안정제: 산업에서의 중요한 역할을 알아보세요

1.하이드로탈사이트계 보조 열안정제

하이드로탈사이트 층상 디하이드록실 복합 금속 수산화물(LDH)은 특수한 구조와 특성을 가진 무기 결정 물질입니다. 하이드로탈사이트의 일반적인 화학 조성은 마그네슘-알루미늄 복합 수산화물, 층상 수산기, 탄산 이온, 그리고 결정수를 포함합니다. 결정 구조의 특징은 다음과 같습니다. 나노 크기의 층들이 질서 있게 배열되어 있고, 층 내 원자들이 공유 결합으로 연결되어 있으며, 층들은 약한 화학 결합(이온 결합, 수소 결합)으로 연결되어 있으며, 교환 가능한 음이온을 가지고 있습니다. 주요 층은 알칼리성입니다. 이 특별한 화학 조성과 결정 구조는 일련의 고유한 특성과 기능을 부여합니다. 열 안정성은 바륨 비누, 칼슘 비누 및 그 혼합물보다 우수합니다. 또한, 투명성, 단열성, 내후성, 그리고 우수한 가공성이라는 장점을 가지고 있습니다. 황화물에 오염되지 않고 무독성이며, 아연 비누, 유기주석 등과 혼합하여 사용할 수 있습니다.

열안정제는 시너지 효과를 발휘하며, 무독성 보조 열안정제 중에서도 매우 유망한 유형입니다. PVC 가공 중 하이드로탈사이트의 열안정 효과는 일반적으로 표면의 히드록실기가 PVC의 열분해로 인해 방출되는 HCl 가스를 흡수하여 HCl이 PVC 분해에 미치는 촉매 작용을 억제하기 때문으로 여겨집니다. 또한, 일부 학자들은 HCl과 하이드로탈사이트 층간에서 CO32- 교환 메커니즘을 제안했습니다. 하이드로탈사이트를 PVC의 열안정제로 사용하면 열분해로 생성된 HCl이 하이드로탈사이트 층간에서 CO32-와 반응하여 PVC 분해를 효과적으로 억제할 수 있습니다.

2. 아인산 에스테르

아인산 에스테르는 Ca/Zn 복합 안정제에서 가장 널리 사용되는 보조 안정제이며, 복합 안정제의 필수 성분입니다. 보조 안정제로 주로 사용되는 아인산염으로는 트리페닐 포스파이트, 트리데실 포스파이트, 트리노닐페닐 포스파이트, 트리옥틸 포스파이트 등이 있습니다. 연질 PVC의 경우, 아인산 에스테르는 일반적으로 β-디케톤, 에폭시 대두유 등과 함께 사용됩니다. 아인산 에스테르는 가소화 효과가 있어 경질 PVC에는 적합하지 않습니다. 아인산 에스테르는 항산화 능력을 가지고 있으며, 염화수소를 포집하고 폴리올레핀을 첨가하여 PVC 안정화 시스템의 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 액상 안정제의 첨가량은 일반적으로 질량 분율 기준 10%~35%이며, 주요 종류로는 페닐 디이소옥틸 포스파이트, 옥틸 포스파이트, 디페닐 데실 포스파이트, 디페닐 데실 포스파이트, 트로노닐 포스파이트 등이 있습니다. 현재 중국에서는 가수분해된 디이소옥틸 포스파이트가 주로 사용되고 있습니다. 이는 PVC 제품의 착색, 열 안정성, 투명성, 스케일 방지 및 내후성을 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 포스파이트 에스테르는 가장 널리 사용되는 보조 안정제이며, 칼슘-아연 무독성 액상 화합물 안정제 분야에 오랫동안 널리 사용되어 왔습니다. 가장 효과적인 것은 알킬/아릴 포스파이트 에스테르입니다. 예를 들어, 일본 아데카-아르겔스(Adeka-Argels)에서 개발한 Mark-1500은 안정제 중 초기 착색 성능이 우수합니다.

3. 에폭시 화합물

에폭시드 중에서 에폭시 대두유는 전통적으로 보조 안정제로 사용되어 왔습니다. 최근 연구에 따르면 비스페놀 A 디글리시딜 에테르, 비스페놀 F 디글리시딜 에테르, 페놀 수지의 글리시딜 에테르, 테트라페닐에탄의 글리시딜 에테르, 지환족 에폭시 수지, 트리글리시딜 트리멜레이트, 디에폭시프로필 테레프탈레이트 등은 모두 비교적 높은 안정 효율을 갖는 것으로 나타났습니다. 에폭시드는 염화수소와 반응하여 클로로에탄올을 형성합니다. 칼슘 및 아연과 같은 금속 비누의 촉매 작용으로 PVC의 불안정한 염소 원자를 대체하여 안정화 효과를 발휘합니다. 정적 안정성 시험에서 에폭시 화합물의 역할은 PVC의 황변을 억제하는 것입니다. 단독으로 사용하면 효과가 좋지 않습니다. 아인산 에스테르와 병용하면 안정 효과가 크게 향상될 수 있습니다. 에폭시 기반 보조 열 안정제에는 일반적으로 에폭시 기반 대두유, 에폭시 기반 아마씨유, 에폭시 기반 부틸 스테아레이트, 옥틸 에스테르 및 기타 에폭시 기반 화합물이 포함됩니다. Ca/Zn 시스템과 함께 사용하면 높은 상승 효과가 있으며 광 안정성과 무독성의 장점이 있습니다. 특히 햇빛에 노출된 연질 PVC 제품에 적합하며 일반적으로 경질 PVC 제품에는 사용되지 않습니다. 단점은 삼출되기 쉽다는 것입니다. 상승 작용 메커니즘[6]은 분해로 생성된 HCl이 에폭시 그룹과 금속 비누염에 흡수되어 HCl 농도를 감소시키고 PVC의 HCl 제거 속도를 늦추는 것으로 볼 수 있습니다(HCl은 PVC 분해에 촉매 효과가 있음). 따라서 PVC의 열 안정성이 향상됩니다. 또한 Zn 염의 촉매 작용 하에서 에폭시드는 알릴 염소 원자를 효과적으로 대체할 수도 있습니다.

4. 폴리올

Ca/Zn 복합 시스템에서 보조 안정제로 주로 사용되는 폴리올에는 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 폴리비닐알코올, 테트라메틸시클로헥산올, 트리메틸올프로판, 카르비톨뿐만 아니라 소르비톨, 만니톨, 자일리톨, 말티톨, 이소말티톨, 락티톨 및 이들의 탈수 및 반탈수 제품 등이 있습니다. 이러한 종류의 폴리올을 β-디케톤, 에폭시드 및 하이드로탈사이트와 함께 연질 PVC에 사용하면 탁월한 상승 효과를 얻을 수 있습니다. 폴리올은 열 안정성이 우수하지만 일부 품종은 가공 중 자체 탈수 및 착색으로 인해 여전히 단점이 있습니다. 이눌린 및 트리스(α-히드록시에틸) 이소시아누레이트와 같은 새로운 품종은 위에서 언급한 단점을 극복할 수 있습니다. 또한 폴리올은 승화되기 쉽습니다. 가공 중에 승화된 물질이 장비에 침전되어 가공을 방해합니다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 일본에서 출시된 Tohtlixer-101과 같이 지방산으로 부분 에스테르화된 폴리올이 많이 개발되었습니다. 이 폴리올 개질제는 일반 폴리올의 단점을 잘 극복할 수 있습니다. Ca/Zn 안정화 시스템과 함께 사용하면 우수한 광 안정성, 가공성 및 저장 안정성을 나타냅니다. 폴리올은 금속 이온을 킬레이트화하여 염화물의 촉매 분해를 방지하고, 금속 비누가 존재하는 경우 알릴 염소를 치환하여 PVC를 안정화할 수 있습니다. 또한, 폴리올에 수산기가 많을수록 금속 이온과 무색 리간드를 형성하여 스테아르산아연의 촉매 촉진 효과를 완화하고, 보조 안정화 효과가 나타날 때까지 금속 이온과 PVC 폴리엔 구조의 결합으로 형성되는 유색 리간드 형성을 방지할 수 있습니다. 수산기의 수가 증가할수록 폴리올의 안정화 효과도 증가합니다. 주요 폴리올에는 펜타에리트리톨, 디펜타에리트리톨, 폴리비닐알코올, 테트라메틸시클로헥산올, 카르비톨 등이 있으며, 소르비톨, 만니톨, 자일리톨, 말티톨, 이소말티톨, 이소말티톨 및 이들의 탈수 및 반탈수 생성물도 포함됩니다. 이러한 폴리올은 연질 PVC에서 β-디케톤, 에폭사이드 및 하이드로탈사이트와 함께 사용될 때 탁월한 상승 효과를 나타냅니다. 작용 기전[9]과 관련하여, 일반적으로 펜타에리트리톨은 ZnSt2와 착물을 형성할 수 있으며, 이 착물은 다음 화학식에 따라 치환 반응을 거쳐 ZnCl2와 펜타에리트리톨 착물을 생성하여 ZnCl2에 의한 PVC의 촉매 분해 및 "아연 연소" 현상을 억제하고 PVC의 열 안정성 시간을 연장하는 것으로 알려져 있습니다.

5. β-디케톤

β-다이케톤은 칼슘/아연 복합 안정제 시스템에서 필수적인 보조 안정제입니다. 열 안정성, 광 안정성을 향상시키고 "아연 연소"를 억제하는 데 중요한 역할을 합니다. 주요 종류로는 스테아로일벤조일메탄, 다이벤조일메탄, 이소펜틸벤조일메탄, 옥틸벤조일메탄 등이 있습니다. 기본 사용량은 일반적으로 칼슘/아연 복합 안정제 8~12부 또는 PVC 수지 0.2~0.3부입니다. β-다이케톤의 주요 역할은 제품의 착색 성능을 향상시키는 것이며, 일반적으로 다른 성분과의 길항 작용이 없습니다. 이러한 보조 안정제 중에서는 스테아로일벤조일메탄이 가장 선호됩니다. 스테아로일벤조일메탄은 미국 식품의약국(FDA)에서 식품 포장재용으로 승인된 품종입니다. 두 번째로는 대표적인 품종인 벤조일메탄이 있습니다. 현재 국내에서도 생산되고 있으며, 일부는 수출되고 있습니다. 위의 두 가지 고체 종류 외에도 두 가지 주요 액상 β-디케톤 종류가 있습니다. 하나는 Rodia Company에서 개발한 isopentylbenzoylmethane이고 다른 하나는 Shanxi Chemical Research Institute에서 개발한 액상 β-디케톤 T-247입니다. 최근 몇 년 동안 β-디케톤에 대한 연구가 매우 활발해졌습니다. 예를 들어 Ciba Company는 1.3-pyrimidine diketones 및 polyketone compound(DATHP)를 개발했고 Akcros Company는 전통적으로 사용되는 β-디케톤보다 열 안정성과 색상 제어 효과가 더 나은 pyrrolidin-2.4-diketones를 개발했습니다[5]. β-디케톤은 초기 착색을 개선하는 데 가장 효과적인 유형의 화합물입니다. 주요 품종에는 스테아로일 벤조일메탄, 디벤조일메탄, 이소펜틸 벤조일메탄, 옥틸 벤조일메탄 등이 있습니다. 기본 투여량은 일반적으로 Ca/Zn 안정제의 8%~12% 또는 PVC 수지의 0.2%~0.3%입니다. β-디케톤의 두드러진 역할은 제품의 착색 성능을 개선하는 것이며 일반적으로 다른 성분과 부작용이 없습니다. 작용 기전[7-8]은 두 카르보닐기 사이에 있는 메틸렌기가 비교적 높은 활성을 가지고 양성자를 잃기 쉽다는 것으로 볼 수 있습니다. 따라서 탄소 알킬화 반응을 통해 알릴 염소를 치환하여 견고한 탄소-탄소 구조를 형성하여 HCl 제거로 인한 공액 사슬의 성장을 중단시키고 안정화 효과를 얻을 수 있습니다. 그러나 반응 속도가 느리기 때문에 안정화 효과는 높지 않습니다. Ca/Zn 시스템에 β-디온을 첨가하면, β-디온은 시스템 내 아연염과 착물을 형성하여 아연 β-디온을 형성하고, 이후 아연 β-디온은 탄소-알콕실화(또는 산소-알킬화) 반응을 통해 알릴 염소 원자를 빠르게 치환합니다. 한편, ZnCl2는 앞서 언급한 탄소-알킬화 반응을 촉매하여 빠르게 진행될 수 있도록 합니다.