Стеараты металлов: свойства и производство

Стеараты металлов представляют собой соединения стеариновой кислоты с металлами различной валентности — соли или мыла. Их получают взаимодействием стеариновой кислоты с оксидами, гидроксидами и с солями металлов. Рассматриваемые вещества состоят из углеводородной цепочки и карбоксильной группы, в которой атом водорода замещён металлом. Для производства этих соединений используют стеариновую кислоту.

Наиболее важные стеараты с точки зрения применения в промышленном производстве:

стеарат кальция
стеарат цинка
стеарат магния
стеарат алюминия
стеарат натрия
стеарат калия

стеара.png

Формула и строение стеаратов металлов в общем виде

Свойства стеаратов металлов

В отличие от большинства других смазочных материалов и антиадгезивов, стеараты металлов характеризуются высокими температурами плавления, поэтому в виде мелкодисперсного сухого порошка они могут действовать как сухая смазка, подобно графиту. Важную роль играет также гидрофобная природа соединений. Смазывающие, разделительные и водоотталкивающие характеристики соединений относятся ко всем металлическим стеаратам, но особенности их проявления определяются соответствующим катионом, длиной цепи кислоты и некоторыми другими свойствами соответствующего стеарата металла (например, содержанием кристаллизационной воды, гелеобразование зависит от типа соли (одно-, двух- или трехосновный стеарат), его полярности, вязкости и типа растворителя. Стеараты кальция, магния и цинка оказывают стабилизирующее действие на широкий спектр термопластов, а стеараты алюминия и магния используются в качестве ингибиторов пенообразования для различных суспензий.

Среди множества свойств стеаратов металлов наиболее важными являются:

смазывающие
разделительные
водоотталкивающие
способность к гелеобразованию
стабилизирующий эффект
подавление пенообразования

Производство стеаратов металлов

Стеараты металлов получают следующими методами:

прямая реакция
реакция осаждения
сплавление

Прямая реакция

Метод заключается во взаимодействии стеариновой кислоты с оксидом, гидроксидом или карбонатом металла при повышенной температуре в избытке воды.

2С₁₇H₃₅COOH +	Ca(OH)₂ =	(C₁₇H₃₅COO)₂Ca +	H₂O
Стеариновая кислота	Гидроксид кальция	Стеарат кальция

Размер образовавшихся частиц зависит от отношения стеариновой кислоты к воде. Чем выше разбавление водой, тем мельче образовавшиеся частицы. Стеараты металлов, полученные прямой реакцией, представляют собой мелкие порошки с высокой степенью чистоты. Не все стеараты металлов можно получить методом из-за низкой реакционной способности некоторых оксидов, гидроксидов или карбонатов металлов. Реакцию можно эффективно проводить при атмосферном давлении, но особенность и преимущество этого метода состоит в том, что его также можно проводить под давлением и при температурах выше 100 °C для производства определенных типов стеаратов металлов, которые не получается синтезировать при атмосферном давлении.

Реакция осаждения

В данном случае стеариновую кислоту омыляют в большом объеме воды или небольшим избытком концентрированного раствора щелочи (гидроксид натрия, нашатырный спирт). Получившийся стеарат щелочного металла хорошо растворяется в воде:

С₁₇H₃₅COOH +	NaOH =	C₁₇H₃₅COONa +	H₂O
Стеариновая кислота	Гидроксид натрия	Стеарат натрия

Размер и форма частиц, которые можно получить, зависят от концентрации реагентов и скорости осаждения продукта. Чем сильнее полученная омыленная кислота разбавлена водой, тем мельче частицы и тем больше их поверхность. Не растворившийся в воде стеарат металла извлекают добавлением раствора соли металла (хлорид кальция, сульфат алюминия).

2С₁₇H₃₅COONa +	CaCl₂=	(C₁₇H₃₅COO)₂Ca +	2NaCl
Стеарат натрия	Хлорид кальция	Стеарат кальция

Водорастворимые соли, такие как хлорид натрия или сульфат натрия, образующиеся в качестве побочных продуктов реакции осаждения, из продукта отфильтровывают. Наконец, полученный осадок высушивают, а продукт деагломерируют — разламывают. Эта реакция обычно дает очень легкие, мелкие порошки с большой площадью поверхности. Данные типы стеаратов металлов используются в тех случаях, когда требуется мелкий размер частиц и большая площадь поверхности для наилучших смазывающих и разделительных свойств, и где особое внимание уделяется хорошим гидрофобным характеристикам.

Сплавление

В процессе сплавления оксиды или гидроксиды металлов и стеариновую кислоту нагревают под давлением при постоянном перемешивании выше температуры плавления металлического стеарата:

2С₁₇H₃₅COONa +	ZnO =	(C₁₇H₃₅COO)₂Zn +	H₂O
Стеарат натрия	Оксид цинка	Стеарат цинка

С помощью этого процесса можно получить различные физические формы в зависимости от диапазона плавления конечного продукта:

пластины
гранулы
хлопья
порошки

Отдельные представители

Стеарат кальция

Области применения:

Производство пластмассы
Фармацевтическая промышленность
Косметическая промышленность
Строительство

В последние годы всё большее значение приобретают стеараты кальция. Эти соединения применяются в производстве пластмасс в роли смазывающих материалов, антиадгезивов и поглотителей кислоты. Фармацевтическая и косметическая промышленность использует вещество в качестве добавки, предотвращающей слипание частиц порошков и гранул, а также в качестве наполнителя для прессования таблеток. В строительстве стеарат кальция используется в качестве гидрофобизатора для предотвращения поглощения влаги и консервации строительных материалов.

Стеарат кальция используется для производства полиэтиленовых и полипропиленовых плёнок и волокон. Некоторые виды вещества, обладающие высокой степенью чистоты, хорошо подходят для использования в качестве поглотителей кислот или смазок в полиэтиленовых и полипропиленовых пленках и волокнах, где применяются очень тонкие сетчатые фильтры экструдеров.

Стеарат цинка

Области применения:

Производство пластмассы
Изготовление полимеров
Лакокрасочная индустрия
Строительство

Стеараты цинка применяются, в основном, при производстве пластмассы и резины, где они используются в качестве разделяющих и смазывающих агентов. Он часто используется в качестве присыпки из-за его способности предотвращать слипание резиновых смесей. Прозрачность и теплостойкость чистого стеарата цинка делают его особенно подходящими для ударопрочного и кристаллического полистирола и других прозрачных полимеров. Стеарат цинка действует как поглотитель кислоты и технологическая добавка в некоторых областях применения полиолефинов. В лакокрасочной промышленности стеараты цинка используются для изготовления суспензий пигментов, а также для улучшения шлифуемости и матирования. Строительная промышленность использует порошкообразные осажденные стеараты цинка в качестве гидрофобизаторов для штукатурок.

Стеарат магния

Области применения:

Косметика
Изготовление полимеров
Фармацевтика
Производство пластика

Стеараты магния способны удерживать значительное количество воды, поэтому они используются для улучшения устойчивости состава кремов и изделий из полужесткого воска, а также для производства полимерных восков. Поскольку они признаны биологически безопасными, их применяют в косметическом и фармацевтическом производстве. Также стеараты магния улучшают сыпучесть и добавляются в порошки в качестве антиспекающих агентов. Также одним из основных применений стеарата магния является их использование в качестве вспомогательного вещества в таблетках. Термостабильные стеараты данного металла используются в роли смазок и антиадгезивов при обработке термопластов и реактопластов.

Стеарат алюминия

Эти вещества получают только методом осаждения, и существует множество разновидностей стеаратов алюминия (моно-, ди- или тристеараты). Масла с низкой вязкостью лучше всего сгущают три- и дистеараты , в то время как очень вязкие масла образуют более плотный гель в сочетании с ди- или моностеаратами алюминия. Все алюминиевые смазки обладают высокой гидрофобностью и характеризуются исключительной прозрачностью и хорошей адгезией к металлическим поверхностям.

Также благодаря своей хорошей водоотталкивающей способности стеараты алюминия используются в покрытиях и строительных материалах в качестве водоотталкивающих агентов.

Структурные формулы моно-, ди- и тристеаратов алюминия:

й.png

Стеараты других щелочных металлов

Стеараты лития часто добавляют в состав натуральных и синтетических масел для их загущения, также они помогают повысить температуру плавления и эластичность микрокристаллических восков и парафинов. Они используются при производстве легких металлических профилей. Преимуществом этих соединений является минимальный остаток после термической обработки. Стеараты натрия и калия используются в качестве смазки и зародышеобразователя при обработке термопластов.

Применение

Области применения в зависимости от характеристик веществ:

Область	Свойство
Строительство	Гидрофобность
ЛКМ	Способность к матированию
Смазывающие материалы	Тиксотропия^*
Получение резины	Гидрофобность
Металлургия	Смазывающая способность
Фармацевтическая и косметологическая промышленность	Смазывающая и разделительная способность

*— Тиксотропия: способность системы быть жидкой от механического воздействия и густой в состоянии покоя

В производстве резины

Характеристики стеаратов металлов, которые делают их идеальными антиадгезивами для изготовления резины:

смазывающая способность
гидрофобность
температура плавления

Технологическая цепочка получения изделий из резины включает в себя несколько процессов, требующих предотвращения прилипания невулканизированной резины (антиадгезия). Ниже приведены некоторые из распространенных изделий из резины, а также приборы и процессы для её изготовления, для которых используются стеараты металлов:

плиты
шланги
профили
полосы для литья под давлением
трансферное формование
преформы для прессования

Металлические стеараты используются по нескольким причинам:

невулканизированная резина требует быстрого отвода тепла, чтобы не произошло её подгорания, поэтому резину необходимо охлаждать водой перед штабелированием или хранением
невулканизированная резина будет формоваться с минимальным последующим измельчением или смешиванием или без них, т. е. компрессионным и трансферным формованием. Этот процесс требует, чтобы разделительный состав не содержал пигментов или наполнителей.

Эти требования может удовлетворить гидрофобная природа стеаратов металлов, поскольку она позволяет охлаждать каучук водой. Некоторые производители каучука используют воду для отвода как можно большего количества тепла от невулканизированной резины перед хранением, что помогает предотвратить подгорание этих составов до их отверждения.

Стеараты металлов можно наносить на резину несколькими способами. В чистом порошкообразном состоянии вещества наносят или распыляют на поверхность каучука, пропуская каучук через желоб или коробку, содержащую стеарат. Другой способ применения порошкообразных стеаратов — системы с водяным охлаждением. Он просто добавляется и всплывает на поверхность погружного резервуара. Гидрофобная природа позволяет порошку оставаться на поверхности и не смачиваться.

Для систем с водяным охлаждением стеараты обычно поставляются в виде 20-30% паст.

Металлические стеараты можно применять несколькими способами в процессе водяного охлаждения (эти процессы возможно благодаря тому, что рассматриваемые соединения обладают водоотталкивающими качествами и не смываются):

стеараты добавляются в бак водяного охлаждения
применяются после бака водяного охлаждения
наносят, а затем пропускают через резервуар с водяным охлаждением или распыляют водой

В получении пластмасс

Металлические стеараты используются в качестве поглотителей кислот, смазок и антиадгезивов в изготовлении пластмасс, а также важны в переработке расплава. Помимо оптимизации производства, использование этих соединений позволяет выпускать конечные изделия с более гладкой поверхностью.

Пластмассы, для получения которых они используются:

Стеарат	PE	PP	PS	ABS	PA	PVC	SMC/BMC
Кальция	●	●	●	●	●	●	●
Цинка	●		●		●	●	●
Магния				●	●
Алюминия					●		●

PE — полиэтилен, PP — полипропилен, PS — полистирол, ABS — АБС-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол), PA — полиамид, PVC — поливинилхлорид, SMC — листовая формовочная смесь, BMC — объёмная формовочная смесь

Добавки для стабилизации полимеров

Реакции окисления органических материалов, таких как полимеры, сильно влияют на их механические характеристики и цвет. Окисление происходит на каждом этапе жизненного цикла полимеров, особенно при обработке. В полимеры добавляют различные соединения для замедления окисления (например, фосфиты), называемые стабилизаторами. Воздействуя на свободные радикалы, образующиеся в цикле окисления, эти добавки способствуют долговременной или технологической стабильности. Важное значение для стабильности обработки имеют вещества, которые защищают антиоксиданты. В качестве таких веществ применяются стеараты металлов. Они поглощают кислоты и защищают антиоксиданты.

Преимущества таких добавок:

Не содержит пыли и легко дозируется
В некоторых случаях могут заменить фосфиты
Обеспечивают стабильность цвета
Стабильны к гидролизу
Не токсичны по отношению к пищевым продуктам

В переработке поливинилхлорида

Низкая термостойкость поливинилхлорида (ПВХ) является одной из самых серьезных проблем, с которой сталкиваются при переработке этого полимера. ПВХ — важный термопластичный материал, но его недостаток в том, что он разлагается при температуре более низкой, чем температура его обработки, теряя свои механические, электрические и реологические качества в результате разрыва полимерной цепи и сшивания. В результате этого может измениться цвет изделия. Чтобы решить эту проблему, используются термостабилизаторы для защиты ПВХ от разложения под действием тепла.

Стабилизаторы влияют на стабильность за счет поглощения соляной кислоты, высвобождаемой при разложении ПВХ, или замещения лабильных участков частично разложенной макромолекулы. Наиболее распространено использования солей свинца и органических стабилизаторов олова, но оно ограничивается токсичностью этих металлов, поэтому зачастую в качестве стабилизаторов выступают металлические соли стеариновой кислоты, часто в смешанном виде, без потери в качестве стабилизации. Хорошей стабилизирующей способностью обладает смесь кальций-цинкового мыла.

Применение в фармацевтической и косметической промышленности

Благодаря своим отличным смазывающим и разделительным характеристикам, тиксотропному эффекту и способности к гелеобразованию стеараты металлов используются в фармацевтической и косметической промышленности. Их смазывающая способность используются при изготовлении драже и прессовании таблеток, а их способность к гелеобразованию помогает в производстве кремов и мазей. Гидрофобная способность предотвращает поглощение воды фармацевтическими и косметическими продуктами, которые выпускаются в форме порошка, и слипание частиц.

Также используются в качестве добавки в:

шампуни
подводки для глаз
губную помаду
солнцезащитные кремы
лечебные мази
присыпки для тела

Другие области применения

Для изготовления:

Клея и герметиков
Керамических изделий
Тканей с покрытием
Медицинского оборудования

Формы выпуска

Стеараты металлов присутствуют на рынке в форме:

гранул
порошка
в расплавленном виде
в распыленном виде
жидкости

Гранулы

я.png Преимущества формы:

• сыпучесть

• высокая точность подачи и дозирования

• хорошая диспергируемость

• низкая запыленность

Порошок

порошок.png Преимущества формы:

• мелкие частицы с развитой активной поверхностью

• хорошая диспергируемость

• хорошая совместимость с порошковыми смесями

Расплавленный

распл.png Преимущества формы:

• беспыльный

• сыпучий

• прочный, высокая стойкость к истиранию

Распыленный

з.png

Преимущества формы:

• хорошая сыпучесть

• совместимость с порошковыми смесями

• высокая точность подачи

Жидкость

ж.png

Преимущества формы:

• высокая точность дозирования

• простота хранения в резервуарах

• легкая гомогенизация с полимерами и с другими ингредиентами

• быстрый и безопасный поток жидкости через насосы

Перспективы развития рынка

Мировой рынок металлических солей стеариновой кислоты по оценкам 2021 года составил 4 миллиарда долларов, а в 2031 составит около 6,2. Такой бурный рост связан с тем, что постоянно увеличивается спрос на них у производителей каучуков, а также красок и различных покрытий.

По типу катиона отмечается, что в 2021 году на рынке была наиболее востребована кальциевая соль. Ожидается, что через 10 лет спрос на неё увеличится на 5%. Это обусловлено ростом спроса на бумагу, для изготовления которой не обойтись без данного соединения в роли смазывающего агента. Широким спросом пользуется и соль цинка.

По выпускаемой форме вещества доминирующим в 2021 оказался спрос на порошки, также прогнозируется, что за 10 лет спрос возрастёт на 4%. Это связывают с простотой хранения и транспортировки порошкообразной формы, их быстрым началом действия и высокой эффективностью.

Наибольшим источником доходов от реализации стеаратной продукции в 2021 был сегмент пластмасс и через 10 лет он увеличится на 5%, что обусловлено быстрыми темпами роста рынка автомобилестроения и электроники.

Возврат к списку