Эпоксидированное соевое масло (ЭСМ)

Эпоксидированное соевое масло (ЭСМ) — это модифицированное растительное масло, полученное путём введения эпоксигрупп в структуру соевого масла. Благодаря этому процессу масло приобретает улучшенные химические и физические свойства, включая высокую стабильность, превосходную адгезию и стойкость к окислению.

Свойства эпоксидированного соевого масла

Ключевые свойства продукта:

- Высокая реакционная способность за счёт эпоксигрупп;

- Улучшенная термостойкость и устойчивость к химическим воздействиям;

- Экологичность и биоразлагаемость;

- Отличная совместимость с различными полимерами и смолами;

- Помогает увеличить износостойкость и эластичность конечных материалов.

Термомеханические свойства композиций на основе диановой смолы и эпоксидированного соевого масла

Физические свойства соевого масла

Жиры и липиды составляют основу любых растительных масел. Растительные масла в свою очередь содержат большое количество ненасыщенных жирных кислот, которые могут быть преобразованы в эпоксидные жирные кислоты. В составе растительных масел преобладают молекулы триглицеридов, которые могут быть химически модифицированы – например, по реакциям гидролиза или переэтерификации либо путем взаимодействия/модификации ненасыщенных связей, присутствующих в жирных кислотах.

Наиболее востребованными композициями из ненасыщенных жирных кислот для использования в производстве эпоксидов являются олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. Линоленовая кислота содержит три двойные связи, линолевая – две, а олеиновая – одну. Окисление двойных связей в ненасыщенных жирных кислотах позволяет получать эпоксидированные смолы. Эти химические вещества можно легко найти, например, в соевом, льняном, рапсовом, оливковом, кукурузном и подсолнечном масле, а также в масле канолы и каранджи.

Доля соевого масла среди растительных масел – наибольшая, что легко объясняется его низкой стоимостью и высоким предложением на рынке. Соевые бобы являются одной из ведущих культур, выращиваемой приблизительно в 100 сортах. Причиной этого является их химический состав: высокое содержание белка (~40 %) и хорошее содержание масла (20 %). Второстепенные компоненты, присутствующие в сое, включают фосфолипиды, неомыляемые вещества, свободные жирные кислоты и микроэлементы. Следует также отметить, что рафинированное соевое масло содержит ˃99 % триглицеридов.

Способы эпоксидирования соевого масла

Известны многие способы эпоксидирования двойных связей растительных масел перекисью водорода и муравьиной кислотой. Все они связаны с использованием:

1) сложных катализаторов с применением соединений из тяжелых металлов, что усложняет переработку конечных стоков, сильно усложняет технологическую схему,

2) растворителей, таких как толуол, которые приводят к ухудшению качества готового продукта, невозможности его использования в производстве полимерных материалов для пищевого и медицинского назначения,

3) совместно с растворителем эпоксидированного масла.

Технологическая схема процесса эпоксидирования соевого масла надмуравьиной кислотой:

1, 2 - жидкостные счетчики; 3 - весовой мерник; 4, 10, 28 - подогреватели;

5, 15-18, 27, 34 - дозировочные насосы; 6, 20, 30 - тонкопленочные роторные испарители; 7-9, 19, 21, 31 - конденсаторы; 11, 12, 22, 23, 32, 33 - приемники;

13, 14 - реакторы; 24, 25, 29 - емкости; 26 - пульсационная колонна;

35, 36-сборники

Согласно этой схеме, процесс эпоксидирования проводят периодически, а промывку эпоксидированного масла, его осушку и отгонку толуола непрерывным способом. Эпоксидирование осуществляют при 70°С в двух попеременно работающих реакторах 13 и 14, снабженных рубашками для подачи пара и охлаждающей воды. В эти аппараты загружают соевое масло, необходимое количество толуола и перемешивают до образования гомогенного раствора. Затем содержимое нагревают до 70°С, после чего постепенно (через дозировочные насосы 15-18) подают смесь муравьиной кислоты и пероксида водорода (образование смеси происходит в трубопроводах, ведущих в аппараты). Процесс экзотермичен, поэтому необходимо тщательно следить за температурой. В случае подъема температуры выше 70°С подают охлаждающую воду в рубашки аппаратов или (в экстренных ситуациях) непосредственно в аппараты.

Контроль процесса эпоксидирования ведут по изменению концентрации пероксида водорода. Процесс считают законченным, когда концентрация пероксида не превышает 4%. Затем реакционную смесь отстаивают, водную фазу сливают в емкость 24, а масло (после охлаждения до 50°С) в емкость 25. Промывку масла осуществляют в пульсационной колонне с насадкой 26 при 50°С противотоком. Масло на промывку из емкости 25 подается с помощью насоса 27 через подогреватель 28 в нижнюю часть колонны, а вода для промывки, также предварительно подогретая до 50°С в подогревателе 4, в ее верхнюю часть. Промытое масло через верхнюю отстойную зону колонны поступает в промежуточную емкость 29. Промывная вода выходит через нижнюю отстойную зону. Осушка эпоксидированного масла и отгонка от него толуола производится в трех расположенных последовательно тонкопленочных роторных испарителях 6, 20 и 30 при 140-160°С под вакуумом, причем остаточное давление в этих аппаратах снижается (от первого аппарата к третьему) с 2,7 до 0,27 кПа. Отогнанный воднотолуольный дистиллят собирается в приемниках 11, 12, 22, 23, 32 и 33. Эпоксидированное масло, выходящее из последнего роторного испарителя 30, направляется на фасовку.

При окислении растительных масел образуются токсичные вещества, поэтому отработанный воздух поступает на специальную установку для улавливания и обезвреживания этих продуктов. Сначала он проходит через каплеотбойник, затем через орошаемый водой скруббер. Уловленные в каплеотбойнике и скруббере продукты в смеси с водой направляются в отстойник-делитель (жироловушка). Нижний водный слой подают в печь сжигания, в которой используется отработанный воздух с содержащимися в нем несконденсировавшимися продуктами, а верхний «масляный» слой утилизируют или также сжигают в печи.

Применение эпоксидированного соевого масла

Применение эпоксидированного соевого масла охватывает множество отраслей:

- Производство смол и лаков, улучшение адгезии и гибкости покрытий

- Изготовление пластмасс и композитных материалов

- Применение в качестве устойчивого к окислению пластификатора

- Использование в резиновой промышленности для повышения эластичности изделий

- Экологичные решения в косметической и фармацевтической сфере

Сфера применения эпоксидированного соевого масла широка. Оно применяется в качестве пластификатора и стабилизатора для различных материалов, в первую очередь поливинилхлорида, но также и также эпоксидной смолы. Что касается эпоксидной смолы, применение соевого масла в качестве отвердителя и функциональной добавки пока, преимущественно, проводится в исследовательских лабораториях, а не в промышленных масштабах.

В настоящее время основными участниками глобального рынка эпоксидных смол на биологической основе являются компании: Kukdo Chemical (Южная Корея), Supreme Silicones (Индия), Entropy Resins (США), Ecopoxy Coatings (Швейцария), Sicomin Epoxy Systems (Франция), Bitrez Ltd (Великобритания), ALPAS (Италия), Cardolite Corporation (США), Paladin Paints & Chemicals Pvt. Ltd (Индия), Spolchemie (Чехия), ATL Composites (Австралия), Change Climate Pty Ltd (Австралия) и др

Во втором десятилетии XXI в. эпоксидные смолы на биологической основе уже прочно вошли в состав различных материалов, применяемых в строительной и электронной промышленности в качестве красок, покрытий, клеев-герметиков, пластификаторов, базовых масел, реактивных разбавителей и поверхностно-активных веществ. Они также находят применение: в обрабатывающей промышленности; для получения изделий из стекловолокна, таких как морские суда, резервуары для дождевой воды, электрические платы и т. д.; в качестве гидрофобизаторов, клеев, герметиков и т. д. Таким образом, в связи с широким использованием эпоксидных смол на биологической основе ожидается увеличение их продаж в течение прогнозируемого периода, что несомненно приведет к росту их доли на мировом рынке.

В промышленности эпоксидированное соевое и льняное масло преимущественно используют в качестве альтернативного пластификатора и стабилизатора в поливинилхлориде вместо фталатов. Из-за своей потенциальной токсичности фталаты могут вызывать астму, повреждение эндокринной и нервной системы. Кроме того, переработка вторичных сельскохозяйственных отходов, таких как рисовая солома, обрезки виноградной лозы, кукурузная шелуха, жмых сахарного тростника, канифоли и др., позволяет получать сырье для производства термореактивных смол.