烏桕籽油制備環(huán)氧脂肪酸乙酯及增塑PVC研究

李 科，陳 潔，黃金瑞，聶小安,2*，蔣劍春,2，楊天生

(1.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所,江蘇 南京 210042；2. 中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)新技術(shù)研究所，北京 100091；3.南京林業(yè)大學化學工程學院，江蘇 南京210037)

環(huán)氧脂肪酸甲酯[1]( EFAME)等環(huán)氧增塑劑產(chǎn)品已經(jīng)逐步成熟并運用于PVC加工中，且大多數(shù)含不飽和雙鍵的油脂都可以用作制備原料[2-4]。這其中就包括餐飲廢棄油脂和木本油脂[4]，其工藝也幾乎相似，不必過多研究。雖然對比鄰苯類增塑劑來說較為健康環(huán)保，但人們忽視了原料甲醇的毒性及甲酯的降解產(chǎn)物也可能含有毒性的甲醇。相對于甲酯，環(huán)氧脂肪酸乙酯(EFAEE)具有更好的安全性，且鮮見相關報道。在眾多的木本油脂中，烏桕籽油的脂肪酸成分與眾不同[5]，這主要是因為梓油中含有約30%的甘油四酯(見圖1)，其脂肪酸組成中含有低碳數(shù)的2,4-癸二烯酸和8-羥基-5,6-辛二烯酸，其對應的甲(乙)酯等沸點極低，從而可能影響到相應增塑劑閃點等性能。為探究這一問題，本文采取了分離2,4-癸二烯酸乙酯的方法，分離出的2,4-癸二烯酸乙酯可作為增香劑原料來使用，可降低生產(chǎn)成本，提高烏桕籽油的使用價值。

圖1 烏桕籽油中四酯的結(jié)構(gòu)示意

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

烏桕籽油(酸值(KOH)為12.8 mg/g，碘值為181)，武漢遠成共創(chuàng)科技有限公司；無水乙醇、甲醇鈉、對甲苯磺酸、甲酸、雙氧水、碳酸鈉等均為分析純。

DF-101S集成式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義市英峪予華儀器廠；Agilent 6890/5973型氣相-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫；3400-Ⅰ型掃描電鏡，日本日立公司；D8 FOCUS型X射線衍射儀等，德國Bruker公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1預處理

由于原料油脂的初始酸值偏高，在酯交換前需要進行酯化等預處理。具體方法為向裝有溫度計、冷凝管和攪拌器的250 mL三口燒瓶中加入梓油、乙醇和催化劑對甲苯磺酸，攪拌加熱至70 ℃反應至酸值(KOH)小于1 mg/g后降至室溫置入分液漏斗，水洗兩次取上層減壓蒸餾脫水，其目的在于減少產(chǎn)品中的皂含量，便于后續(xù)酯交換甘油的分離。

1.2.2梓油乙酯的制備

在裝有溫度計、冷凝管和攪拌器的250 mL三口燒瓶中，加入一定質(zhì)量降酸預處理后的烏桕梓油、乙醇和催化劑甲醇鈉(n(梓油)∶n(乙醇)=7∶1，催化劑用量為梓油質(zhì)量的1.6%)，水浴加熱，在65 ℃反應2 h，減壓脫除乙醇，轉(zhuǎn)化率[6]為76.7%。將混合物置入分液漏斗加水分層，取上層并真空脫除水和2,4-葵二烯酸乙酯等再減壓蒸餾至250 ℃既得梓油乙酯，。

1.2.3環(huán)氧梓油乙酯的制備

向250 mL 三口燒瓶中加入上述梓油乙酯50 g，適量的甲酸和催化劑對甲苯磺酸，升溫至50 ℃，滴加計量的雙氧水；滴完后升溫至反應設定的溫度，到預定時間即可停止；倒出物料靜置分層，用5%堿液堿洗上層油相至pH 值到6.5左右；再分離下層水相，水洗上層至中性；然后在90 ℃下減壓蒸餾至無水，剩余淡黃色透明油狀液體即為環(huán)氧脂肪酸乙酯。

1.2.4樣條制備及性能測定

軟質(zhì)PVC薄膜的配方參見表1(E表示乙酯，數(shù)字表示環(huán)氧乙酯占增塑劑百分比)，在高速混合機中攪拌混勻2 min后，在利用雙輥開煉機在165 ℃下混煉3～8 min并制成有一定厚度(約0.2 mm)的PVC薄膜，再通過模具將PVC薄膜切成啞鈴型試樣，進行力學性能測試。

表1 軟質(zhì)PVC膜配方

在試驗中涉及對酸值、環(huán)氧值、碘值等指標的檢測，測定方法參照GB/T 1668—95增塑劑酸值及酸度的測定，GB/T 1677—2008(鹽酸-丙酮法)增塑劑環(huán)氧值的測定，GB/T 5532—2008動植物油脂碘值測定法等標準進行；

采用掃描電鏡(SEM)觀察增塑后PVC斷裂面形貌；

采用X射線衍射技術(shù)表征純PVC及增塑PVC的物相結(jié)構(gòu)，掃描速度為6(°)/min；

采用薄膜拉伸模式在DMA-Q800 動態(tài)力學分析儀上進行動態(tài)力學性能(DMA)測試，測試頻率為1 Hz，升溫速率為3 ℃/min，測試溫度范圍為-60～80 ℃ ，每個試樣(50 mm×6.2 mm×0.2 mm)進行重復測試；

熱重分析：采用NETZSCH公司生產(chǎn)的TG209F1熱重分析儀及409PC熱重分析和IS 10型紅外光譜儀聯(lián)用儀，溫度范圍均為35～500 ℃，升溫速率均為10 ℃/min，氮氣氛。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料及配比分析

由于甲酯化是測定脂肪酸組成的慣用方法，所以根據(jù)文獻[5]的方法將烏桕籽油合成烏桕籽油脂肪酸甲酯并進行氣質(zhì)分析，結(jié)合GC/MS總離子流色譜圖和相應的質(zhì)譜圖可以通過面積歸一化法都知脂肪酸甲酯的組分和對應的含量(質(zhì)量分數(shù)，下同)，成分及含量見表2。

表2 梓油甲酯成分及含量

注：C10∶2表示脂肪酸含10個碳，2個雙鍵。

從表2可以看出烏桕梓油中不飽和脂肪酸占82.334%，其中多不飽和脂肪酸占53.293%，共軛組分占6.055%，是用來合成環(huán)氧脂肪酸酯的優(yōu)良原料。根據(jù)各組分的相對分子質(zhì)量和GC含量(其他按296計算)，以及8-羥基-5,6-辛二烯酸二酯的相對分子質(zhì)量(320)，可計算出烏桕梓油的相對分子質(zhì)量Mr約為878.48(Mr=∑MnCn×3-4，Mn為第n種脂肪酸甲酯的相對分子質(zhì)量；Cn為第n種脂肪酸甲酯在總甲酯中的GC含量)。

此外，從表2還可以看出，梓油中的2,4-葵二烯酸含量約占總脂肪酸的5.208%，而未見8-羥基-5,6-辛二烯酸的蹤跡，這主要是因為其在檢測過程中被分解或聚合所致，但其含量與2,4-癸二烯酸相當，且同屬低沸點脂肪酸，這在理論上可能影響到增塑劑產(chǎn)品的閃點，故在環(huán)氧化前將其進一步脫除。

2.2 梓油乙酯環(huán)氧化工藝

以甲酸用量/g(A)、雙氧水用量/g(B)及反應溫度/℃(C)、反應時間/min(D)為考察因素，以環(huán)氧值作為指標,設計了L9(34)正交實驗(其中梓油乙酯的質(zhì)量按100 g計),因素水平見表1，正交實驗設計及數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表4。

表3 正交實驗因素水平表

表4 正交實驗設計及數(shù)據(jù)處理結(jié)果

從表4可以看出，影響脂肪酸辛酯環(huán)氧化效果的主次因素排序為B—A—D—C，最優(yōu)化工藝為A2B3C1D1，即脂肪酸乙酯100 g、甲酸14 g、雙氧水113 g、反應溫度55 ℃，反應時間為3 h。以此條件做一組實驗，結(jié)果環(huán)氧值為5.5，由于實驗波動和誤差略低于實驗5、6，但在表4中已處于較高水平，這說明所得工藝適合合成環(huán)氧脂肪酸乙酯。

2.3 結(jié)構(gòu)表征

在制備脂肪酸乙酯脫除甘油時采取了加水促進分離，為了確認乙酯的生成及轉(zhuǎn)化情況，對酯交換前后的梓油(三酯)及產(chǎn)物乙酯(單酯)進行了凝膠色譜分析，結(jié)果見圖2。

圖2 梓油及其酯交換產(chǎn)物的凝膠色譜

從圖2可以看出，反應前的梓油相對分子質(zhì)量較高，因為其主要成分為甘油三酯結(jié)構(gòu)；而經(jīng)過與乙醇的酯交換后，其產(chǎn)物相對分子質(zhì)量僅為335，降低了近2/3，與結(jié)構(gòu)變化完全一致，這充分說明了此時的產(chǎn)物大都為單酯結(jié)構(gòu)的脂肪酸乙酯。

此外，環(huán)氧化效果較難判定，為確定產(chǎn)物環(huán)化效果，對烏桕梓油脂肪酸乙酯及環(huán)氧化后的產(chǎn)物做了紅外分析對比，測試波段為500～3 500 cm-1，其結(jié)果見圖3。

圖3 環(huán)氧化前后紅外光譜

由圖3可以看出，脂肪酸乙酯在3 009 cm-1處的C—H鍵的伸縮振動峰在環(huán)氧乙酯中已經(jīng)消失；且環(huán)氧脂肪酸乙酯在指紋區(qū)719 cm-1處的雙鍵伸縮振動峰也明顯弱于脂肪酸乙酯；此外，環(huán)氧脂肪酸乙酯在822 cm-1處出現(xiàn)了環(huán)氧基團的特征吸收峰，且在環(huán)氧乙酯中未見開環(huán)所形成的醇羥基特征峰。

2.4 PVC制品分析

2.4.1結(jié)晶狀態(tài)分析

為確定常用增塑劑DOP及所合成的環(huán)氧脂肪酸乙酯對PVC結(jié)構(gòu)的影響，對其增塑的PVC薄膜及未增塑的PVC進行了X射線衍射掃描，結(jié)果參見圖4。

圖4 PVC及增塑PVC薄膜的 X射線衍射譜

從圖4可以看出，所有PVC試樣的出峰都集中于小衍射角，且均在2θ=24.1°附近出現(xiàn)了典型的散射駝峰，表明PVC材料基本上是無定型聚合物；但純PVC在2θ=17.1°和19.1°附近出現(xiàn)了小而弱的結(jié)晶衍射峰，17.1°處峰高略大于19.1°處，這是PVC鏈段的結(jié)晶峰，且相互之間有一定的疊加，這說明在純的PVC中有少部分結(jié)晶，這是由于分子內(nèi)、分子間的氫鍵相互作用而使結(jié)晶得以穩(wěn)定存在的結(jié)果；對比所有增塑PVC的XRD譜圖，可以看出增塑劑對PVC薄膜聚集態(tài)的影響不明顯；但也可發(fā)現(xiàn)環(huán)乙酯(EFAEE)與DOP增塑薄膜的譜圖更為接近，及DOP和環(huán)乙酯增塑的PVC在17.1°處的衍射峰均明顯減弱(或消失)，這說明這環(huán)乙酯與DOP一樣明顯降低了PVC材料的結(jié)晶度，應該具有良好的增塑性。

2.4.2拉伸試驗及斷面分析

所得環(huán)氧脂肪酸乙酯為黃色透明液體，環(huán)氧值約在5.5。X射線衍射測試已經(jīng)足以表明其與DOP一樣可明顯改變PVC塑料的結(jié)晶性。為進一步確定所合成的環(huán)氧脂肪酸乙酯的運用性能，對環(huán)氧脂肪酸乙酯、DOP及其復配增塑產(chǎn)品進行了共混壓膜實驗及拉伸測試，實驗表明均具有良好的相容性及成膜性能，其中PVC薄膜拉伸測試結(jié)果見表5。

表5 力學實驗結(jié)果

從表5可以看出，在力學性能上，單獨使用EFAEE(E100)的最大力與DOP(E0)相當，拉伸強度較DOP增塑薄膜明顯下降，且EFAEE增塑的PVC薄膜的斷裂伸長率明顯較DOP的提高了12%，這說明EFAEE具有較好的增塑性能；對比E100/2與E100可以發(fā)現(xiàn)，E100/2樣條的厚度、最大力、強度均大于E100，而斷裂伸長率又過低，這主要是因為添加量過小致使混合不均未起到良好增塑效果所致；從EFAEE與DOP復配效果可以看出，復配配方的薄膜厚度基本與E0相當，隨著EFAEE的增加最大力與拉伸強度均略有下降，但斷裂伸長率卻明顯逐步提升，這說明PVC薄膜的塑性隨著EFAEE的增加而提高，且當EFAEE復配量達到50%時其PVC薄膜的斷裂伸長率就已經(jīng)超過了純DOP增塑制品。綜上所述，說明環(huán)氧脂肪酸乙酯(EFAEE)具有較好的增塑性能，且可根據(jù)需要與DOP復配使用。

為更好的解釋EFAEE 增塑效果，對EFAEE及DOP增塑的PVC拉伸薄膜斷面形貌進行了掃描電鏡(SEM)拍照(1 000倍)，見圖5。

圖5 PVC樣片拉伸斷面SEM照片

從圖5可以看出，無論是DOP還是環(huán)氧脂肪酸乙酯增塑的PVC斷口均未出現(xiàn)明顯的斷口，且具有明顯的小凸起，且EFAEE增塑PVC的斷面與DOP增塑的斷面及其相似，這說明EFAEE與DOP一樣均能夠很好的溶入PVC體系并破壞其結(jié)晶性，這與XRD測試結(jié)果一致，說明EFAEE起到與DOP相似的增塑作用；此外可以看出EFAEE制品的凸起與孔徑均略大且更具層次感，這說明EFAEE增塑制品應具有更好的柔韌性，與拉伸測試中斷裂伸長率等結(jié)論完全相符。

2.4.3薄膜DMA測試

為更好的了解環(huán)氧脂肪酸乙酯及復配產(chǎn)品對PVC材料的影響，對E100/2、E100、E25、E50、E75及DOP(E0)增塑PVC薄膜進行了動態(tài)熱機械分析(DMA)測試，有關其動態(tài)儲能模量(E′) 、損耗模量(E″)及損耗角正切(tanδ)變化見圖6。

圖6 PVC薄膜拉伸粘彈譜

從圖6可以看出，無論是儲能模量、損耗模量還是tanδ所對應的變化趨勢及溫度，都表明環(huán)氧脂肪酸乙酯用量在PVC質(zhì)量的20%(E100/2)時增塑性能較差；圖6B中高彈態(tài)和粘流態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度(Tf)平臺化表明增塑劑用量過少會導致材料不完全塑化，從而影響材料斷裂伸長率，這與力學測試結(jié)果完全吻合；而用量在40%(E100)時環(huán)氧乙酯表現(xiàn)出較好的增塑性能，C圖中可以看出其增塑PVC薄膜的玻璃化溫度Tg較DOP的低了12.67 ℃；此外從復配的情況看，PVC薄膜總體上隨著環(huán)氧乙酯對DOP比值的增加而具有更好的加工可塑性，材料的Tg也隨著該比例的增加而降低。這些都充分說明了EFAEE具有較好的增塑性能，且可與DOP復配使用。

2.4.4PVC制品熱穩(wěn)定性

圖7是DOP、EFAEE及其復配產(chǎn)品增塑的PVC薄膜的熱重分析曲線(其中A為TG圖；B為DTG圖)。

圖7 PVC薄膜熱重分析曲線

從圖7可以看出，PVC薄膜熱分解一般經(jīng)歷三個階段，第一個失重臺階(240～320 ℃)主要是HCl及部分氯代烴的脫除；第二階段為一平臺(320～450 ℃)，此時失重率較少，主要為第一階段所生成的共軛多烯烴的環(huán)化、苯環(huán)化及聚合等重構(gòu)反應；第三個臺階主要是PVC斷鏈及第二階段生成的稠環(huán)芳烴的裂解失重；此外從圖7A中可以看出，單純EFAEE增塑的PVC薄膜的第二平臺相對質(zhì)量明顯高于所有增塑產(chǎn)品，這說明EFAEE具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性；DOP及其與EFAEE復配產(chǎn)品增塑的PVC薄膜的熱穩(wěn)定性非常相似，這說明單純DOP及其復配增塑劑所增塑的PVC產(chǎn)品具有較好的熱穩(wěn)定性；從圖7B中可以看出，在300 ℃處，DOP增塑材料的失重率較所有含EFAEE的PVC要高，且在共混體系中失重速率隨著EFAEE的增加而降低，此外從圖7A中的放大圖中也能看出DOP增塑材料的失重曲線更接近低溫區(qū)，這說明EFAEE較DOP可以更有效的提高PVC材料的熱穩(wěn)定性。這主要是因為EFAEE結(jié)構(gòu)中含有可束縛裂解產(chǎn)生的HCl的環(huán)氧環(huán)所導致的。

2.4.5PVC熱分解分析

為進一步分析確認PVC薄膜熱分解的歷程及EFAEE增塑的PVC薄膜與DOP增塑的PVC薄膜在熱解過程中的差異及產(chǎn)生的原因。本文采用了熱失重-紅外、熱失重-質(zhì)譜聯(lián)用儀對各自熱解及其產(chǎn)物紅外質(zhì)譜特征進行了測定，圖譜參見圖8和圖9。

圖8 DOP(上)與EFAEE(下)增塑PVC的3D TGA-FT-IR譜

圖8上為DOP的TGA-FT-IR圖譜，下為EFAEE的TGA-FT-IR圖譜，其中左右兩圖分別是高波數(shù)和低波數(shù)方向視角。從圖8可以看出，PVC整個熱解過程中紅外檢測到的主要氣體成分有二氧化碳(2 365，669 cm-1)、一氧化碳(2 170 cm-1)、氯化氫(2 948 cm-1)、酯類(1 780，1 290，1 150 cm-1)、苯類(3 078，1 638 cm-1)等。這是因為增塑劑未改變PVC分子結(jié)構(gòu)且DOP和EFAEE均為酯類化合物；其次，可以看出PVC的裂解一旦開始會經(jīng)歷兩個峰(臺階)和一個谷(平臺)三個階段，這與熱重分析TG結(jié)果一致；此外，圖9表明DOP增塑的PVC前期裂解產(chǎn)物較多(如300 ℃左右產(chǎn)生的HCl及氯代烴多于EFAEE增塑的PVC)，而EFAEE增塑的PVC在高溫段裂解量明顯高于DOP增塑的PVC(450 ℃左右EFAEE試樣中的CO2、CO及苯類明顯高于DOP增塑的PVC)，造成這一現(xiàn)象的主要原因是EFAEE增強了PVC的穩(wěn)定性，使其需要在較高溫度下裂解，與熱重分析DTG結(jié)果完全一致。

由圖9可見，在PVC熱解過程中產(chǎn)生了水、一氧化碳、二氧化碳、氯化氫、苯等離子流，與TGA-FT-IR基本一致；此外較多的碎片主要有甲基、甲氧基、氯甲基、氯乙基、甲苯等。由PVC熱解的總離子流圖(TIC)及各主要離子流、碎片的色譜圖可見， 其變化趨勢主要有H2O、CO、HCl、CO2、氯甲基幾種類型，其他甲基、甲氧基趨勢類似CO，苯、甲苯、氯乙基與氯甲基類似。從TIC中可以看出，在低溫階段(1 500 s以內(nèi))EFAEE增塑的PVC熱解量大于DOP，而在高溫區(qū)卻明顯低于DOP產(chǎn)品，這主要是因為EFAEE易在低溫區(qū)熱解揮發(fā)而其中的環(huán)氧基能提高PVC的熱穩(wěn)定性致使其在高溫階段更加穩(wěn)定；EFAEE在m/s=18處的值幾乎均高于DOP，這可能是EFAEE的熱解產(chǎn)生的水所致，而水可以有效吸收稀釋自由基使體系更穩(wěn)定；CO的離子流圖與TIC幾乎一致，且其離子流與TIC在同一量級，說明PVC熱解產(chǎn)物以CO為主；HCl的離子流圖表明EFAEE并沒有有效減少HCl的排放量，這可能是因為在TGA中氣體一旦產(chǎn)生就難以與環(huán)氧基接觸所致，而CH4Cl等的離子流圖則說明EFAEE可有效降低PVC中氯代烴的熱分解量；此外，CO2的離子流圖表明EFAEE可有效降低PVC鏈段的低溫熱解而使得其在高溫階段裂解，這與熱紅外結(jié)果一致。

圖9 DOP與EFAEE增塑PVC的TGA-MS譜

2.4.6PVC熱解活化能對比

熱解活化能是衡量材料耐高溫性能的一項重要參考值，活化能越高說明材料越耐高溫降解。所以通過計算EFAEE和DOP增塑材料在同升溫速率情況下的熱解動力學參數(shù)活化能，可有效的看出兩者的熱穩(wěn)定性差異。首先假設PVC在各階段的熱降解為一級反應，則反應速率方程為：

(1)

由于熱分解分數(shù)a是溫度T的函數(shù)，而程序升溫中溫度T又是時間t的函數(shù)，即a=F[f(t)]或da/dt=(da/dT)(dT/dt) =(da/dT)β(β為恒定的升溫速率)。所以(1)式可表示為：

(2)

(3)

圖10 PVC熱解過程中l(wèi)n[-ln(1-a)/T2]與1/T關系

從圖10可以看出：1)PVC熱解的三個階段的活化能是完全不同的，即不同階段應該對應著不同的反應機理；2)熱解平衡階段(第二階段)的斜率為正值，說明該階段發(fā)生了共軛多烯烴的環(huán)化、苯環(huán)化及聚合等重構(gòu)反應；3)第三階段的活化能很小，這看似于高溫區(qū)不符，其實不然，造成這一表象的主要原因是該階段的剩余質(zhì)量較小且部分多環(huán)芳烴在繼續(xù)縮合最終形成殘余，大量掩蓋了裂解活化能，致使總體活化能不高。所以對比熱穩(wěn)定性主要對比第一階段(圖10中最右側(cè)線段)的活化能即可，從擬合方程的斜率可以計算(R=8.314 J/(mol·K))出DOP(上線)與EFAEE(下線)增塑的PVC薄膜在第一階段的熱解活化能依次是109.9 kJ/mol和125.7 kJ/mol。這充分說明了EFAEE有效的提高了PVC材料的熱穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過酯交換和環(huán)氧化兩步反應可合成環(huán)氧脂肪酸乙酯類增塑劑，環(huán)氧化最佳工藝條件為：每百克脂肪酸乙酯需甲酸14 g，雙氧水113 g，反應溫度控制在55 ℃，反應時長為3 h，所得產(chǎn)品環(huán)氧值約為5.5；此外，乙酯中所蒸餾出的輕組分可作為原料提取增香劑2,4-癸二烯酸乙酯，用以降低生產(chǎn)成本，提高烏桕籽油使用價值；在增塑PVC的應用實驗中，X射線衍射表明環(huán)乙酯可有效降低PVC塑料的結(jié)晶度；薄膜拉伸實驗表明環(huán)氧脂肪酸乙酯(EFAEE)具有較好的增塑性能，斷裂伸長率優(yōu)于DOP；DMA測試也表明其增塑的PVC薄膜的玻璃化溫度也明顯低于DOP增塑薄膜；熱重等分析及熱解活化能表明EFAEE可有效提升PVC材料的熱穩(wěn)定性；且所有分析均表明EFAEE可根據(jù)需要與DOP復配使用。而在耐溶劑及生理毒性上尚需要進一步研究。

參 考 文 獻

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