Пластификатор

Пластификатор — это химическое вещество, добавляемое в полимерные материалы (пластмассы, резины, бетонные смеси, лакокрасочные покрытия) для повышения их эластичности, пластичности и технологичности при переработке. Введение пластификатора снижает температуру стеклования полимера, уменьшает его вязкость в расплаве и облегчает формование изделий, при этом не вступая в химическую реакцию с основным материалом (физическая модификация).

История

Первые упоминания о применении пластификаторов относятся к середине XIX века, когда для улучшения свойств природного каучука использовали камфору. В 1839 году Чарльз Гудьир открыл процесс вулканизации, а для облегчения переработки каучука начали применять растительные масла. В 1860-х годах для обработки целлулоида (первого синтетического пластика) стали использовать камфору в качестве пластификатора.

Массовое промышленное производство пластификаторов началось в 1920–1930-х годах с развитием химии полимеров. В 1930-е годы был синтезирован диоктилфталат (ДОФ), ставший одним из самых распространённых пластификаторов для поливинилхлорида (ПВХ). В СССР исследования в этой области активно велись с 1940-х годов, а к 1960-м годам был налажен выпуск широкого ассортимента пластификаторов, включая фталаты, фосфаты и эфиры жирных кислот.

В конце XX века, в связи с ужесточением экологических норм, начался постепенный отказ от использования некоторых фталатов, признанных токсичными. С 2000-х годов активно разрабатываются биоразлагаемые и нетоксичные пластификаторы на основе растительных масел и лимонной кислоты.

Классификация

Пластификаторы классифицируют по нескольким признакам: химической природе, механизму действия, совместимости с полимером и области применения.

По химическому составу

• Фталаты — сложные эфиры фталевой кислоты (дибутилфталат, диоктилфталат, диизононилфталат). Наиболее распространённая группа, обеспечивает хорошую совместимость с ПВХ, полиуретанами, каучуками. Обладают низкой летучестью и высокой эффективностью.
• Фосфаты — сложные эфиры фосфорной кислоты (трикрезилфосфат, трифенилфосфат). Придают материалам огнестойкость, но могут быть токсичными.
• Адипаты — эфиры адипиновой кислоты (диоктиладипат). Используются для низкотемпературной пластификации, придают морозостойкость.
• Себацинаты — эфиры себациновой кислоты. Обеспечивают высокую эластичность и термостойкость.
• Полиэфирные пластификаторы — олигомерные соединения на основе многоатомных спиртов и дикарбоновых кислот. Отличаются низкой миграцией из полимера, применяются в изделиях, контактирующих с пищевыми продуктами.
• Эпоксидированные масла — растительные масла (соевое, льняное), обработанные эпоксидными группами. Экологичны, обладают дополнительной стабилизирующей способностью.
• Хлорированные парафины — продукты хлорирования жидких парафинов. Дешёвые пластификаторы-наполнители, придают огнестойкость.

По механизму действия

• Первичные пластификаторы — хорошо совместимы с полимером, образуют с ним однородную систему, не выпотевают на поверхность. Обеспечивают основную пластификацию.
• Вторичные пластификаторы — ограниченно совместимы, используются в смеси с первичными для снижения стоимости или придания специальных свойств (например, огнестойкости). Могут мигрировать на поверхность изделия.

По назначению

• Общего назначения — для производства гибкого ПВХ (линолеум, изоляция проводов, плёнка, искусственная кожа).
• Специальные — для низкотемпературных применений (адипаты), для контакта с пищевыми продуктами (полиэфирные, эпоксидированные масла), для медицинских изделий (нетоксичные фталаты, цитраты).
• Для бетонных смесей — суперпластификаторы на основе поликарбоксилатов или лигносульфонатов, улучшающие текучесть бетонной смеси без увеличения водосодержания.

Свойства и характеристики

Основные параметры, определяющие эффективность пластификатора:

• Совместимость с полимером — способность образовывать гомогенную систему без расслоения. Измеряется по степени набухания полимера в пластификаторе.
• Эффективность — снижение температуры стеклования полимера на единицу массы пластификатора. Чем выше эффективность, тем меньше требуется добавки.
• Летучесть — скорость испарения пластификатора из полимера при нагреве. Низкая летучесть важна для долговечности изделий.
• Миграция — способность пластификатора перемещаться внутри полимера и выходить на поверхность. Высокая миграция нежелательна для изделий, контактирующих с пищей или кожей.
• Термостабильность — устойчивость к разложению при высоких температурах переработки (до 200 °C).
• Токсичность — влияние на здоровье человека и окружающую среду. Многие фталаты (ДБФ, ДОФ) признаны потенциально опасными, в ряде стран их использование в детских игрушках и медицинских изделиях ограничено.

Применение

Поливинилхлорид (ПВХ)

Основной потребитель пластификаторов — поливинилхлорид. Жёсткий ПВХ (непластифицированный) используется для труб, оконных профилей, сайдинга. При добавлении 20–50 % пластификатора (по массе) ПВХ становится мягким и эластичным, что позволяет производить:

• изоляцию электрических кабелей и проводов;
• линолеум и виниловые напольные покрытия;
• искусственную кожу и плёнку;
• медицинские трубки, катетеры, пакеты для крови;
• игрушки и товары народного потребления.

Резина и каучуки

В резиновой промышленности пластификаторы (обычно нефтяные масла, эфиры) вводят в резиновые смеси для облегчения смешивания компонентов, улучшения эластичности и снижения твёрдости вулканизатов. Используются в производстве шин, ремней, шлангов, уплотнителей.

Лакокрасочные материалы

В краски и лаки пластификаторы добавляют для повышения эластичности плёнки, предотвращения растрескивания при высыхании и эксплуатации. Применяются в алкидных, эпоксидных и полиуретановых покрытиях.

Бетон и строительные смеси

В строительстве пластификаторы (суперпластификаторы) добавляют в цементные и бетонные смеси для:

• увеличения подвижности (удобоукладываемости) без увеличения воды;
• повышения прочности и водонепроницаемости;
• снижения расхода цемента.

Наиболее распространены пластификаторы на основе лигносульфонатов, меламиноформальдегидных смол и поликарбоксилатов.

Другие области

• Производство клеёв, герметиков, мастик.
• Пластификация полиамидов, полиэфиров, полиуретанов.
• Изготовление взрывчатых веществ (для снижения чувствительности к удару).

Экологические и токсикологические аспекты

Многие фталатные пластификаторы (особенно дибутилфталат, диоктилфталат) обладают эндокринной активностью и могут оказывать негативное воздействие на репродуктивную систему человека. В ЕС, США и ряде других стран их использование в детских игрушках, косметике и медицинских изделиях ограничено или запрещено. В России действуют технические регламенты Таможенного союза (ТР ТС 007/2011 «О безопасности игрушек», ТР ТС 005/2011 «О безопасности упаковки»), устанавливающие предельно допустимые уровни миграции пластификаторов.

В ответ на экологические требования производители разрабатывают альтернативные пластификаторы: на основе эпоксидированных растительных масел, лимонной кислоты, полиэфиров. Такие соединения менее токсичны и быстрее разлагаются в окружающей среде.

Источники

1. Бартенев Г. М., Зеленев Ю. В. Физика и механика полимеров. — М.: Высшая школа, 1983.
2. Коршак В. В. Технология пластических масс. — М.: Химия, 1985.
3. Штаркман Б. П. Пластификация поливинилхлорида. — М.: Химия, 1975.
4. ГОСТ 8728-88 «Пластификаторы. Технические условия».
5. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 007/2011 «О безопасности игрушек».
6. Handbook of Plasticizers / Ed. by G. Wypych. — 3rd ed. — ChemTec Publishing, 2017.