吡嗪-2,3-二羧酸鈰的合成及其對(duì)聚氯乙烯熱穩(wěn)定性的作用

楊羽軒, 柳召剛*, 曹猛男, 趙金鋼, 陳明光,4, 胡艷宏, 吳錦繡, 馮福山

(1. 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 2. 輕稀土資源綠色提取與高效利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)稀土濕法冶金與輕稀土應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 包頭 014010; 4. 包頭稀土研究院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

聚氯乙烯(PVC)是一種樹脂材料,因其可塑性高、加工方便且對(duì)酸和堿的耐受度高,在各個(gè)領(lǐng)域均有運(yùn)用[1]。然而PVC在外界因素如熱、氧、光及力的作用下,會(huì)發(fā)生降解和交聯(lián)反應(yīng),導(dǎo)致PVC制品變色和力學(xué)性能減弱[2]。研究表明,PVC被加熱至110 ℃時(shí)會(huì)釋放出HCl氣體,使PVC分解[3]。PVC的加工溫度通常為170 ℃。因此,為了克服其耐熱性缺陷,需要在PVC中加入熱穩(wěn)定劑[4]。

近年來(lái),許多塑型加工助劑已得到發(fā)展,如鉛鹽類熱穩(wěn)定劑、金屬皂類熱穩(wěn)定劑、有機(jī)錫類熱穩(wěn)定劑等[5]。但這類熱穩(wěn)定劑或是金屬含量高污染環(huán)境,或是成本太高,因而其實(shí)際應(yīng)用受到較大限制[6]。中國(guó)作為PVC消費(fèi)大國(guó),急需研制出環(huán)保、無(wú)毒、高效和低成本的熱穩(wěn)定劑[7]。為了能夠滿足這些條件,稀土受到了研究者的青睞。稀土被稱為“工業(yè)味精”,在工業(yè)上發(fā)揮著重要作用[8]。稀土熱穩(wěn)定劑是我國(guó)特有的PVC熱穩(wěn)定劑,雖可單獨(dú)使用,但熱穩(wěn)定性較差。而當(dāng)與其它常見的熱穩(wěn)定劑進(jìn)行復(fù)配后,便可具有良好的熱穩(wěn)定性。目前,隨著人們對(duì)環(huán)保事業(yè)的高度重視,工廠中已經(jīng)將稀土熱穩(wěn)定劑進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),因此,稀土熱穩(wěn)定劑有了很大的市場(chǎng)空間[9]。燕孜雪等[10]以谷氨酸、硝酸鑭和氫氧化鈉為原料制成谷氨酸鑭,不僅提高了PVC塑化性能,同時(shí)提高了PVC初期抗變色性能,且優(yōu)于市售鈣鋅熱穩(wěn)定劑的熱穩(wěn)定性能。張寧等[11]合成了肉豆蔻酸鈰、肉豆蔻酸鑭、肉豆蔻酸釹3種稀土熱穩(wěn)定劑,利用轉(zhuǎn)矩流變儀等儀器測(cè)試肉豆蔻酸稀土的力學(xué)性能,其靜態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間、動(dòng)態(tài)熱穩(wěn)定時(shí)間分別為120 min、 60 min,具有良好的抗變色性,力學(xué)性能高于鉛鹽體系,擁有很高的利用價(jià)值。

本文將吡嗪-2,3-二羧酸作為鈰元素的配體,在pH值為6～7的條件下合成了吡嗪-2,3-二羧酸鈰,并將其作為PVC的主熱穩(wěn)定劑進(jìn)行熱穩(wěn)定性能研究,再與硬脂酸鈣、硬脂酸鋅、季戊四醇等熱穩(wěn)定劑進(jìn)行復(fù)配,穩(wěn)定劑與PVC的質(zhì)量比為1 ∶25,并將復(fù)配結(jié)果進(jìn)行比較分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Frontier型傅里葉變換紅外光譜儀;Vario EL cube型元素分析儀;STA449C型同步熱分析儀。

聚氯乙烯、吡嗪-2,3-二羧酸、碳酸鈰、季戊四醇。其余所用試劑均為分析純。

1.2 稀土穩(wěn)定劑的合成

在燒杯中加入適量碳酸鈰和去離子水,攪拌后將碳酸鈰懸濁液放入60 ℃水浴鍋中加熱,緩慢滴加硝酸溶液,直至碳酸鈰完全溶解。調(diào)節(jié)pH=3～4,過(guò)濾,濾液為硝酸鈰溶液并用EDTA滴定濃度,裝入試劑瓶中備用。

稱取物質(zhì)的量比為3 ∶2的吡嗪-2,3-二羧酸和硝酸鈰,用無(wú)水乙醇將吡嗪-2,3-二羧酸溶解,再用稀氨水調(diào)節(jié)pH=6～7,攪拌,將硝酸鈰乙醇溶液緩慢加入到吡嗪-2,3-二羧酸無(wú)水乙醇溶液,稀氨水調(diào)節(jié)pH=6～7,產(chǎn)生白色沉淀,攪拌3 h,靜置,抽濾,用無(wú)水乙醇洗滌2～3次,丙酮洗滌1次,50 ℃條件下將配合物烘干至恒重,產(chǎn)物備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 吡嗪-2,3-二羧酸鑭表征

(1) FTIR分析

吡嗪-2,3-二羧酸和吡嗪-2,3-二羧酸鈰的紅外譜圖如圖1所示。由圖1可知,1540 cm-1和1554 cm-1處特征峰為吡嗪-2,3-二羧酸和吡嗪-2,3-二羧酸鈰上C=N鍵的伸縮振動(dòng)峰;在吡嗪-2,3-二羧酸上,3266 cm-1處特征峰為O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰,1752 cm-1處特征峰為C=O鍵的伸縮振動(dòng)峰,934 cm-1處特征峰為—COOH的特征性寬峰,從而確定了羧基的存在。在吡嗪-2,3-二羧酸鈰上,1593 cm-1和1427 cm-1處特征峰分別為C=O鍵的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰,534 cm-1處特征峰為O—Ce鍵的伸縮振動(dòng)峰,由此說(shuō)明,吡嗪-2,3-二羧酸作為配體與硝酸鈰反應(yīng)使吡嗪-2,3-二羧酸上羧基中的O—H鍵斷鏈脫H,并與Ce離子形成O—Ce鍵。

ν/cm-1圖1 吡嗪-2,3-二羧酸和吡嗪-2,3-二羧酸鈰的紅外譜圖Figure 1 Infrared spectra of 2,3-pyrazinedicarboxylic acid and cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid

(2) 元素分析和熱分析

表1為配合物的元素分析結(jié)果。通過(guò)表1可知,所測(cè)定的元素的理論含量和實(shí)際含量基本吻合。此外,由圖2的熱重分析可以得到分子式中結(jié)晶水的數(shù)量和Ce含量。從圖2可以看出,吡嗪-2,3-二羧酸鈰熱失重分為3個(gè)階段,溫度分別為50～170℃, 170～273 ℃和273～1000℃。第一階段失重在50～170 ℃,失重率為8.01%。從失重率可計(jì)算出吡嗪-2,3-二羧酸鈰含有5個(gè)結(jié)晶水,該結(jié)果與表1分子式中的結(jié)晶水所占比重9.87%接近。DSC曲線上第一階段84.6～150 ℃處有一個(gè)小吸熱峰,表明吡嗪-2,3-二羧酸鈰中結(jié)晶水脫去。由第二階段和第三階段的TG曲線可知,第二階段和第三階段的失重率分別為25.38%和30.04%,與DSC曲線對(duì)照,第二階段158～269℃處有一個(gè)小吸熱峰,說(shuō)明產(chǎn)物開始燃燒分解;第三階段270～353 ℃處有一個(gè)強(qiáng)放熱峰,表明產(chǎn)物進(jìn)一步分解。然而當(dāng)溫度超過(guò)509℃時(shí)，吡嗪-2,3-二羧酸鈰未發(fā)生失重,TG曲線趨于平緩,殘留物質(zhì)為CeO2,質(zhì)量比例為36.57%。通過(guò)計(jì)算,配合物中鈰的含量為30.71%,與表1實(shí)際含量30.91%相近,從而確定配合物分子式為Ce2(C6N2O4)2(NO3)2·5H2O。

表1 配合物吡嗪-2,3-二羧酸鈰的元素分析結(jié)果/%Table 1 Elemental analysis results of complexes/%

Temperature/℃圖2 吡嗪-2.3-二羧酸鈰熱重分析圖Figure 2 TG-DSC of cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid

2.2 吡嗪-2,3-二羧酸鑭熱穩(wěn)定性能研究

(1) 單一熱穩(wěn)定劑熱穩(wěn)定性研究

研究吡嗪-2,3-二羧酸鈰熱穩(wěn)定性,并與常見熱穩(wěn)定劑進(jìn)行熱穩(wěn)定性能比較,其結(jié)果如表2所示。從熱穩(wěn)定時(shí)間來(lái)看,吡嗪-2,3-二羧酸鈰的熱穩(wěn)定時(shí)間大于吡嗪-2,3-二羧酸,這是由于RE3+可以與PVC在加熱時(shí)產(chǎn)生的Cl-結(jié)合,抑制了PVC的自催化作用。吡嗪-2,3-二羧酸鈰熱穩(wěn)定時(shí)間低于硬脂酸鈣2 min,而高于其他熱穩(wěn)定劑熱穩(wěn)定時(shí)間。從抗變色性能方面看,吡嗪-2,3-二羧酸鈰初期抗變色性能優(yōu)于吡嗪-2,3-二羧酸,但低于硬脂酸鋅,其長(zhǎng)期抗變色性低于吡嗪-2,3-二羧酸,硬脂酸鈣和季戊四醇。由表2對(duì)比可知,吡嗪-2,3-二羧酸鈰有較長(zhǎng)熱穩(wěn)定時(shí)間,但長(zhǎng)期抗變色性能較差。

表 2 不同穩(wěn)定劑的熱穩(wěn)定性Table 2 Thermal stability of different stabilizers

(2) 吡嗪-2,3-二羧酸鈰與硬脂酸鋅的復(fù)配

吡嗪-2,3-二羧酸鈰單獨(dú)作為熱穩(wěn)定劑體現(xiàn)出的熱穩(wěn)定性能不算理想,將其與硬脂酸鋅進(jìn)行復(fù)配后,其結(jié)果如表3所示。從表3中的熱穩(wěn)定時(shí)間可以看出,吡嗪-2,3-二羧酸鈰與硬脂酸鋅復(fù)配比(質(zhì)量比)為3 ∶2時(shí),其熱穩(wěn)定時(shí)間為35 min,比吡嗪-2,3-二羧酸鈰單獨(dú)作用時(shí)間要長(zhǎng),增加了12 min,說(shuō)明吡嗪-2,3-二羧酸鈰和硬脂酸鋅具有協(xié)同作用,延緩了PVC降解速率。從抗變色性能方面來(lái)看,與吡嗪-2,3-二羧酸鈰單體相比,吡嗪-2,3-二羧酸鈰與硬脂酸鋅復(fù)配后在抗變色性能方面提升較大。從初期抗變色性能上看,兩者復(fù)配比為4 ∶1時(shí)優(yōu)于其它復(fù)配比初期抗變色性,而復(fù)配比為3 ∶2的初期抗變色性能次之。從長(zhǎng)期抗變色性能上看,兩者復(fù)配比為3 ∶2時(shí)比其它比例長(zhǎng)期抗變色性能好,說(shuō)明吡嗪-2,3-二羧酸鈰抑制了“鋅燒”現(xiàn)象產(chǎn)生,使PVC抗變色能力加強(qiáng)。綜上所述,吡嗪-2,3-二羧酸鈰與硬脂酸鋅復(fù)配比為4 ∶1時(shí),初期抗變色性增強(qiáng),當(dāng)兩者復(fù)配比為3 ∶2時(shí),延長(zhǎng)了熱穩(wěn)定時(shí)間,提高了PVC樣品熱穩(wěn)定性能。

表3 吡嗪-2,3-二羧酸鈰與硬脂酸鋅復(fù)配后的熱穩(wěn)定性Table 3 Thermal stability of cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid complexed with zinc stearate

(3) 吡嗪-2,3-二羧酸鈰與季戊四醇的復(fù)配

季戊四醇作為性能優(yōu)良的熱穩(wěn)定劑,其短期和長(zhǎng)期抗變色性都能達(dá)到一定效果[12]。季戊四醇與吡嗪-2,3-二羧酸鈰復(fù)配后的結(jié)果如表4所示。由表4可知,其復(fù)配后的熱穩(wěn)定時(shí)間未超過(guò)表3中最長(zhǎng)復(fù)配熱穩(wěn)定時(shí)間,且吡嗪-2,3-二羧酸鈰單獨(dú)作為熱穩(wěn)定劑時(shí)的熱穩(wěn)定時(shí)間達(dá)23 min,而表3中復(fù)配比為3 ∶2時(shí)的熱穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng)為32 min,說(shuō)明吡嗪-2,3-二羧酸鈰與季戊四醇復(fù)配的熱穩(wěn)定效果不明顯,但熱穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)來(lái)說(shuō)有所延長(zhǎng),因此,也具有一定的協(xié)同作用。從抗變色性能方面來(lái)看,復(fù)配比中的任意比例都比季戊四醇初期抗變色性差,而與吡嗪-2,3-二羧酸鈰初期抗變色性未存在較大區(qū)別。從長(zhǎng)期抗變色性能上看,復(fù)配比為4 ∶1時(shí),其長(zhǎng)期抗變色性能表現(xiàn)最好。此外,表4中任意比例均優(yōu)于吡嗪-2,3-二羧酸鈰的長(zhǎng)期抗變色性,這是由于醇可以發(fā)生酯化反應(yīng)吸收PVC中釋放的HCl,同時(shí)還與RE3+發(fā)生絡(luò)合,修補(bǔ)熱降解PVC的短鏈,另一方面,醇還可以吸收產(chǎn)生的HCl阻滯自催化反應(yīng)來(lái)提高PVC熱穩(wěn)定性[13]。

表4 吡嗪-2,3-二羧酸鈰與季戊四醇復(fù)配后的熱穩(wěn)定性Table 4 Thermal stability of cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid complexed with pentaerythritol

(4) 吡嗪-2,3-二羧酸鈰、硬脂酸鋅和季戊四醇的復(fù)配

季戊四醇有延緩“鋅燒”現(xiàn)象的作用,可以提升復(fù)配穩(wěn)定劑熱穩(wěn)定性能。吡嗪-2,3-二羧酸鈰、硬脂酸鋅和季戊四醇復(fù)配后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。由表5中數(shù)據(jù)可知,其復(fù)配后熱穩(wěn)定性能均有提高。復(fù)配后熱穩(wěn)定時(shí)間在吡嗪-2,3-二羧酸鈰 ∶硬脂酸鋅 ∶季戊四醇=2 ∶1 ∶2時(shí)高達(dá)39min,效果優(yōu)于表3和表4中的復(fù)配結(jié)果,這是由于季戊四醇通過(guò)酯化反應(yīng)來(lái)遏制硬脂酸鋅產(chǎn)生“鋅燒”,延緩了PVC熱降解的進(jìn)行,使其復(fù)配后熱穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)[14]。從抗變色性上看,吡嗪-2,3-二羧酸鈰、硬脂酸鋅和季戊四醇在任意比例復(fù)配后的初期抗變色性均強(qiáng)于表3和表4中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)三者復(fù)配比為1 ∶1 ∶3時(shí),其初期抗變色性能最佳。從長(zhǎng)期抗變色性上看,當(dāng)復(fù)配比為2 ∶1 ∶2時(shí),其長(zhǎng)期抗變色性效果最好,優(yōu)于表3和表4中任意比例。由于季戊四醇具有抗變色性,可以延緩“鋅燒”現(xiàn)象發(fā)生,因此,復(fù)配結(jié)果呈現(xiàn)良好抗變色性能[15]。

表5 吡嗪-2,3-二羧酸鈰、硬脂酸鋅和季戊四醇復(fù)配后的熱穩(wěn)定性Table 5 Thermal stability of cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid, zinc stearate complexed with pentaerythritol

2.3 穩(wěn)定機(jī)理研究

將吡嗪-2,3-二羧酸鈰置于185 ℃的HCl氣氛中60 min,再將處理后的樣品置于120 ℃烘箱中去除HCl氣體。將處理前和處理后的樣品通過(guò)FT-IR進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知,處理后的C=N鍵與處理前相比,由低波數(shù)向高波數(shù)方向移動(dòng),處理后的C=N鍵波數(shù)為1572 cm-1。處理后的樣品多了兩個(gè)O—H鍵的吸收峰,1404cm-1處為O—H鍵的伸縮振動(dòng)峰,1099 cm-1處為O—H鍵的面外彎曲振動(dòng)峰。此外,1752 cm-1處存在C=O鍵的伸縮振動(dòng)峰。處理前的樣品在543cm-1處為O—Ce鍵的伸縮振動(dòng)峰,而處理后O—Ce鍵的伸縮振動(dòng)峰消失,多了一個(gè)1274 cm-1處的Ce—Cl鍵的伸縮振動(dòng)峰。由上述可知,O—Ce鍵斷裂,O—H鍵重新結(jié)合,鈰離子和氯離子形成Ce—Cl鍵。RE3+與O脫離,與HCl中的Cl-發(fā)生反應(yīng)生成CeCl3。

ν/cm-1圖3 吡嗪-2,3-二羧酸鈰經(jīng)HCl處理前后的紅外譜圖Figure 3 Infrared spectra of cerium 2,3-pyrazinedicarboxylic acid before and after HCl treatment

3 結(jié)論

本文以吡嗪-2,3-二羧酸、硝酸鈰和氨水等原料合成了吡嗪-2,3-二羧酸鈰,并確定其化學(xué)式為Ce2(C6N2O4)2(NO3)2·5H2O。當(dāng)吡嗪-2,3-二羧酸鈰單獨(dú)作為稀土熱穩(wěn)定劑時(shí),其熱穩(wěn)定時(shí)間為23 min,抗變色能力較差。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,二元復(fù)配中各比例的熱穩(wěn)定性能不太理想,而當(dāng)三元復(fù)配中復(fù)合熱穩(wěn)定劑中吡嗪-2,3-二羧酸鈰、硬脂酸鋅和季戊四醇的復(fù)配比為2 ∶1 ∶2時(shí),抗變色性較好,熱穩(wěn)定時(shí)間為39 min。此外,吡嗪-2,3-二羧酸鈰能有效吸收PVC在熱降解過(guò)程中釋放的HCl氣體并生成CeCl3,延緩了PVC的熱降解作用。