Новый растворитель на биооснове для более безопасных и экологически чистых покрытий

Фабьен Десварте, Кон Роберт МакЭлрой
09.08.2021 319

Растущее давление со стороны правительства и потребителей, требующих более безопасные и высококачественные материалы, затрагивает все отрасли промышленности, и сектор лакокрасочной продукции – не исключение.

Со стороны множества потребителей – от закрытых производственных предприятий до клиентов, занимающихся ремонтом непрофессионально – на отрасль влияют ужесточающиеся требования по снижению токсичности и углеродного следа, но простых решений пока нет.

В связи с этим австралийская компания Circa Group, занимающаяся биотехнологиями, совместно с Центром передовых экологически безопасных химических технологий при Йоркском университете (Великобритания) разработала приемлемую альтернативу жестко регламентируемым и токсичным растворителям. CyreneТМ (цирен, CAS 53716-82-8) – новый растворитель, который по солюбилизирующим свойствам, аналогичен традиционным диполярным апротонным растворителям, таким как N-метилпирролидон (NMP) и N,N-диметилформамид (DMF).

Данный растворитель изготавливается в две стадии из древесных опилок (с помощью химического строительного блока левоглюкозенона) на опытном заводе FC5 компании Circa в Тасмании, Австралия. Этот завод, построенный в рамках сотрудничества с норвежской целлюлозно-бумажной компанией Norske Skog, сейчас работает и бесперебойно выпускает 99% чистого цирена. Как показано в таблице 1, параметры растворимости Хансена, связанные с дисперсионными (δD), полярными (δP) и водород-связывающими (δH) взаимодействиями, для цирена близки к параметрам NMP и DMF, что говорит о его сопоставимой растворяющей способности. Как NMP, DMF и другие традиционные диполярные апротонные растворители, новый растворитель смешивается с водой и обладает высокими температурами вспышки и кипения, а также низким давлением насыщенного пара. Важно отметить, что цирен не содержит гетероатомов азота или серы, которые обычно содержатся в полярных апротонных растворителях.

Наряду с уникальным сочетанием свойств, включая высокую вязкость, поверхностное натяжение и апротонную полярность, он также представляет собой более безопасную и экологически чистую альтернативу традиционным растворителям. Было доказано, что это полностью биоразлагаемый растворитель с улучшенными характеристиками в отношении здоровья, безопасности и охраны окружающей среды по сравнению с NMP и DMF. Эти характеристики приведены в таблице 2.

Важно, что цирен не классифицируется как репротоксичный, в отличие от N-метилпирролидона, N,N-диметилформамида и диметилацетамида, которые входят в список кандидатов особо опасных веществ Европейского химического агентства из-за своей репротоксичности.

Недавно было принято новое ограничение касательно NMP; после мая 2020 года его использование будет дополнительно регулироваться, и его нельзя будет производить и использовать в странах ЕС, если рабочие условия не будут обеспечивать воздействие на работников ниже нормативного уровня.1

Кроме того, в отличие от большинства диполярных апротонных растворителей, получаемых из ископаемого сырья, в составе цирена >98% биологического сырья (в пересчете на все атомы, включая водород), получаемого из сертифицированного и возобновляемого источника отходов – древесных опилок. Независимый анализ жизненного цикла также показал, что производство этого растворителя с использованием процесса Circa способствует нейтрализации парниковых газов.2

Недавно Европейское химическое агентство (ECHA) предоставило компании Circa разрешение на производство или импорт до 100 тонн/год цирена в Европейском Союзе после получения одобрения REACH, приложение VIII.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Первоначальный интерес к данному продукту был связан с химическими составами, в которых полярные апротонные растворители уже широко применяются (например, в качестве обрабатывающего растворителя в фармацевтической промышленности).3-4

Недавно исследования, проведенные в научном и промышленном сообществе в разных странах мира, показали, что данный растворитель может стать подходящей заменой для NMP и DMF в производстве и диспергировании полимеров, применяемых в лакокрасочной отрасли.

Например, цирен успешно используется в производстве полиамидимидов, которые имеют широкий спектр применений, включая производство изоляции электропроводов (эмаль для проводов).

Новый растворитель можно использовать как при полимеризации, так и при отверждении полимеров. Кроме того, в патенте WO2017050541 указано, что применение цирена вместо NMP в качестве растворителя для поликонденсации ангидридов карбоновой кислоты и диизоцианатов не только ускоряет отверждение, но и придает покрытиям более высокую стойкость к растворителям.5

Доказано, что другие полимеры и полимерные системы, широко используемые в лакокрасочной отрасли, растворяются в цирене. Результаты данных испытаний скоро будут опубликованы в рецензируемых научных статьях.

Между тем, в последней публикации Фей и соавт. было продемонстрировано, что растворитель способен в определенной степени растворять такие полимеры, как полиамид, полиакрилонитрил, полисульфон, поливинилиденфторид, полибензимидазол и полидиметилсилоксан.6 Кроме того, моделирование параметров растворимости Хансена, выполненное Эбботтом, показывает, что смесь анизол:цирен в соотношении 55:45 практически идеальна для растворения полимера на биооснове – полилактида (ПЛА).7

К тому же, было доказано, что он обладает почти идеальными физическими свойствами для эксфолиации графита и, что особенно важно, для производства стабильных высококонцентрированных графеновых дисперсий и чернил.8-9

Совместное исследование Йоркского университета и Высшего совета по научным исследованиям Испании (CSIC) показало, что 13-кратное увеличение содержания графена может быть достигнуто путем перехода с NMP (выбранный растворитель) на цирен (рисунок 1).

Рисунок 1. Графеновые дисперсии в цирене и NMP. Значительно более высокое содержание было достигнуто при использовании цирена вместо NMP.8

Кроме того, полученный в цирене графен был более высокого качества: 93% хлопьев, состоящих из 10 и менее слоев, а также имеющих большее соотношение сторон и намного меньше краевых дефектов. Считается, что относительно высокая вязкость растворителя (14,5 мПа•с при 20 °С по сравнению с 1,9 мПа•с для NMP) повышает стабильность графеновых дисперсий за счет снижения скорости осаждения при центрифугировании, согласно закону Стокса, а также помогает сохранить целостность графеновых хлопьев.

По мере того, как графен все больше включают в покрытия и материалы для улучшения характеристик (например, теплопроводности, повышения химической стойкости, противомикробных свойств и предохранения от обрастания), компания Circa и ее клиенты продолжают изучать уникальные свойства растворителя, которые потенциально можно будет использовать для того, чтобы включить в состав более высокие концентрации других (твердых) добавок.10

И наконец, в еще неопубликованном исследовании Йоркского университета изучалось использование цирена для удаления обычных красок и граффити с различных пористых поверхностей. В рамках проекта при поддержке Агентства по инновациям Великобритании было испытано множество растворителей. Как показано на рисунке 2, данный растворитель успешно очищал испытываемые материалы и превосходил другие растворители, широко применяемые для таких целей.

Рисунок 2. Наглядный пример эффективности очистки различными растворителями при удалении краски с пористых материалов (оценка удаления краски: 1 – полное удаление, 4 – неполное удаление). Цирен, как и NMP, продемонстрировал прекрасные результаты (оценка 1).

ВЫВОДЫ

Для компаний, ищущих высокоэффективные, нетоксичные, экологически безопасные растворители, новый растворитель на биооснове может обеспечить более безопасную и высококачественную альтернативу токсичным диполярным апротонным растворителям, которые традиционно используются в лакокрасочной промышленности.

Благодаря стабильной работе опытного завода FC5 необходимое количество цирена теперь можно приобрести для испытаний через дистрибьюторов компании Circa – Will&Co и Merck KGaA, которые работают как MilliporeSigma в США и Канаде и продают продукцию под брендом Sigma-Aldrich.

Положительные отзывы о характеристиках продукта за последний год обеспечили компании Circa и ее партнерам фундамент, необходимый для дальнейшего развития и создания более крупного промышленного завода FC6.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. https://echa.europa.eu
  2. Меллентин, Превращение отходов лигноцеллюлозы в растворитель с низким углеродным следом, Национальная конференция и выставка Американского химического общества в Филадельфии, штат Пенсильвания, 21-25 августа.
  3. Уилсон и соавт., Цирен в качестве растворителя на биооснове для реакций сочетания амидов с использованием HATU, журнал Org. Biomol. Chem., 2018 г.,16, 2851-2854.
  4. Уилсон и соавт., Цирен в качестве растворителя на биооснове для реакций перекрестного сочетания Сузуки — Мияуры, журнал Synlett, 2018 г.; 29(05): 650-654
  5. Ведманн, Получение полиамидоимидов, патент WO2017050541.
  6. Фей и соавт., Корректировка характеристик нанофильтрационных мембран на основе органических растворителей с биофенольными покрытиями, Mendeley Data, 2019, v1.
  7. Эбботт, Наука о растворимости: принципы и практика, 2018 г. https://www.stevenabbott.co.uk/practical-solubility/the-book.php.
  8. Салаваджион и соавт., Идентификация высокоэффективных растворителей для экологически безопасной обработки графена, журнал Green Chem., 2017 г., 19, 2550-2560.
  9. Пэн и соавт., Экологичное производство высокопроводящих многослойных графеновых чернил для применения в беспроводной связи и «интернете вещей», журнал Nature Communications, 2018 г., 9, 5197.
  10. Найн и соавт., Графен: универсальный материал для защитных покрытий, журнал J. Mater. Chem. A, 2015 г., 3, 12580-12602
  11. Шервуд и соавт., Дигидролевоглюкозенон (цирен) в качестве биозамены диполярных апротонных растворителей, журнал Chem. Commun., 2014 г., 50, 9650.

Доктор Фабьен Десварте, компания Circa Sustainable Chemicals Ltd., Великобритания, Доктор Кон Роберт МакЭлрой, Йоркский университет, Великобритания

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.

Вам будет интересно

WESP мокрый электростатический фильтр нового поколенияя
WESP мокрый электростатический фильтр нового поколенияя
Dürr вывел на рынок мокрый электростатический фильтр нового поколения
Алёна Моршинина, Dürr Systems RUS
22.03.2021
305
Следующий уровень: новая эра нанесения краски
Следующий уровень: новая эра нанесения краски
Москва, 10 ноября 2021 г. – Четыре дня, различные часовые пояса и языки. На своей…
Dürr Systems RUS
15.11.2021
107
Технология KleerAid® EZ Treat 2.0 улучшает обработку для удаления излишков краски.
Технология KleerAid® EZ Treat 2.0 улучшает обработку для удаления излишков краски.
Отходы краски часто бывают "липкими" и "клейкими"; их очень трудно удалить или отделить от потоков…
Сильвен Массон
02.11.2022
40
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Химия-2022: новости 1-ого дня выставки
Новости 1-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
01.11.2022
49
Химия 2022 — новости второго дня выставки
Химия 2022 — новости второго дня выставки
Новости 2-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
02.11.2022
61
Новая автоматическая линия нанесения покрытий при изготовлении стеклянных изделий
Новая автоматическая линия нанесения покрытий при изготовлении стеклянных изделий
В последние несколько лет большинство отраслей промышленности направлено на максимально возможную автоматизацию процессов путем внедрения…
Барбара Пеннати
20.05.2021
193
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Химия 2022 — новости третьего дня выставки
Новости 3-ого дня выставки «Химия-2022», которая проходит с 31 октября по 3 ноября в Экспоцентре…
09.11.2022
46
Итоги выставки «Интерлакокраска-2022»
Итоги выставки «Интерлакокраска-2022»
Со 1 по 4 марта в ЦВК «Экспоцентр» проходила 26-я международная выставка лакокрасочных материалов и…
13.03.2022
388
Технология быстроотверждаемых энергоэффективных покрытий
Технология быстроотверждаемых энергоэффективных покрытий
Во всем мире цены продолжают расти ускоренными темпами. Главной проблемой как для собственников жилья, так…
01.06.2022
247