Пластификаторы придают пластмассам нужные механические свойства, однако часто это весьма токсичные вещества. В обычную пластмассу (поливинилхлорид, ПВХ) в качестве пластификатора добавляют фталаты, которые разлагаются дольше, чем сам пластик, и отравляют почву. Ученые из РХТУ им. Д. И. Менделеева синтезировали функциональный аналог этих соединений, используя только природные компоненты,— биодизель, полученный из отходов сельскохозяйственных культур, богатых растительным маслом. Эксперименты показали, что ПВХ с такими экопластификаторами обладают хорошими механическими свойствами.
Фото: Ирина Бужор, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Ирина Бужор, Коммерсантъ / купить фото
ПВХ — один из самых популярных видов пластмасс. Из него изготавливают трубки, шланги и множество других изделий — вплоть до грампластинок. Помимо самого полимера в состав пластмассы входят и другие соединения, выполняющие вспомогательные функции, например пластификаторы, которые придают изделиям из ПВХ эластичность и снижают их хрупкость на морозе. Сегодня в качестве пластификаторов ПВХ чаще всего используют различные соединения на основе фталатов. Они токсичны и очень плохо утилизируются: даже когда пластмасса почти полностью разложится, фталаты остаются стабильными и так уходят в землю и грунтовые воды, отравляя их.
Один из вариантов на замену фталатам в ПВХ — биодизель из водорослей и растений, богатых растительными маслами. После введения в него эпоксидных группировок получают продукт с хорошими пластифицирующими свойствами. Но до последнего времени в коммерческом плане эпоксидированные биодизели значительно уступали фталатам. Российские ученые решили модифицировать биодизель и использовать для этого чрезвычайно доступный реагент — кислород из атмосферного воздуха.
«Журнал, где вышла статья, очень любит работы, которые расширяют горизонт превращения, потребления, преобразования вот этих растительных масел, а я всю жизнь работал с эпоксидными соединениями и как раз недавно занимался их аэробным окислением. Поэтому и пришла идея модифицировать биодизель за счет аэробного окисления воздухом,— рассказывает главный автор работы, профессор РХТУ Валентин Сапунов.— В результате после окисления мы получили смесь, которая, с одной стороны, обладает пластифицирующими свойствами уже на уровне фталатов, а с другой — легко разлагается, нетоксична и получается в конечном счете из растительного сырья — такой зеленый пластификатор».
Синтез нового пластификатора проводят в два этапа. На первом берут жиры из растительных масел и с помощью химической реакции с метанолом получают смесь различных эфиров жирных кислот, которую называют биодизелем. Затем его фильтруют, очищают, а потом при температуре от 80 до 110 градусов по Цельсию биодизель окисляют атмосферным кислородом в течение 12–40 часов.
Исследователи провели серию экспериментов с различным сырьем (в работе использовали подсолнечное, оливковое и льняное масло) и условиями синтеза: они проанализировали составы полученных смесей, а также их вязкость и пластифицирующие свойства. Оказалось, что в процессе окисления эпоксидные соединения в составе биодизеля постепенно превращаются в различные диэфиры, что улучшает пластифицирующие свойства смеси. Оптимальные характеристики показала смесь на основе льняного сырья: ПВХ с использованием этого пластификатора по своим характеристикам не уступал ПВХ с фталатами.
«Основной материал мы получили, а теперь, чтобы сделать его конкурентоспособным, нужно еще немного повозиться с его качеством — цветностью, летучестью. Например, чтобы материал был коммерчески приглядным, он должен быть прозрачным как слеза, абсолютно бесцветным,— комментирует Валентин Сапунов.— Мы работаем вместе с заводом в подмосковном Рошале, производящим биодизель, и они постоянно ищут новые направления, а их хрустальная мечта — это как раз сделать пластификатор на основе биодизеля. Так что для испытания нашей технологии уже есть производственные мощности».
Ученые считают, что новый пластификатор можно использовать не только для ПВХ, но и для других пластмасс, и сейчас ведут дополнительные работы по оптимизации синтеза. Исследователи ищут способ получения диэфиров со сходным функционалом пластификаторов не из эпоксидных соединений, а другими путями, поскольку при аэробном окислении эпоксидных соединений образуется много ненужных веществ.
РХТУ им. Д. И. Менделеева — опорный университет химической отрасли России, работа которого направлена не только на получение новых знаний, но и на внедрение их в промышленность. Исследование проведено сотрудниками кафедры химической технологии основного органического и нефтехимического синтеза.
Использованы материалы статьи A New Green Method for the Production Polyvinylchloride Plasticizers from Fatty Acid Methyl Esters of Vegetable Oils; Anna Cherepanova, Evgeniy Savel'ev, Leila Alieva, Irina Kuznetsova, Valentin Sapunov; журнал American Oil Chemist’s Society, август 2020 г.