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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術語可以互換使用。
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。只有在某些級別的含有有機澄清劑PP中,硬脂酸鈉才被用作除酸劑,但它對于改善產品透明度的作用不大。在聚甲醛中,CaSt可以用作共穩定劑,并可以中和甲醛氧化時產生的甲酸。
從分于角度來講,金屬硬脂酸鹽具有一個電荷強烈分離的無機中心,兩條線型烴鏈。當將硬脂酸鹽用作中和劑時,金屬取代基和酸或酸性催化劑殘余物發生反應。
同時,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。當硬脂酸鹽被同時用作中和劑和潤滑劑時,所需的添加量比只用作中和劑時多幾倍。但當硬脂酸鹽的添加量過高時,則有可能會在模具、模唇或冷卻輥上結垢。但這通常不會帶來多大問題,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的應用領域,例如在汽車制造業中的應用,必須對金屬硬脂酸鹽的內在潤滑性的大小進行嚴格檢測。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、填料和增強劑的分散添加劑。例如,當加入CaSt作為炭黑和碳酸鈣分散添加劑時,PE的混合質量可以得到顯著提高。當用于增強聚合物時,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)被用作反應介質兼溶劑。
硬脂酸和水的比例會對硬脂酸鹽的顆粒尺寸以及顆粒表面積產生影響。稀釋度越高,生成的穎粒越小,其比表面積也就越大。在反應時,首先將水預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。當沉淀生成之后,必須將體系中的水通過機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鹽副產物通過水洗除去。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參數都可以和熔融級別的相媲美,但其薄片狀的粒子外形和高的比表面積則是沉淀產品的內在特性。對于規則的粉末級硬脂酸鋅,兩種級別的表面積會因為加工方法和條件的不同而有所差異,但這兩種級別的產品,在45μm網篩的通過率都高達99%。
熔融級別的粉末狀金屬硬脂酸鹽的生產需要采用研磨加工才可以生產出更規則的粉狀顆粒。這些顆粒傾向于更緊密的堆積,因此和沉淀級的硬脂酸鹽相比,更有利于運輸和傳送。而且熔融級的硬脂酸鹽不存在像沉淀級別在生產中所形成的鹽的殘余物。在沉淀級的硬脂酸鹽中,即使這些水溶性的殘余物被洗出,仍會有約0.2%的氯化物或硫化物殘留在金屬硬脂酸鹽成品中。
技術級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。鏈長度的不同導致了硬脂酸中的酸數量會有微小差異,因此植物基的硬脂酸鹽的灰分和金屬含量稍高一些。但是,因為金屬硬脂酸鹽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其除酸性能、潤滑性和離膜特性基本沒有影響。硬脂酸的質量、所采用的加工技術、反應進行的程度以及生產過程中的熱處理次數,都會對其體系的熱穩定性和感官性產生影響。硬脂酸使得所有的硬脂酸鹽都有一股淡淡的脂肪氣味。
熔融級金屬硬脂酸鹽在生產過程中不需要純化步驟,無機原材料的純度,例如氧化鋅或氫氧化鈣(石灰),對金屬硬脂酸鹽的影響很大。因為有些痕量的金屬雜質會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的氧化鋅可用作體系的協同穩定劑。和易受生產過程影響的氧化鋅不一樣,石灰這種天然產物的純度取決于采礦的條件。
金屬硬脂酸鹽的金屬部分對其性能的影響比其他參數的影響都要大,而且決定著其他化學參數。從金屬元素在元素周期表中的相對位置可以推測出所得化合物的相關特性,如熔點、毒性、溶解度和熔融黏度。鈣的電負性比鋅的要強一些,因此形成的化合物更穩定。PVC中所用的Ca/Zn穩定劑的作用原理就是因為氯化鋅為Lewis酸,可以和CaSt發生中和反應,生成ZnSt和更穩定的氯化鈣。
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,大多數硬脂酸鹽在制備過程中都加入稍微過量的有機堿,例如氧化鋅。堿式金屬反應物的相對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傳統應用領域中可以互換,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用場合,則明確規定必須使用中性硬脂酸鹽。硬脂酸鹽的化學計量式和灰分含量(在煅燒后)的測試方法,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,因為這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。熔融級別的CaSt除了有粉末形式之外,還有顆粒狀的形式,而熔融級別的ZnSt則有顆粒狀的、球形的、薄片的、錠劑等多種形式。對于沉淀的金屬硬脂酸鹽,因為所采用的制備工藝的限制,只有細粉末狀的可以買到。