合成方法[P].中國:2011 1 0176425.4，2011-06-28.

[3]王麗華.增塑劑與PVC樹脂的相容性及其塑化效率評價方法[J].塑料科技，1992(6)：28-31.

[4]楊寶紅.數碼噴繪PVC膜用增塑劑的防析出研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學理學院應用化學系，2008.

[5]楊濤,于同利.PVC中增塑劑遷移和抽出問題[J].塑料助劑，2009(5):13-15.

[6]吳唯,王芹,唐艷芳,等.無毒環保性增塑劑對聚氯乙烯性能的影響[J].中國塑料，2015，29(2):98-102.

Properties of Plant Based Plasticizer HM-828 and Its Effect on PVC

WUTing-ting,PANHai-quan,DENGJian-neng,ZHONGZeng-pei,LIDao-bin

(Guangzhou Haierma Vegetable Oil and Fatty Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510430, China)

The structure and physicochemical properties of glycery 1,2-diacetate-3-(9,10-) epoxy octadecanate was researched which was called as HM-828,a new environmentally friendly plant based plasticizer. Polyvinyl chloride (PVC) was plasticized by epoxidized soybean oil (ESO), dioctyl phthalate (DOP), diisononyl phthalate (DINP), dioctyl adipate (DOA), trioctyl trimellitate (TOTM) and HM-828 for plasticizer, separately. Dynamic thermal stability, thermal aging quality loss, tensile properties and hardness of PVC with 40 portion plasticizer were characterized. It was found that the PVC plasticized by DOA had the minimum torque and energy consumption in the process. The plasticizing capacity of HM-828 was similar to DOP and DINP. The heat resistance of the PVC plasticized by DOP/DINP/DOA/TOTM were worse than those plasticized by HM-828 and ESO. The thermal aging quality loss of plasticized PVC were DOA>DOP>DINP>HM-828>TOTM>ESO, and their tensile strength and elongation at break were greater than 20 MPa and 270%, respectively.The Shore Hardness of the PVC plasticized by DOP/DINP/DOA were higher of about 7 degrees than others.

polyvinyl chloride; HM-828; dynamic thermal stability; tensile properties; thermal aging quality loss

毋亭亭(1988-)，女，碩士，主要從事PVC增塑劑方面的研究。

李道斌(1980-)，男，高級工程師，主要從事PVC增塑劑方面的研究。

TQ325.3

A

1001-9677(2016)010-0125-04