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生物基材料及生物基抗氧劑的發(fā)展

2023-03-01 6845



引言

高分子材料行業(yè)由傳統(tǒng)觀念“資源——產(chǎn)品——廢棄物”轉變?yōu)椤百Y源——產(chǎn)品——再生資源——再生產(chǎn)品”的生態(tài)觀念,目的是以盡可能少的資源消耗和最低的環(huán)境代價,為高分子材料生產(chǎn)加工獲取最大的經(jīng)濟效益產(chǎn)出和最少的廢物排放,實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境與社會效益的三統(tǒng)一。生物基抗氧劑與傳統(tǒng)的以化學品作為原料合成的添加劑有很大的區(qū)別,其原料來自于可再生生物質(zhì),具有綠色、經(jīng)濟、可循環(huán)再生等特性。隨著石油資源的日益減少以及社會可持續(xù)發(fā)展的要求,以生物基為原料生產(chǎn)的化工產(chǎn)品是人類實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路、可以緩解抗氧劑行業(yè)對石化產(chǎn)品的依賴以及由此引發(fā)的環(huán)境污染等問題。因此,研發(fā)生物基產(chǎn)品已經(jīng)成為世界科技創(chuàng)新領域的前沿趨勢。

生物基材料作為最具發(fā)展?jié)摿Φ牟牧?,有其廣闊的市場前景。但是我國生物基材料目前面臨產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、勞動生產(chǎn)率低、技術結構不先進等問題,科研與產(chǎn)業(yè)脫節(jié),70%~80%要依靠進口,基礎研究水平不高直接制約了新技術和新材料的開發(fā)和應用。雖然我國在PHA、PLA等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化取得了一些進展,但同美國、歐洲、日本等發(fā)達國家相比,我們生物基材料的產(chǎn)業(yè)發(fā)展還面臨著諸多的問題有待解決。到目前為止,生物基材料的主要知識產(chǎn)權仍掌握在美、歐、日等發(fā)達國家?,F(xiàn)階段PLA和PHA等環(huán)境友好材料屬于新興的材料產(chǎn)業(yè),在價格方面,聚丙稀的價格低于1美元/公斤,而一些最便宜的生物可降解塑料的價格也需要3--6美元/公斤,因而還不能與大量生產(chǎn)的以石油工業(yè)為基礎的塑料材料進行直接的競爭。

圖片1.png



生物基原料

生物基原料是指一些可再生物質(zhì),包括農(nóng)作物、樹木和其它植物及其提取物等,其特點是綠色無毒、對環(huán)境友好、可循環(huán)再生。目前研究使用較多的生物基原料主要有腰果酚、天然脂肪醇、天然甜味劑、天然抗氧劑等。采用該類天然化合物為原料合成的抗氧劑,具有綠色、環(huán)境友好、原料可再生以及可生物降解的特性,在工農(nóng)業(yè)、國防等領域廣泛應用,可緩解環(huán)境和能源壓力,同時對促進可再生能源產(chǎn)業(yè)升級、能源多元化具有重要的現(xiàn)實意義,符合綠色化學的定義以及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求。生產(chǎn)尼龍為例,使用新型的生物基材料相比傳統(tǒng)材料,會在生產(chǎn)過程中,每生產(chǎn)1Kg減少碳排放4.31kg,有資料顯示如果每年利用我國50%的秸稈、40%的糞便、30%的林業(yè)廢棄物,以及開發(fā)5%、約550萬公頃邊際性土地種植能源植物,同時建設約1000個生物質(zhì)轉化工廠,那么其生產(chǎn)能力便相當于年產(chǎn)石油5000萬噸,其產(chǎn)能相當于一個大慶油田(年產(chǎn)石油4800萬噸)。

圖片2.png

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1)腰果酚

腰果酚是一種從天然腰果殼油中提煉的有機物,來源廣泛,儲量巨大,屬于綠色環(huán)保的化工原料。腰果酚含十五烯基間位酚,使其具有酚羥基、酚羥基的鄰對位、烯鍵等多個反應位點,利用腰果酚的結構特點,可以在聚合物分子中生成新的官能團來合成新結構的抗氧劑。此外,腰果酚還在表面活性劑、膠黏劑及涂料等領域應用廣泛,是目前能夠投入使用的最廉價、最易得、最現(xiàn)實的生物基高分子原材料。 

未標題-1-02.jpg


2)天然脂肪醇

脂肪醇是指碳鏈長度大于8個、羥基位于碳鏈末端上的直鏈醇。天然脂肪醇是從天然動植物油脂(椰子油、棕櫚油和牛油等)中提取,具有環(huán)保、來源廣泛并可再生三大優(yōu)勢。天然脂肪醇價格低廉、產(chǎn)品無毒、安全可靠,符合綠色發(fā)展的觀點。天然脂肪醇分子結構中的羥基可反應制備一系列脂肪醇衍生物,是生產(chǎn)增塑劑、抗氧劑、表面活性劑和潤滑油等添加劑的重要基礎原料。

3)天然甜味劑

糖醇類的甜味劑主要有木糖醇、山梨醇、果糖、赤蘚糖醇等,以木糖醇為例,木糖醇在自然界中分布范圍廣泛,可從白樺樹、玉米芯、甘蔗渣等植物原料中提取,商品木糖醇主要是將農(nóng)業(yè)植物纖維(如玉米芯、甘蔗糖等)經(jīng)水解、加氫制取的,是一種普遍的生物基多元醇,外觀為白色結晶粉末,屬于綠色環(huán)保原料,具有可再生、價格低廉、來源豐富、性能優(yōu)異等優(yōu)點,廣泛用于口香糖、防齲齒牙膏、化妝品、藥品及食品等。






生物基抗氧劑的概念
生物基抗氧劑是由生物基原料代替?zhèn)鹘y(tǒng)化學原料合成,生物基原料來源廣泛并具有可再生性,可以節(jié)約我國的化石原料資源,十分有利于發(fā)展我國的循環(huán)經(jīng)濟。目前,以生物基材料為原料進行抗氧劑新產(chǎn)品的設計、合成與應用研究成為抗氧劑行業(yè)研究的熱點。


生物基抗氧劑的應用

高分子材料向綠色、環(huán)保方向發(fā)展是當前行業(yè)熱點與趨勢,生物基抗氧劑是助推高分子材料行業(yè)綠色、健康、安全、環(huán)?;纳壆a(chǎn)品,生物基抗氧劑具有環(huán)境友好、無污染性殘留物,對生態(tài)系統(tǒng)無不良影響的特點。隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展及資源的進一步開發(fā),塑料制品遍布在我們生活的每一個角落,生物基抗氧劑可以用于與食品接觸的包裝材料如餐盒、水杯等制品中,以及醫(yī)療器械領域,例如輸液管、注射器、防護服等,此外還可應用于航空航天、汽車、高鐵、手機等高端制造領域,例如火箭密封圈、汽車保險杠、飛機及高鐵的內(nèi)飾、座椅和手機外殼等。生物基抗氧劑具有很好的耐遷移性,且容易降解,不會對人體產(chǎn)生危害,通過添加生物基抗氧劑,可增強產(chǎn)品性能,延長使用壽命。



生物基抗氧劑研究進展
抗氧劑主要分為受阻酚類和受阻胺類主抗氧劑、亞磷酸酯和硫代二丙酸酯類輔助抗氧劑以及其他專用抗氧劑。目前市場上多家抗氧劑生產(chǎn)商及研究機構已經(jīng)著手開發(fā)生物基抗氧劑,部分產(chǎn)品進入試用階段。
專利CN201510580081.1公開了一種環(huán)氧腰果酚作為生物基受阻酚型抗氧劑的應用。以腰果酚為原料在催化劑的作用下,滴加過氧源在40-70℃下進行環(huán)氧化反應,反應2~5h后,制得環(huán)氧腰果酚粗品,再經(jīng)后處理得到環(huán)氧腰果酚抗氧劑成品。該生物基受阻酚型抗氧劑的抗熱氧老化性能優(yōu)于通用型受阻酚類抗氧劑2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚。并且原料來源廣泛、價格低廉,制備工藝簡單,產(chǎn)品低毒環(huán)保,可廣泛應用于植物油脂及生物柴油中,具有良好的應用開發(fā)前景。
專利CN201610582274.5公開了一種液體亞磷酸酯抗氧劑的制備方法,以腰果酚、三氯化磷為反應物,以三乙胺為催化劑在反應溶劑中進行一鍋燴反應,經(jīng)過中和、過濾等操作,最終得到液體亞磷酸酯抗氧劑目標產(chǎn)品。制備方法工藝路線短,反應條件溫和,操作簡便,工藝綠色環(huán)保,適于工業(yè)化生產(chǎn),因而,具有很好的應用前景。所述的制備方法制得的液體亞磷酸酯抗氧劑不僅具有傳統(tǒng)亞磷酸酯抗氧劑所具有的耐熱穩(wěn)定性、抗氧性和優(yōu)異的抗水解性能,而且因其為液體而具有貯存方便、使用便捷、計量準確的特性。
專利CN201810428102.1公開了一種新型高效生物基亞磷酸酯類抗氧劑及其制備方法,將腰果酚加氫得到間十五烷基酚,再將間十五烷基酚與三氯化磷、季四戊烷在一定反應條件下發(fā)生酯化反應,得到生物基亞磷脂類抗氧化劑。由于該化合物中含有兩個三價磷,每個三價磷含有三個P-O鍵,P顯正三價,可以結合聚合物中的不穩(wěn)定成分生成過氧化物,因分子量大,含磷量高,其耐熱穩(wěn)定性好,抗氧化活性高。
專利CN201710623464.1公開了一類多功能生物基酚胺類抗氧劑的制備方法及其應用,取天然酚酸、二苯胺或吩噻嗪或苯二胺和/或苯二胺衍生物及縮合劑于液相反應介質(zhì)中混合反應,其中天然酚酸與二苯胺或吩噻嗪或苯二胺和/或苯二胺衍生物的摩爾比為1:0.8-1:1.1,天然酚酸與縮合劑的摩爾比為1:0.8-1:3,反應溫度為-40℃-100℃,并使反應在保護性氣氛中進行,獲得所述多功能生物基酚胺類抗氧劑;生物基酚胺類抗氧劑具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和良好的抗氧化性能和抗磨減磨性能。



結 語

在全球綠色化工的背景下,高分子材料向綠色、環(huán)保方向發(fā)展是當前行業(yè)熱點與趨勢,隨著世界各國安全、健康、環(huán)保意識的增強,逐漸提高了對各種高分子材料制品的衛(wèi)生要求,因此對高分子材料添加劑的綠色環(huán)保要求也越來越高。研究開發(fā)生物基抗氧劑應基于高性能抗氧劑分子結構設計——綠色生物基原料替代——長效可再生催化劑研究——清潔生產(chǎn)技術開發(fā)——綠色生產(chǎn)工藝創(chuàng)建五位一體的現(xiàn)代綠色化工發(fā)展理念。生物基抗氧劑的研發(fā)與應用可減緩國內(nèi)工業(yè)原料緊缺的現(xiàn)狀,具有極強的經(jīng)濟性和良好的社會效益。對促進我國能源多元化、可再生能源產(chǎn)業(yè)升級、緩解能源和環(huán)境壓力具有非常深遠的現(xiàn)實意義。



擴展資料
圖片來源于網(wǎng)絡
數(shù)據(jù)來源:
題名:生物基抗氧劑在綠色化工中應用與發(fā)展
期刊:當代化工研究
專利CN201510580081.1
專利CN201610582274.5
專利CN201810428102.1
專利CN201710623464.1



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