Полиолы натуральные масла - Natural oil polyols

Полиолы натуральные масла, также известные как NOP или биополиолы, полиолы происходит от растительные масла несколькими разными методами. Основное использование этих материалов - производство полиуретаны. Большинство NOP квалифицируются как продукты на биологической основе в соответствии с определением США Министр сельского хозяйства в Законе о безопасности фермерских хозяйств и сельских инвестициях 2002 года.

У всех NOP схожие источники и приложения, но сами материалы могут быть совершенно разными, в зависимости от того, как они сделаны. Все прозрачные жидкости от бесцветного до средне-желтого. Их вязкость также является переменной и обычно является функцией молекулярный вес и среднее количество гидроксил групп на молекулу (более высокая молекулярная масса и более высокое содержание гидроксила дают более высокую вязкость). Запах является важным свойством, которое отличается от NOP к NOP. Большинство NOP по-прежнему очень похожи по химическому составу на их исходные растительные масла и, как таковые, склонны к протухший. Это включает самоокисление цепей жирных кислот, содержащих двойные углерод-углеродные связи, и, в конечном итоге, образование пахучих низкомолекулярных альдегиды, кетоны и карбоновые кислоты. Запах нежелателен в самих NOP, но, что более важно, в материалах, изготовленных из них.

Существует ограниченное количество натуральных растительных масел (триглицериды ), которые содержат непрореагировавшие гидроксильные группы, которые определяют как название, так и важную реакционную способность этих полиолов. касторовое масло является единственным коммерчески доступным полиолом из натуральных масел, который производится непосредственно из растительных источников: все другие NOP требуют химической модификации масел, получаемых непосредственно из растений.

Есть надежда, что использование возобновляемых ресурсов в качестве сырья для химических процессов уменьшит экологический след[1] за счет снижения спроса на невозобновляемые ископаемое топливо в настоящее время используются в химической промышленности и сокращают общее производство углекислый газ, наиболее заметные парниковый газ. По оценкам одного производителя NOP, Cargill, его процесс производства полиола BiOH (TM) дает на 36% меньше глобальное потепление выбросы (диоксид углерода), сокращение использования невозобновляемых источников энергии (сжигание ископаемого топлива) на 61% и снижение общего спроса на энергию на 23%, все по сравнению с полиолами, производимыми из нефтехимия.[2]

Источники полиолов природных масел

Девяносто процентов жирных кислот, входящих в состав касторовое масло является рицинолевая кислота, который имеет гидроксил группа на C-12 и двойная связь углерод-углерод. На приведенной ниже структуре показан основной компонент касторового масла, который состоит из сложного эфира ринцинолевой кислоты и глицерин:

Основной компонент касторового масла

Другие растительные масла - такие как соевые бобы масло,[3] арахисовое масло, и рапсовое масло - содержат двойные связи углерод-углерод, но не содержат гидроксильных групп. Существует несколько способов введения гидроксильных групп в углеродную цепь жирных кислот, и большинство из них включают: окисление двойной связи C-C. Обработка растительных масел озон расщепляет двойную связь, и могут быть получены сложные эфиры или спирты, в зависимости от условий, используемых для обработки озонолиз товар.[4] Пример ниже показывает реакцию триолеин с озоном и этиленгликоль.

Озонолиз ненасыщенного триглицерида

Окисление на воздухе, (самоокисление ), химия, участвующая в «сушке» олифы, дает увеличенную молекулярную массу и вводит гидроксильные группы. В радикальные реакции участвующие в автоокислении могут образовывать сложную смесь сшитых и окисленных триглицеридов. Обработка растительных масел пероксикислоты дает эпоксиды на который можно отреагировать нуклеофилы с образованием гидроксильных групп. Это можно сделать в один этап.[5] Обратите внимание, что в примере, показанном ниже, только одна из трех цепей жирных кислот нарисована полностью, другая часть молекулы представлена ​​буквой «R1"и нуклеофил не указан. Более ранние примеры также включают раскрытие цикла, катализируемое кислотой. эпоксидированное соевое масло для производства олеохимических полиолов для пенополиуретана [6] и катализируемое кислотой раскрытие цикла метиловых эфиров жирных кислот сои с многофункциональными полиолами с образованием новых полиолов для литья смол.[7]

Эпоксидирование и раскрытие кольца ненасыщенного триглицерида

Триглицериды ненасыщенных (содержащих двойные углерод-углеродные связи) жирных кислот или метиловых эфиров этих кислот можно обрабатывать монооксид углерода и водород при наличии металла катализатор чтобы добавить группы -CHO (формил) в цепь (гидроформилирование реакция) с последующим гидрирование для получения необходимых гидроксильных групп.[8] В этом случае R1 может быть остатком триглицерида или меньшей группой, такой как метил (в этом случае субстрат будет похож на биодизель ). Если R = Me, то дополнительные реакции типа переэтерификация необходимы для создания полиола.

Гидроформилирование и восстановление ненасыщенного триглицерида

Использует

Касторовое масло нашло множество Приложения многие из них обусловлены наличием гидроксильной группы, которая делает возможным химическую дериватизацию масла или изменяет свойства касторового масла по сравнению с растительными маслами, которые не имеют гидроксильной группы. Касторовое масло претерпевает большинство реакций, которые спирты делать, но наиболее важным в промышленном отношении является реакция с диизоцианаты производить полиуретаны.

Касторовое масло само по себе использовалось для изготовления различных полиуретановых продуктов, от покрытий до пен, и использование производных касторового масла продолжает оставаться областью активных разработок. Касторовое масло на основе оксид пропилена[9] производит пенополиуритан для матрасов, а еще одна новая производная используется в покрытиях [10]

Помимо касторового масла, которое является относительно дорогим растительным маслом и не производится внутри страны во многих промышленно развитых странах, использование полиолов, полученных из растительные масла производство полиуретановых продуктов начало привлекать внимание примерно с 2004 года. Рост стоимости нефтехимического сырья и возросшее общественное желание экологически чистый зеленый продукты создали спрос на эти материалы.[11] Одним из самых ярых сторонников этих полиуретанов, изготовленных с использованием полиолов натуральных масел, является Ford Motor Company, которая впервые использовала пенополиуретан, изготовленный с использованием соевого масла, в сиденьях своего автомобиля 2008 года. Форд Мустанг.[12][13] С тех пор Ford разместил сиденья из соевой пены на всех своих транспортных средствах в Северной Америке. Заинтересованность автопроизводителей обусловливает большую часть работы, проводимой по использованию NOP в полиуретановых продуктах для использования в автомобилях, например, сиденьях,[14][15] и подголовники, подлокотники, звукоизоляция и даже кузовные панели.[16]

Одним из первых применений NOP (кроме касторового масла) было изготовление напыляемой пенополиуретановой изоляции для зданий.[17]

NOP также находят применение в пенополиуретане для изготовления обычных матрасов.[8] а также пена памяти матрасы.[18][19]

Характеристики NOP могут варьироваться в очень широком диапазоне. Это можно сделать, выбрав базовое натуральное масло (или масла), используемое для создания NOP. Кроме того, используя известные и все более новые химические методы (Garrett & Du), можно привить дополнительные группы к цепям триглицеридов NOP и изменить его характеристики обработки, что, в свою очередь, изменит и модифицирует контролируемым образом физические свойства последней статьи, для производства которой используется NOP. Различия и модификации в технологическом режиме и условиях реакции, используемых для получения данного NOP, также обычно приводят к разным химическим архитектурам и, следовательно, различным характеристикам конечного использования этого NOP; так что даже если два NOP могли быть изготовлены из одного корня натурального масла, они могут неожиданно отличаться при использовании и также будут давать заметно различающийся конечный продукт. Коммерчески (с 2012 года) NOP доступны и производятся из; масло пилы травы, соевое масло, касторовое масло (в виде привитого NOP), рапсовое масло, пальмовое масло (ядра и мезокарпий) и кокосовое масло. Также ведется некоторая работа над NOP из натуральных животных масел.

Первоначально в США и с начала 2010 года стало возможным заменить более 50% полиолов на нефтехимической основе на NOP для использования в пенопластах, продаваемых на массовом рынке, в производстве мебели и постельных принадлежностей. Коммерциализированная технология [20] также устраняет или значительно снижает проблему запаха, упомянутую выше, обычно связанную с использованием NOP. Это особенно важно, когда NOP будет использоваться на еще более высоких процентных уровнях, чтобы попытаться уменьшить зависимость от нефтехимических материалов и произвести материалы для использования в сегментах домашней и контрактной мебели, которые исторически очень чувствительны к «химическим» запахам в конечный продукт из пеноматериала в домах и на работе людей.

Среди других полезных эффектов использования высоких уровней натуральных масляных полиолов для изготовления пен можно отметить улучшения, наблюдаемые в долговременных характеристиках пены во влажных условиях, а также в воспламеняемости пен; по сравнению с эквивалентными пенами, изготовленными без NOP. Люди потеют; и поэтому пена, используемая для изготовления матрасов или мебели, со временем будет становиться мягче и оказывать меньшую поддержку. Пот постепенно смягчает пену. Пены, изготовленные с высоким содержанием NOP, гораздо менее подвержены этой проблеме, так что полезный срок службы изделия с мягкой обивкой может быть продлен. Использование высоких уровней NOP также позволяет производить пенопласт с огнезащитными составами, которые являются постоянными, и следовательно, не выбрасываются позже в бытовую или рабочую среду. Эти относительно недавно разработанные материалы могут быть добавлены в пеноматериалы NOP в очень низких количествах для прохождения таких хорошо известных испытаний, как Калифорнийский технический бюллетень 117, который является хорошо известным тестом на воспламеняемость мебели. Эти постоянные антипирены не содержат галогенов и входят в матрицу пены и поэтому фиксируются там. Дополнительный эффект от использования этих новых, высокоэффективных, стойких антипиренов состоит в том, что дым, наблюдаемый во время этих стандартных огнестойких испытаний, может быть значительно уменьшен по сравнению с дымом, образующимся при испытании пен, изготовленных из непостоянных огнезащитных материалов, которые не являются ключевыми сами в структуру пены.[21] Более поздняя работа, проведенная в 2014 году с этой «Зеленой химией», показала, что могут быть получены пены, содержащие около 50 процентов по весу натуральных масел, которые выделяют гораздо меньше дыма при возникновении пожаров. Способность этих пен с низким уровнем выбросов снижать выбросы дыма до 80% является интересным свойством, которое поможет уйти от пожаров, а также снизит риски для служб быстрого реагирования, то есть аварийных служб в целом и персонала пожарной части в частности.[22]

Другие технологии могут быть объединены с этими характеристиками воспламеняемости для получения пен, которые имеют чрезвычайно низкие общие выбросы летучих органических соединений, известных как ЛОС.

Рекомендации

  1. ^ Дж. Поллак. «Соя против петрополиолов, сравнение жизненного цикла» (PDF). Получено 2008-12-16.[постоянная мертвая ссылка ]
  2. ^ «Бизнес Cargill по производству полиолов BiOH открывает производственную площадку в Бразилии». Gupta Verlag. 26 сентября 2007 г.. Получено 2017-11-21.
  3. ^ Гаррет, Томас; Ду, Сиань Ду. Полиолы для разнообразного применения (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 28 сентября 2010 г.
  4. ^ Нараян, Рамани; Фыонг Тран; Дэниел Грейвер (сентябрь 2005 г.). «Озон-опосредованный синтез полиола из соевого масла». Журнал Американского общества химиков-нефтяников. 82 (9): 653–659. Дои:10.1007 / s11746-005-1124-z.
  5. ^ США 2006041156 
  6. ^ США 4742087 
  7. ^ США 6730768 
  8. ^ а б Babb, D .; Дж. Филлипс; К. Кейлор (2006). Полиол на основе сои для гибкого пенопласта. Солт-Лейк-Сити: Союз производителей полиуретанов.
  9. ^ Bauer, S .; Р. Куппель; Дж. Винклер; П. Кукельбергс (2006). Новые полиолы на основе возобновляемых ресурсов. Маастрихт: UTECH.
  10. ^ Дауни, Уильям; Кристофер Мегсон; Уэйн Райт (2007). Новые полиолы на основе касторового масла с улучшенными эксплуатационными характеристиками. Орландо: Центр промышленности полиуретанов.
  11. ^ Нимейер, Тимоти; Патель, Мунджал; Гейгер, Эрик (сентябрь 2006 г.). Дальнейшее исследование полиолов на основе сои в полиуретановых системах. Солт-Лейк-Сити, Юта: Техническая конференция Альянса производителей полиуретана.
  12. ^ «Новый поворот к зеленому: сиденья Ford Mustang 2008 года будут изготовлены из пеноматериала на основе сои». Эдмундс внутри линии. 12 июля 2007 г. Архивировано с оригинал 1 октября 2007 г.. Получено Второе октября, 2007.
  13. ^ «Обновление биокомпозитов: био-смолы начинают расти». Мир композитов (Апреля). 2008 г.. Получено 2008-11-25.
  14. ^ Доу, Боб; Франсуа Казати; Сабрина Фрегни; Ёсиаки Миядзаки (сентябрь 2007 г.). Полиолы на основе природных масел: применение в формованных пенополиуретанах. Орландо: Центр конференций по производству полиуретана.
  15. ^ Станчу, Ромео; Пол Фаркас; Хамди Халил; Аскар Карами; Либерато Мендоса; Юсуф Вазирзаде (сентябрь 2007 г.). Формованные гибкие полиуретановые пены с высоким уровнем биологического включения. Орландо: Центр конференций по производству полиуретана.
  16. ^ Джеймс, Аллан; Кеньятта Джонсон; Клэр Саттон; Марк Голдхок; Хельмут Штегт (сентябрь 2007 г.). Полиолы на основе натуральных масел в качестве сополиолов в автомобильных подголовниках, подлокотниках, RIM и NVH. Орландо: Центр конференций по производству полиуретана.
  17. ^ "Домашняя страница изоляционной пены на биологической основе". Архивировано из оригинал на 2007-10-31. Получено 2007-10-03.
  18. ^ Дай, Джек; Рикардо де Генова; Дэвид Симпсон (сентябрь 2007 г.). Естественные последние разработки полиолов на основе натуральных масел для производства вязкоупругих пен. Орландо: Центр конференций по производству полиуретана.
  19. ^ Оби, Бернард; Дениз Батлер; Дэвид Бэбб; Альфредо Ларре (сентябрь 2007 г.). Последние достижения в области TDI 80/20 с вязкоупругими (VE) пенами с катализатором на основе октоатного олова, полученными как из полиолов на углеводородной основе, так и из полиолов на основе природных масел (NOP). Орландо: Центр конференций по производству полиуретана.
  20. ^ «Расширение использования природных масляных полиолов в составах пенополиуретана - Роулендс, Конференция J. UTECH, Маастрихт, Нидерланды. Апрель 2012 г.».[постоянная мертвая ссылка ]
  21. ^ «Низкое содержание ЛОС Cal TB 117 с использованием био-возобновляемых технологий - Конференция Роулендс, Дж. Ассоциации производителей пенополиуретана - Санкт-Петербург, Флорида, США - май 2013 г.».[постоянная мертвая ссылка ]
  22. ^ «Перспективные натуральные пены для программы биопредприятий Министерства сельского хозяйства США - Конференция и выставка Роулендса, Дж. Ютех, Шарлотта, США. 4 и 5 июня 2014 г.».[постоянная мертвая ссылка ]