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盡管除了月桂酸鹽和山箭酸鹽之外,金屬硬脂酸鹽是惟一可用的金屬皂類,但通常,金屬硬脂酸鹽和金屬皂類這兩個(gè)術(shù)語可以互換使用。
在PE中,最常用的金屬硬脂酸鹽是CaSt和ZnSt,而在PP中,只有CaSt最常用。只有在某些級(jí)別的含有有機(jī)澄清劑PP中,硬脂酸鈉才被用作除酸劑,但它對(duì)于改善產(chǎn)品透明度的作用不大。在聚甲醛中,CaSt可以用作共穩(wěn)定劑,并可以中和甲醛氧化時(shí)產(chǎn)生的甲酸。
從分于角度來講,金屬硬脂酸鹽具有一個(gè)電荷強(qiáng)烈分離的無機(jī)中心,兩條線型烴鏈。當(dāng)將硬脂酸鹽用作中和劑時(shí),金屬取代基和酸或酸性催化劑殘余物發(fā)生反應(yīng)。
同時(shí),硬脂酸鹽還具有硬脂酸的脂肪特性,即具有潤滑性和斥水性。因此,硬脂酸鹽可賦予樹脂一定的潤滑性。此外,硬脂酸鹽還可以從聚合物內(nèi)部遷移到表面,使材料易于脫模,從而具有滑爽性。
在擠出和壓延過程中使用硬脂酸鹽利用的就是其潤滑性。在褐色薄膜中,尤其是LL-DPE薄膜,硬脂酸鹽還可以阻止熔體破裂。當(dāng)硬脂酸鹽被同時(shí)用作中和劑和潤滑劑時(shí),所需的添加量比只用作中和劑時(shí)多幾倍。但當(dāng)硬脂酸鹽的添加量過高時(shí),則有可能會(huì)在模具、模唇或冷卻輥上結(jié)垢。但這通常不會(huì)帶來多大問題,除非表面的清潔度要求極高。
在那些模塑部件采用漆層加以保護(hù)的應(yīng)用領(lǐng)域,例如在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用,必須對(duì)金屬硬脂酸鹽的內(nèi)在潤滑性的大小進(jìn)行嚴(yán)格檢測(cè)。而且,所用除酸劑的類型和添加量很重要,并且受到客戶要求和流水操作(例如印刷和涂漆)等條件的限制。
除了用作除酸劑和脫模劑之外,硬脂酸醋也可用于顏料、填料和增強(qiáng)劑的分散添加劑。例如,當(dāng)加入CaSt作為炭黑和碳酸鈣分散添加劑時(shí),PE的混合質(zhì)量可以得到顯著提高。當(dāng)用于增強(qiáng)聚合物時(shí),金屬硬脂酸鹽也起到潤滑的作用,并且可以使最終部件的表面更加光潔。
通常采用兩種方法制備金屬硬脂酸鹽:其一是沉淀法。另一種則是直接熔融法。
在沉淀法中,大量的水(大約是所用硬脂酸鹽量的5~10倍)被用作反應(yīng)介質(zhì)兼溶劑。
硬脂酸和水的比例會(huì)對(duì)硬脂酸鹽的顆粒尺寸以及顆粒表面積產(chǎn)生影響。稀釋度越高,生成的穎粒越小,其比表面積也就越大。在反應(yīng)時(shí),首先將水預(yù)熱到典型的加工溫度,約在45 ~80℃之間,該溫度取決于硬脂酸鹽的類型。當(dāng)沉淀生成之后,必須將體系中的水通過機(jī)械或在熱的作用下除去。在干燥前,必須將生成的水溶性無機(jī)鹽副產(chǎn)物通過水洗除去。除此之外,硬脂酸鹽的沉淀法是一種能量密集的加工方法。
沉淀硬脂酸鹽的許多化學(xué)參數(shù)都可以和熔融級(jí)別的相媲美,但其薄片狀的粒子外形和高的比表面積則是沉淀產(chǎn)品的內(nèi)在特性。對(duì)于規(guī)則的粉末級(jí)硬脂酸鋅,兩種級(jí)別的表面積會(huì)因?yàn)榧庸し椒ê蜅l件的不同而有所差異,但這兩種級(jí)別的產(chǎn)品,在45μm網(wǎng)篩的通過率都高達(dá)99%。
熔融級(jí)別的粉末狀金屬硬脂酸鹽的生產(chǎn)需要采用研磨加工才可以生產(chǎn)出更規(guī)則的粉狀顆粒。這些顆粒傾向于更緊密的堆積,因此和沉淀級(jí)的硬脂酸鹽相比,更有利于運(yùn)輸和傳送。而且熔融級(jí)的硬脂酸鹽不存在像沉淀級(jí)別在生產(chǎn)中所形成的鹽的殘余物。在沉淀級(jí)的硬脂酸鹽中,即使這些水溶性的殘余物被洗出,仍會(huì)有約0.2%的氯化物或硫化物殘留在金屬硬脂酸鹽成品中。
技術(shù)級(jí)別的硬脂酸除了含有硬脂酸之外,主要還含有棕櫚酸。通常,如果采用動(dòng)物基的原材料,硬脂酸和棕櫚酸的比率一般約為2:1,如果是植物基的則為1:1。鏈長度的不同導(dǎo)致了硬脂酸中的酸數(shù)量會(huì)有微小差異,因此植物基的硬脂酸鹽的灰分和金屬含量稍高一些。但是,因?yàn)榻饘儆仓猁}在聚合物中的添加量一般少于二0.2%。硬脂酸和棕櫚酸的比率對(duì)其除酸性能、潤滑性和離膜特性基本沒有影響。硬脂酸的質(zhì)量、所采用的加工技術(shù)、反應(yīng)進(jìn)行的程度以及生產(chǎn)過程中的熱處理次數(shù),都會(huì)對(duì)其體系的熱穩(wěn)定性和感官性產(chǎn)生影響。硬脂酸使得所有的硬脂酸鹽都有一股淡淡的脂肪氣味。
熔融級(jí)金屬硬脂酸鹽在生產(chǎn)過程中不需要純化步驟,無機(jī)原材料的純度,例如氧化鋅或氫氧化鈣(石灰),對(duì)金屬硬脂酸鹽的影響很大。因?yàn)橛行┖哿康慕饘匐s質(zhì)會(huì)起到催化氧化的作用,國際鋅研究組織指出,只有通過所謂的法式加工所生產(chǎn)的氧化鋅可用作體系的協(xié)同穩(wěn)定劑。和易受生產(chǎn)過程影響的氧化鋅不一樣,石灰這種天然產(chǎn)物的純度取決于采礦的條件。
金屬硬脂酸鹽的金屬部分對(duì)其性能的影響比其他參數(shù)的影響都要大,而且決定著其他化學(xué)參數(shù)。從金屬元素在元素周期表中的相對(duì)位置可以推測(cè)出所得化合物的相關(guān)特性,如熔點(diǎn)、毒性、溶解度和熔融黏度。鈣的電負(fù)性比鋅的要強(qiáng)一些,因此形成的化合物更穩(wěn)定。PVC中所用的Ca/Zn穩(wěn)定劑的作用原理就是因?yàn)槁然\為Lewis酸,可以和CaSt發(fā)生中和反應(yīng),生成ZnSt和更穩(wěn)定的氯化鈣。
不同金屬硬脂酸鹽中的酸/堿比率不同。為了確保硬脂酸的完全中和,大多數(shù)硬脂酸鹽在制備過程中都加入稍微過量的有機(jī)堿,例如氧化鋅。堿式金屬反應(yīng)物的相對(duì)過量確保了硬脂酸鹽中游離脂肪酸的濃度較低,從而使硬脂酸鹽在水溶性生產(chǎn)過程中更容易過濾。稍顯堿性和中性的金屬硬脂酸鹽在大多數(shù)傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中可以互換,而在那些要求所有樹脂組分能夠完全熔融或具有良好過濾特性的應(yīng)用場(chǎng)合,則明確規(guī)定必須使用中性硬脂酸鹽。硬脂酸鹽的化學(xué)計(jì)量式和灰分含量(在煅燒后)的測(cè)試方法,目前已被廣泛接受。
近幾年來,人們則熱衷于低粉塵式的金屬硬脂酸鹽的研究,因?yàn)檫@種形式的材料可以減少粉塵帶來的危害和粉塵爆炸的危險(xiǎn)。熔融級(jí)別的CaSt除了有粉末形式之外,還有顆粒狀的形式,而熔融級(jí)別的ZnSt則有顆粒狀的、球形的、薄片的、錠劑等多種形式。對(duì)于沉淀的金屬硬脂酸鹽,因?yàn)樗捎玫闹苽涔に嚨南拗?,只有?xì)粉末狀的可以買到。