增塑劑是一類重要的低分子量非揮發(fā)性化合物，在聚合物工業(yè)中廣泛用作添加劑。這些物質(zhì)的主要作用是通過降低二級(jí)轉(zhuǎn)變溫度，即玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）。IUPAC（國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）理事會(huì)將增塑劑定義為“摻入材料（通常是塑料或彈性體）中以增加其柔韌性、可加工性或可擴(kuò)張性的物質(zhì)或材料”。這些物質(zhì)降低了聚合物的變形張力、硬度、密度、粘度和靜電荷，同時(shí)增加了聚合物鏈的柔韌性、抗斷裂性和介電常數(shù)。其他性質(zhì)也受到影響，例如結(jié)晶度、光學(xué)透明度、導(dǎo)電性、防火性能和抗生物降解性，以及其他物理性質(zhì)。

在過去十年中，全球增塑劑產(chǎn)量約為每年 500 萬噸。這些被應(yīng)用于大約 60 種聚合物和 30 多組產(chǎn)品。在塑料制品制造中使用增塑劑并不是一種新的做法。其用于改變聚合物特性的應(yīng)用始于 1800 年代。在這些早期，賽璐珞或賽璐珞漆的制造商使用天然樟腦和蓖麻油進(jìn)行增塑，但對(duì)于許多最終用途來說這些增塑劑的結(jié)果并不令人滿意。后來，在1912年，磷酸三苯酯被試驗(yàn)替代樟腦油，代表了酯類增塑劑時(shí)代的開始。

鄰苯二甲酸酯于 1920 年首次用作增塑劑，并繼續(xù)成為 21 世紀(jì)最大的增塑劑類別鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯 (DEHP)，也稱為鄰苯二甲酸二辛酯 (DOP)，于 1930 年推出，自 1930 年代以來一直是使用最廣泛的增塑劑。塑料產(chǎn)品的種類繁多及其眾多應(yīng)用導(dǎo)致開發(fā)新的和改進(jìn)的增塑劑以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和規(guī)格要求。在過去的半個(gè)世紀(jì)里，立法和健康安全問題導(dǎo)致開發(fā)了廣泛的當(dāng)前可用的商業(yè)增塑劑。它們包括一些脂肪酸酯、苯甲酸鹽、酒石酸鹽和氯化烴、己二酸、壬二酸和癸二酸的酯。

隨著塑料工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)增塑劑的需求也朝著相同的方向發(fā)展。當(dāng)前市場(chǎng)提供了多種增塑劑選擇，這些增塑劑具有一系列屬性，可以針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行選擇，以滿足關(guān)鍵的材料要求。然而，自 1980 年代初以來，就鄰苯二甲酸鹽的使用及其對(duì)人類健康和環(huán)境的影響出現(xiàn)了擔(dān)憂甚至爭(zhēng)議。因此，增塑劑的使用受到質(zhì)疑，因?yàn)樗鼈兛赡艽嬖谂c鄰苯二甲酸酯遷移有關(guān)的毒性問題。

這一事實(shí)導(dǎo)致一些國(guó)家制定了關(guān)于在柔性 PVC 產(chǎn)品中使用鄰苯二甲酸酯的新的限制性法規(guī). 目前，有一種趨勢(shì)是用鄰苯二甲酸二異壬酯 (DINP) 或鄰苯二甲酸二異癸酯 (DIDP) 代替 DOP，它們是較高分子量的鄰苯二甲酸酯，因此更持久，溶解度較低，遷移速度較慢。此外，在過去的幾十年中，具有低遷移水平和低毒性的其他替代增塑劑和混合物已被廣泛使用，以克服這些問題。這些替代增塑劑對(duì)于對(duì)這種現(xiàn)象特別敏感的應(yīng)用非常有用。

如今，人們?cè)絹碓疥P(guān)注使用具有低毒性和低遷移特性的天然增塑劑。該組包括來自大豆油、亞麻籽油、蓖麻油、葵花油和脂肪酸酯 (FAE) 的環(huán)氧化甘油三酯植物油。

此外，對(duì)天然基增塑劑的研究還與材料研究人員和行業(yè)對(duì)開發(fā)新的生物基材料的興趣增加有關(guān)，這些材料由可再生和可生物降解的資源制成，有可能減少傳統(tǒng)塑料制品的使用。有理由認(rèn)為生物聚合物的增塑劑也應(yīng)該是可生物降解的。

在這方面，合成聚合物加工中使用的大多數(shù)傳統(tǒng)增塑劑不適用于某些可生物降解的熱塑性塑料，例如聚（3-羥基丁酸酯）（PHB），因此需要進(jìn)一步研究和開發(fā)該領(lǐng)域。盡管用天然增塑劑完全替代合成增塑劑是不可能的，但至少對(duì)于某些特定應(yīng)用而言，這種替代似乎是顯而易見且有用的。

1.增塑劑的功能

大多數(shù)塑料產(chǎn)品是通過所謂的“熱復(fù)合”技術(shù)制備的，其中配方成分在熱和剪切力下混合，從而形成熔融塑料（助熔）狀態(tài)，成型為所需產(chǎn)品，冷卻并允許開發(fā)強(qiáng)度和完整性的終極特性。熱復(fù)合包括壓延、擠出、注射和壓縮成型。塑料加工的難易程度會(huì)受到增塑劑類型和濃度以及其他配方添加劑的顯著影響。因此，由于它們不僅可以改變聚合物的物理性能，還可以改善加工特性，因此增塑劑也可以被視為加工添加劑。增塑劑可以通過降低粘度、更快的填料摻入來影響加工，更容易分散、更低的功率需求和更少的加工過程中產(chǎn)生的熱量、更好的流動(dòng)性、改進(jìn)的釋放和增強(qiáng)的粘性。

在基于生物聚合物的薄膜和涂料生產(chǎn)中，增塑劑也是必不可少的添加劑，因?yàn)樗鼈兛梢蕴岣弑∧さ娜犴g性和處理能力，保持完整性并避免聚合物基質(zhì)中的孔和裂縫。不相容性通常表現(xiàn)為生物聚合物和增塑劑之間的相分離，在產(chǎn)品混合后或最終產(chǎn)品應(yīng)用過程中立即以滲出液滴的形式出現(xiàn)在產(chǎn)品表面。

2.增塑劑的分類

在聚合物科學(xué)中，增塑劑可以定義為內(nèi)部增塑劑或外部增塑劑。外部增塑劑是添加到聚合物中的低揮發(fā)性物質(zhì)。在這種情況下，增塑劑分子與聚合物鏈相互作用，但不會(huì)通過初級(jí)鍵與它們發(fā)生化學(xué)連接，因此會(huì)因蒸發(fā)、遷移或萃取而丟失。另一方面，內(nèi)部增塑劑是聚合物分子的固有部分，成為產(chǎn)品的一部分，可以共聚成聚合物結(jié)構(gòu)或與原始聚合物反應(yīng)。

內(nèi)部增塑劑通常具有龐大的結(jié)構(gòu)，可為聚合物提供更多移動(dòng)空間并防止聚合物靠近在一起。因此，它們通過降低Tg軟化聚合物從而降低彈性模量。對(duì)于這兩種類型，雖然對(duì)于內(nèi)部增塑劑更為明顯，但觀察到材料性能對(duì)溫度的強(qiáng)烈依賴性。與內(nèi)部增塑劑相比，使用外部增塑劑的好處是有機(jī)會(huì)根據(jù)所需的產(chǎn)品特性選擇正確的物質(zhì)。

增塑劑也可分為初級(jí)和次級(jí)。如果聚合物在聚合物的高濃度下可溶于增塑劑，則稱其為初級(jí)增塑劑。這類增塑劑作為單獨(dú)的增塑劑或作為增塑劑的主要成分使用，它們應(yīng)在正常加工溫度范圍內(nèi)使聚合物迅速凝膠化，不應(yīng)從增塑材料中滲出。另一方面，輔助增塑劑的凝膠能力較低，與聚合物的相容性有限，它們通常與主增塑劑共混，以改善產(chǎn)品性能或降低成本。

用于生物聚合物基薄膜的增塑劑可分為水溶性和水不溶性。增塑劑的類型和用量強(qiáng)烈影響聚合物水分散體的成膜。 當(dāng)親水性增塑劑添加到聚合物分散體中時(shí)，它們會(huì)溶解在水性介質(zhì)中，如果以高濃度添加，它們會(huì)導(dǎo)致聚合物中的水?dāng)U散增加。相反，疏水性增塑劑可能會(huì)封閉薄膜中的微孔，導(dǎo)致吸水率降低。然而，水不溶性增塑劑會(huì)導(dǎo)致相分離，從而導(dǎo)致柔韌性損失或在薄膜干燥過程中形成不連續(xù)區(qū)。結(jié)果，增加了水蒸氣滲透率。通過聚合物分散體與增塑劑的最佳攪拌速率可以實(shí)現(xiàn)聚合物對(duì)不溶性增塑劑的完全吸收。

3.可生物降解聚合物：來源和分類

根據(jù)合成和來源，可生物降解聚合物可分為四類：

只有最后一類是從不可再生資源中獲得的。第一類被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)聚合物，其他被稱為可生物降解的生物聚酯。由于合成聚合物的可生物降解性，合成聚合物正逐漸被可生物降解的材料取代，尤其是那些源自自然資源的材料。最近在可食用和/或可生物降解聚合物薄膜方面的創(chuàng)新在文獻(xiàn)中得到廣泛討論，在食品包裝、外科手術(shù)、藥物用途方面有所改進(jìn)。

4.總結(jié)

與使用可浸出增塑劑（例如鄰苯二甲酸鹽）相關(guān)的健康和環(huán)境問題可以通過使用需要較少或不需要增塑劑的替代柔性聚合物、某些表面改性技術(shù)以及使用揮發(fā)性和可浸出性較低的增塑劑來解決和最小化，甚至使用毒性較低的增塑劑。后一種選擇是指開發(fā)基于天然的增塑劑，最近激發(fā)了各個(gè)學(xué)術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的研究。使用這種低毒且與多種塑料、樹脂、橡膠和彈性體相容性好的增塑劑來替代傳統(tǒng)的合成增塑劑已變得更具吸引力。

盡管仍然沒有足夠的科學(xué)數(shù)據(jù)來證明與使用合成增塑劑相關(guān)的健康問題的真正威脅，但毫無疑問，對(duì)環(huán)境和毒理學(xué)性能的要求將變得越來越嚴(yán)格。因此，低揮發(fā)性增塑劑，尤其是也難以提取的新型低聚物系列，將在所有應(yīng)用領(lǐng)域中變得更加重要。實(shí)施這種新型天然增塑劑的挑戰(zhàn)與材料研究人員和行業(yè)對(duì)新型生物基材料日益增長(zhǎng)的興趣相匹配，這些材料由可再生資源制成，具有潛力，不是完全替代而是減少傳統(tǒng)塑料制品的使用。

到目前為止，生物塑料約占當(dāng)前塑料市場(chǎng)的 5-10%。盡管它們的開發(fā)成本很高，且尚未具備經(jīng)濟(jì)規(guī)模效益，但相信在未來幾十年內(nèi)，對(duì)這些產(chǎn)品的需求將迅速增長(zhǎng)，并將廣泛應(yīng)用于包裝應(yīng)用。生物聚合物滿足環(huán)境問題，但它們?cè)谂c成本相關(guān)的耐熱性、阻隔性和機(jī)械性能等性能方面也表現(xiàn)出一些局限性。然而，生物基聚合物已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了重要的應(yīng)用，例如在制藥和醫(yī)療領(lǐng)域，其中成本不如功能本身重要。

在科學(xué)文獻(xiàn)中，越來越多的出版物報(bào)道了具有天然和/或可生物降解增塑劑的生物聚合物的生產(chǎn)和應(yīng)用，例如檸檬酸鹽、多元醇、三醋精、低聚酯酰胺和脂肪酸衍生物。盡管如此，仍然需要更深入地了解它們的相互作用以及基本的物理化學(xué)和生化特性，以便能夠使用相容的增塑劑設(shè)計(jì)和生產(chǎn)理想且具有競(jìng)爭(zhēng)力的材料。

來源：TK生物基材料 返回搜狐，查看更多