Weichmacher - Plasticizer
Ein Weichmacher ( UK : Weichmacher ) ist eine Substanz, die einem Material zugesetzt wird, um es weicher und flexibler zu machen, seine Plastizität zu erhöhen , seine Viskosität zu verringern oder die Reibung während seiner Handhabung bei der Herstellung zu verringern .
Weichmacher werden üblicherweise Polymeren wie Kunststoffen und Gummi zugesetzt , entweder um die Handhabung des Rohmaterials während der Herstellung zu erleichtern oder um die Anforderungen der Endproduktanwendung zu erfüllen. Beispielsweise werden Polyvinylchlorid (PVC), das ansonsten hart und spröde ist, üblicherweise Weichmacher zugesetzt , um es weich und biegsam zu machen; Dies macht es für Produkte wie Vinylböden , Kleidung , Taschen, Schläuche und Elektrokabelbeschichtungen geeignet .
Außerdem werden Betonrezepturen häufig Weichmacher zugesetzt, um sie verarbeitungsfähiger und flüssiger für das Gießen zu machen, wodurch der Wassergehalt reduziert werden kann. In ähnlicher Weise werden sie vor dem Formen und Formen häufig Tonen , Stuck , festem Raketentreibstoff und anderen Pasten zugesetzt . Bei diesen Anwendungen überlappen sich Weichmacher weitgehend mit Dispergiermitteln .
Für Polymere
Weichmacher für Polymere sind entweder Flüssigkeiten mit geringer Flüchtigkeit oder Feststoffe. Laut Daten von 2017 betrug der gesamte Weltmarkt für Weichmacher 7,5 Millionen Tonnen. In Nordamerika belief sich das Volumen 2017 auf ~1,01 Millionen Tonnen und in Europa auf 1,35 Millionen Tonnen, aufgeteilt auf verschiedene Endanwendungen mit einem Trend der chemischen Art, der sich aufgrund regulatorischer Probleme zu Orthophthalaten mit höherem Molekulargewicht (HMW) und alternativen Typen verlagert betreffend Orthophthalate mit niedrigerem Molekulargewicht (LMW).
Fast 90% der Polymerweichmacher, am häufigsten Phthalat Ester , werden eingesetzt in PVC , dieses Material eine verbesserte Flexibilität und Haltbarkeit zu geben. Der Großteil wird in Folien und Kabeln verwendet.
Wirkmechanismus
Es wurde allgemein angenommen , dass Weichmacher wirken , indem sie sich zwischen den Ketten der Einbettungs Polymeren , um sie auseinander Abstand (Erhöhung der „freie Volumen“), oder sie Quellung und damit die deutlich senken Glasübergangstemperatur für den Kunststoff und es weicher zu machen; es wurde jedoch später gezeigt, dass die Erklärung des freien Volumens nicht alle Effekte der Plastifizierung erklären konnte. Das klassische Bild über die Beweglichkeit der Polymerkette ist in Gegenwart von Weichmachern komplexer als das von Fox&Flory für einfache Polymerketten gezeichnete . Die Weichmachermoleküle übernehmen die Kontrolle über die Beweglichkeit der Kette, und die Polymerkette zeigt keine Zunahme des freien Volumens um die Polymerenden herum; für den Fall, dass Weichmacher/Wasser Wasserstoffbrückenbindungen mit hydrophilen Polymerteilen bildet, kann das damit verbundene freie Volumen verringert werden.
Bei Kunststoffen wie PVC ist die Kaltbiegetemperatur umso niedriger, je mehr Weichmacher hinzugefügt werden. Weichmacher enthaltende Kunststoffartikel können eine verbesserte Flexibilität und Haltbarkeit aufweisen. Weichmacher können durch Migration und Abrieb des Kunststoffs für die Exposition verfügbar werden, da sie nicht an die Polymermatrix gebunden sind. Der „ Neuwagengeruch “ wird oft auf Weichmacher oder deren Abbauprodukte zurückgeführt. Mehrere Studien über die Zusammensetzung des Geruchs finden jedoch keine nennenswerten Mengen an Phthalaten, wahrscheinlich aufgrund ihrer extrem geringen Flüchtigkeit und ihres Dampfdrucks.
Die Wirkung von Weichmachern auf den Elastizitätsmodul ist sowohl von der Temperatur als auch von der Weichmacherkonzentration abhängig. Unterhalb einer bestimmten Konzentration, die als Crossover-Konzentration bezeichnet wird, kann ein Weichmacher den Modul eines Materials erhöhen. Die Glasübergangstemperatur des Materials nimmt jedoch bei allen Konzentrationen ab. Neben einer Crossover-Konzentration existiert eine Crossover-Temperatur. Unterhalb der Übergangstemperatur erhöht der Weichmacher auch den Modul.
Auswahl
In den letzten 60 Jahren wurden mehr als 30.000 verschiedene Stoffe auf ihre Eignung als Polymerweichmacher untersucht. Davon sind heute nur noch wenige – etwa 50 – kommerziell im Einsatz.
Esterweichmacher werden basierend auf der Kosten-Leistungs-Bewertung ausgewählt. Der Kautschukcompoundierer muss Esterweichmacher auf Kompatibilität, Verarbeitbarkeit, Beständigkeit und andere Leistungseigenschaften bewerten. Die große Vielfalt an Esterchemien , die in Produktion sind , umfassen Sebacate , Adipate , Terephthalate , Dibenzoate , Gluterate , Phthalate , Azelate und andere Spezialmischungen. Diese breite Produktlinie bietet eine Reihe von Leistungsvorteilen, die für die vielen Elastomeranwendungen wie Rohr- und Schlauchprodukte, Fußböden, Wandverkleidungen, Dichtungen und Dichtungen, Riemen, Drähte und Kabel sowie Druckrollen erforderlich sind.
Ester mit niedriger bis hoher Polarität sind in einer Vielzahl von Elastomeren verwendbar , einschließlich Nitril , Polychloropren , EPDM , chloriertem Polyethylen und Epichlorhydrin . Die Weichmacher-Elastomer-Wechselwirkung wird von vielen Faktoren wie dem Löslichkeitsparameter , dem Molekulargewicht und der chemischen Struktur bestimmt. Kompatibilitäts- und Leistungsattribute sind Schlüsselfaktoren bei der Entwicklung einer Gummiformulierung für eine bestimmte Anwendung.
Weichmacher in PVC und anderen Kunststoffen basieren häufig auf Estern von Polycarbonsäuren mit linearen oder verzweigten aliphatischen Alkoholen mittlerer Kettenlänge. Diese Verbindungen werden auf der Grundlage vieler Kriterien ausgewählt, einschließlich geringer Toxizität, Kompatibilität mit dem Wirtsmaterial, Nichtflüchtigkeit und Kosten. Phthalatester von geradkettigen und verzweigtkettigen Alkylalkoholen erfüllen diese Spezifikationen und sind gängige Weichmacher. Orthophthalatester waren traditionell die dominantesten Weichmacher, aber behördliche Bedenken haben insbesondere in Europa zu einer Abkehr von klassifizierten Stoffen hin zu nicht klassifizierten Stoffen geführt, die Orthophthalate und andere Weichmacher mit hohem Molekulargewicht einschließen.
Antiweichmacher
Weichmacher sind Polymeradditive, deren Wirkung den Weichmachern entgegengesetzt ist. Sie erhöhen den Modul, während sie die Glasübergangstemperatur verringern.
Sicherheit und Toxizität
Es wurden erhebliche Bedenken hinsichtlich der Sicherheit einiger Polymerweichmacher geäußert, insbesondere weil einige Orthophthalate mit niedrigem Molekulargewicht als potenzielle endokrine Disruptoren mit einer gewissen Entwicklungstoxizität eingestuft wurden.
Gängige Polymerweichmacher
Ortho-Phthalate
- Weichmacher auf Phthalatbasis werden dort eingesetzt, wo eine gute Wasser- und Ölbeständigkeit erforderlich ist. Einige gängige Phthalat-Weichmacher sind:
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Orthophthalate mit niedrigem Molekulargewicht
- Diisobutylphthalat (DIBP)
- Di-n-butylphthalat (DBP), das für Zellulosekunststoffe, Lebensmittelverpackungen, Klebstoffe, Parfums und Kosmetika verwendet wird – etwa ein Drittel der Nagellacke , Glanzlacke, Emails und Härter enthalten es zusammen mit einigen Shampoos , Sonnenschutzmitteln , Hautweichmachern und Insektenschutzmittel
- Butylbenzylphthalat (BBzP) in Vinylfliesen, Leitkegel, Nahrung gefunden Förderbänder , Kunstleder und Kunststoffschäumen
- Bis(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP), auch bekannt als Dioctylphthalat (DOP), das in der Vergangenheit in Bodenbelägen, medizinischen Geräten, unzähligen Konsumgütern und Sprengstoffen wie Semtex verwendet wurde . DEHP war jahrzehntelang der gebräuchlichste Weichmacher und hält diesen Titel immer noch weltweit, auch wenn er heute in den USA und Europa weitgehend durch Phthalate mit höherem Molekulargewicht und Alternativen ersetzt wurde
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Orthophthalate mit hohem Molekulargewicht
- Diisononylphthalat (DINP), das in Bodenbelägen verwendet wird, in Gartenschläuchen, Schuhen, Spielzeug und Baumaterialien zu finden ist
- Bis(2-propylheptyl)phthalat (DPHP), verwendet in Kabeln, Drähten und Dachmaterialien
- Diisodecylphthalat (DIDP), verwendet zur Isolierung von Drähten und Kabeln, Autountergründen, Schuhen, Teppichen, Poolauskleidungen
- Diisoundecylphthalat (DIUP), wird zur Isolierung von Drähten und Kabeln, Autountergründen, Schuhen, Teppichen, Poolauskleidungen verwendet. Gute Hochtemperatur- und Außenbewitterungsleistung
- Ditridecylphthalat (DTDP) ist der Phthalat-Weichmacher mit dem höchsten Molekulargewicht und bietet eine höhere Leistung bei hohen Temperaturen. Es ist der bevorzugte Weichmacher für Automobilkabel- und Drahtanwendungen.
Trimellitate
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Trimellitate werden im Automobilinnenraum und anderen Anwendungen verwendet, bei denen eine hohe Temperaturbeständigkeit erforderlich ist. Sie haben eine extrem geringe Volatilität.
- Tri-(2-ethylhexyl)trimellitat (TEHTM)(TOTM)
- Tri-(isononyl)trimellitat (TINTM)
- Tri-(isodecyl)trimellitat (TIDTM)
- Tri-(isotridecyl)trimellitat (TITDTM)
Adipates, Sebacates
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Weichmacher auf Adipatbasis werden für niedrige Temperaturen oder Beständigkeit gegen ultraviolettes Licht verwendet. Ein Beispiel ist:
- Bis(2-ethylhexyl)adipat (DEHA)
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Weichmacher auf Sebacat- Basis bieten eine hervorragende Kompatibilität mit einer Reihe von Kunststoffmaterialien und synthetischen Kautschuken (insbesondere Nitrilkautschuk und Neopren), hervorragende Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen und eine gute Ölbeständigkeit. Einige Beispiele sind:
- Dibutylsebacat (DBS)
- Di-(2ethylhexyl)sebacat , Di-octylsebacat (DOS)
Biobasiert
Weichmacher mit besserer biologischer Abbaubarkeit und vermutlich geringerer Umwelttoxizität werden entwickelt. Einige dieser Weichmacher sind:
- Glycerintriacetat (Triacetin) kann als Lebensmittelzusatz verwendet werden
- Alkyl Citrate , verwendet in Lebensmittelverpackungen, medizinische Produkte, Kosmetika und Kinderspielzeug
- Triethylcitrat (TEC)
- Acetyltriethylcitrat (ATEC), höheren Siedepunkt und eine geringere Volatilität als TEC
- Tributylcitrat (TBC) kompatibel mit PVC- und Vinylacetat-Homopolymeren und -Copolymeren
- Acetyltributylcitrat (ATBC), kompatibel mit PVC und Vinylchlorid - Copolymere
- Tri-(2ethylhexyl)citrat (TOC), wird auch für Zahnfleisch und Medikamente mit kontrollierter Freisetzung verwendet
- Acetyltrioctylcitrat (ATOC), wird auch für Druckfarben verwendet
- Trihexylcitrat (THC), kompatibel mit PVC, wird auch für Medikamente mit kontrollierter Freisetzung verwendet
- Acetyl Trihexylaluminium Citrat (ATHC), kompatibel mit PVC
- Butyryltrihexylcitrat (BTHC, Trihexyl- o- butyrylcitrat), kompatibel mit PVC
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Weichmacher auf
Pflanzenölbasis
- Epoxidiertes Sojabohnenöl (ESBO oder ESO) wird als sekundärer Weichmacher und Hitzestabilisator in PVC verwendet.
- Epoxidiertes Linolöl (ELO) ähnliche Verwendung wie ESO
Andere Weichmacher
- Azelate
- Dibenzoate, die in Vinylböden , Klebstoffen und Dichtstoffen verwendet werden
- Terephthalate wie Bis(2- ethylhexylterephthalat (DEHT) (Eastman Chemical Company Warenzeichen: Eastman 168) Dibutylterephthalat (DBT) (Eastman Chemical Warenzeichen: Eastman Effusion)
- 1,2-Cyclohexandicarbonsäurediisononylester (BASF-Marke: Hexamoll DINCH)
- Alkylsulfonsäurephenylester (ASE). Lanxess Chemical Trademark: Mesamoll)
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Organophosphate verleihen eine inhärente feuerhemmende Eigenschaft
- [[Tricresyl (Methylphenyl) Phosphat (TCP)
- [[2-Ethylhexyldiphenylphosphat
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Glykole und Polyether
- Triethylenglycoldi-2hexanoat (Eastman Chemical Trademark: Eastman TEG-EH)
- Polymere Weichmacher
- Hinweis: Bisphenol A oder BPA ist kein Weichmacher, trotz der Behauptungen der populären Medien. BPA ist ein Monomer und manchmal auch ein anderer Zusatzstoff für Kunststoffe, jedoch kein Weichmacher im Sinne einer wissenschaftlichen Definition.
Weichmacher für anorganische Materialien
Beton
Weichmacher und Fließmittel werden in der Betontechnik auch als Hochleistungs-Wasserreduzierer bezeichnet. Wenn sie Betonmischungen zugesetzt werden , verleihen sie eine Reihe von Eigenschaften, einschließlich einer Verbesserung der Verarbeitbarkeit und Festigkeit. Die Festigkeit von Beton ist umgekehrt proportional zur zugegebenen Wassermenge, dh dem Wasser-Zement-Verhältnis (w/z). Um festeren Beton herzustellen, wird weniger Wasser zugegeben (ohne die Mischung zu "verhungern"), was die Betonmischung weniger verarbeitbar und schwer zu mischen macht, was den Einsatz von Weichmachern, Wasserreduzierern, Fließmitteln, Verflüssigern oder Dispergiermitteln erfordert.
Weichmacher werden auch häufig verwendet, wenn dem Beton Puzzolan-Asche zugesetzt wird, um die Festigkeit zu verbessern. Diese Art der Mischungsdosierung ist besonders bei der Herstellung von hochfestem Beton und Faserbeton beliebt.
Die Zugabe von 1-2% Weichmacher pro Gewichtseinheit Zement ist in der Regel ausreichend. Eine übermäßige Zugabe von Weichmacher führt zu einer übermäßigen Entmischung des Betons und wird nicht empfohlen. Je nach verwendeter Chemikalie kann die Verwendung von zu viel Weichmacher zu einer Verzögerungswirkung führen.
Weichmacher werden üblicherweise aus Ligninsulfonaten , einem Nebenprodukt der Papierindustrie, hergestellt . Fließmittel wurden im Allgemeinen aus sulfoniertem Naphthalin- Kondensat oder sulfoniertem Melamin- Formaldehyd hergestellt, obwohl neuere Produkte auf Basis von Polycarbonsäureethern jetzt erhältlich sind. Traditionelle Lignosulfonat-basierte Weichmacher, Naphthalin- und Melamin - Sulfonat-Basis dispergieren Superverflüssigern die ausgeflockten Zementteilchen durch einen Mechanismus , der die elektrostatische Abstoßung (siehe Kolloid ). Bei normalen Weichmachern werden die Wirkstoffe an den Zementpartikeln adsorbiert , wodurch diese negativ geladen werden, was zu einer Abstoßung zwischen den Partikeln führt. Lignin- , Naphthalin- und Melaminsulfonat- Superweichmacher sind organische Polymere. Die langen Moleküle wickeln sich um die Zementpartikel und laden sie stark negativ auf, sodass sie sich gegenseitig abstoßen.
Polycarboxylatether- Fließmittel (PCE) oder einfach nur Polycarboxylat (PC), wirken anders als Fließmittel auf Sulfonatbasis und verleihen Zement durch sterische Stabilisierung dispergiert. Diese Form der Dispersion ist in ihrer Wirkung stärker und verleiht der zementartigen Mischung eine verbesserte Verarbeitbarkeitserhaltung.
Stuck
Weichmacher können hinzugefügt werden Wandplatten Stuckmischungen Verarbeitbarkeit zu verbessern. Um den Energieverbrauch beim Trocknen von Wandplatten zu reduzieren, wird weniger Wasser zugegeben, wodurch die Gipsmischung sehr unbrauchbar und schwierig zu mischen ist, was die Verwendung von Weichmachern, Wasserreduzierern oder Dispergiermitteln erforderlich macht. Einige Studien zeigen auch, dass zu viel Lignosulfonat-Dispergiermittel zu einer abbindeverzögernden Wirkung führen kann. Die Daten zeigten, dass amorphe Kristallbildungen auftraten, die die mechanische nadelartige Kristallwechselwirkung im Kern beeinträchtigten und einen stärkeren Kern verhinderten. Die Zucker, Chelatbildner in Ligninsulfonaten wie Aldonsäuren und extraktive Verbindungen sind hauptsächlich für die Abbindeverzögerung verantwortlich. Diese wasserreduzierenden Dispergiermittel im niedrigen Bereich werden üblicherweise aus Lignosulfonaten hergestellt , einem Nebenprodukt der Papierindustrie .
Superweichmacher (Dispergiermittel) im hohen Bereich wurden im Allgemeinen aus sulfoniertem Naphthalinkondensat hergestellt, obwohl Polycarbonsäureether modernere Alternativen darstellen. Beide dieser Hochleistungs-Wasserreduzierer werden bei 1/2 bis 1/3 der Lignosulfonat-Typen verwendet.
Herkömmliche Weichmacher auf Lignosulfonat- und Naphthalinsulfonatbasis dispergieren die ausgeflockten Gipspartikel durch einen Mechanismus der elektrostatischen Abstoßung (siehe Kolloid ). Bei normalen Weichmachern werden die Wirkstoffe an den Gipspartikeln adsorbiert , wodurch diese negativ geladen werden, was zu einer Abstoßung zwischen den Partikeln führt. Lignin- und Naphthalinsulfonat-Weichmacher sind organische Polymere. Die langen Moleküle wickeln sich um die Gipspartikel und laden sie stark negativ auf, sodass sie sich gegenseitig abstoßen.
Energetische Materialien
Pyrotechnische Zusammensetzungen aus energetischen Materialien , insbesondere feste Raketentreibstoffe und rauchlose Pulver für Waffen, verwenden häufig Weichmacher, um die physikalischen Eigenschaften des Treibmittelbindemittels oder des Gesamttreibmittels zu verbessern, einen Sekundärbrennstoff bereitzustellen und idealerweise die spezifische Energieausbeute (z. B. spezifischer Impuls) zu verbessern , Energieausbeute pro Gramm Treibmittel oder ähnliche Indizes) des Treibmittels. Ein energetischer Weichmacher verbessert die physikalischen Eigenschaften eines energetischen Materials und erhöht gleichzeitig dessen spezifische Energieausbeute. Energetische Weichmacher werden normalerweise gegenüber nicht-energetischen Weichmachern bevorzugt, insbesondere für feste Raketentreibstoffe . Energetische Weichmacher reduzieren die erforderliche Treibstoffmasse, sodass ein Raketenfahrzeug mehr Nutzlast transportieren oder höhere Geschwindigkeiten erreichen kann, als dies sonst der Fall wäre. Sicherheits- oder Kostenüberlegungen können jedoch auch in Raketentreibstoffen die Verwendung nicht-energetischer Weichmacher erfordern. Das Feststoffraketentreibmittel verwendete , um den Kraftstoff Space Shuttle Feststoffraketenbooster verwendet HTPB , einen synthetischen Kautschuk , als nicht-energetischen Sekundärbrennstoff.
Weichmacher für energetische Materialien
Hier sind einige energetische Weichmacher, die in Raketentreibstoffen und rauchfreien Pulvern verwendet werden :
- Nitroglycerin (NG, auch bekannt als "Nitro", Glyceryltrinitrat)
- Butantrioltrinitrat (BTTN)
- Dinitrotoluol (DNT)
- Trimethylolethantrinitrat (TMETN, auch bekannt als Metrioltrinitrat, METN)
- Diethylenglykoldinitrat (DEGDN, seltener DEGN)
- Triethylenglykoldinitrat (TEGDN, seltener TEGN)
- Bis(2,2-dinitropropyl)formal (BDNPF)
- Bis(2,2-dinitropropyl) acetal (BDNPA)
- 2,2,2-Trinitroethyl-2-nitroxyethylether (TNEN)
Aufgrund der sekundären Alkoholgruppen weisen NG und BTTN eine relativ geringe thermische Stabilität auf. TMETN, DEGDN, BDNPF und BDNPA haben relativ niedrige Energien. NG und DEGN haben einen relativ hohen Dampfdruck .
Verweise
Externe Links
- Informationszentrum Weichmacher
- Glasübergang
- DIDP , * DINP , DBP , BBP , * DEHP , Risk Assessment Reports by the European Chemicals Bureau (ECB).