Пластификаторы придают пластмассам нужные механические свойства, однако часто это весьма токсичные вещества. Так в обычную пластмассу (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, получаемый из отходов сельскохозяйственных культур, богатых растительным маслом. Эксперименты показали, что ПВХ с такими эко-пластификаторами обладают хорошими механическими свойствами. Работа исследователей опубликована в августе в Journal of the American Oil Chemist’s Society.

Поливинилхлорид (ПВХ) — это один из самых популярных видов пластмасс. Из него изготавливают трубки, шланги и множество других изделий вплоть до грампластинок. При этом 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, однако они достаточно 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 — это биодизель, получаемый из водорослей и растений, богатых растительными маслами. После введения в него эпоксидных группировок, получают продукт с хорошими пластифицирующими свойствами. Однако до последнего времени в коммерческом плане эпоксидированные биодизели значительно уступали фталатам. Поэтому российские ученые решили модифицировать биодизель, и при этом использовали 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 называет биодизелем. Затем его фильтруют, очищают, а потом при температуре от 80 до 110 ℃ биодизель окисляют атмосферным кислородом в течении 12-40 часов.

Исследователи провели серию экспериментов с различными сырьем (в работе использовали подсолнечное, оливковое и льняное масло) и условиями синтеза: они проанализировали составы получаемых 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. При этом 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 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 для испытания нашей технологии уже есть производственные мощности”.

Также ученые отмечают, что новый пластификатор можно использовать не только для ПВХ, но и для других пластмасс, а сейчас они 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.

Статья: A Cherepanova et al, A New Green Method for the Production Polyvinylchloride Plasticizers from Fatty Acid Methyl Esters of Vegetable Oils, Journal of the American Oil Chemists’s Society, 2020. DOI: 10.1002/aocs.12415