徐健維、洪雋為 / 工研院材化所
受阻胺型光穩定劑有助於避免塑膠產品在陽光、空氣及熱的影響下分解，可提升塑膠產品的環境耐候性以及使用壽命，除了作為塑膠添加劑之外，亦廣泛應用於汽車、建築與農業用膜等產品。三丙酮胺是受阻胺型光穩定劑中最重要的前驅物，亦是丙烯的高值化衍生產品，國內缺乏相關合成技術，因此工研院開發具有高產率的三丙酮胺製程，希望可協助國內業者自主建立相關合成技術，以避免仰賴進口與國外廠商壟斷。
【內文精選】
受阻胺型光穩定劑
光穩定劑(Light Stabilizers)主要是用來防護光線對於各式戶外用品的降解傷害，尤其是針對能量高的紫外光，其可延遲光降解、熱降解或潮解等副反應，進一步提升塑膠或木製品的使用壽命與耐候性。依照作用型態，可簡單分為：UV光吸收劑(UV Absorber)、受阻胺型光穩定劑(Hindered Amine Light Stabilizers; HALS)及光淬息劑(Quencher)。UV光吸收劑藉由本身分子結構可吸收UV光線，進而減少UV光強度對於材料或產品的直接傷害。受阻胺型光穩定劑本身不吸收UV光，而是藉由結構中的N-O自由基與材料起始受光裂解形成的自由基(R·)結合，轉化形成穩定的分子型態(NOR)，避免連鎖反應；透過與其他自由基(ROO·)的反應，可再恢復成具有活性N-O自由基型態的穩定劑，因此可大幅延長材料或產品的耐受性與抗光降解性，也是目前光穩定劑市場中使用占比最大的材料之一。
三丙酮胺(Triacetonamine; TAA)是合成受阻胺型光穩定劑的重要前驅物，係由三個丙酮與一個氨反應合成的有機分子由於丙酮主要是利用丙烯與苯，須透過異丙苯法(Cumene Process)，在氧氣下反應生成(丙酮與苯酚)，因此三丙酮胺可以算是丙烯的高值化衍生物。
傳統三丙酮胺製程與改良方法
三丙酮胺的製造傳統上是使用批次反應，將丙酮、氨以及觸媒一同加熱，再透過蒸餾得到純三丙酮胺。丙酮與氨的反應除可生成三丙酮胺外，尚可形成多種副產物，且彼此之間為可逆反應。傳統製程所使用觸媒為硝酸銨，硝酸銨由於本身具有爆炸危險性，於儲存與操作場所需要特別注意工安問題與風險；其次，反應後需要使用氫氧化鈉中和觸媒，因此會產生大量的固體廢棄物，也將使得後續處理成本增加；而由於傳統法批次反應無法有效控制副產物的生成，後續蒸餾純化須注意溫度與壓力的調控，以有效分離產物與副產物。
國內自主技術建立
工研院材料與化工研究所已設計建立新穎觸媒與製程，能以連續式且高效率地合成三丙酮胺，除了可避免傳統製程使用的硝酸銨觸媒，降低爆炸危險性，針對製程副產物也能夠有效地降解回收再利用。透過材化所先進觸媒研究室成熟的氫化觸媒技術，更能高效地將三丙酮胺氫化至2,2,6,6-四甲基-4-哌啶醇，更貼近國內廠商的使用需求。
1. 連續式反應系統
工研院使用酸性觸媒搭配固定床反應器，實現三丙酮胺的高效率連續式合成，圖八為固定床反應器的示意圖與外觀。將觸媒(觸媒A)置於反應器中，使用惰性碳化矽(SiC)填充於前後端，並利用玻璃棉將兩者區隔，通入丙酮與氨，流經加熱的觸媒進行異相催化生成三丙酮胺。固定床反應器以連續流動方式進行合成，可避免反應物與觸媒接觸過長時間，相較於批次式合成使用的反應釜，能避免非預期的副反應發生，也較能延長觸媒使用壽命。針對本研究的三丙酮胺合成，製程參數的精確調控(例如：丙酮/氨之莫耳比)，能保持三丙酮胺的高選擇率，於選定條件下搭配觸媒(觸媒A)，產率可維持於85~93%，且觸媒壽命可達至少3,000小時。
圖九、三丙酮胺粗品GC圖譜 (a)傳統製程；(b)本研究製程
2. 副產物裂解再生丙酮
除了三丙酮胺的高效合成技術外，本研究針對反應副產物降解回收提出有效解決方案。三丙酮胺的副產物主要為圖十一顯示的四種化合物(MO、DAA、DAAM、ACTN)，透過鹼性觸媒可將其降解為丙酮回收使用。本研究開發的專利降解觸媒(觸媒B)除了具有強鹼性，藉由優化的觸媒特性及結構，能進一步促進副產物的降解反應，裂解產率可達85~92%，明顯高於普通的鹼性觸媒(NaOH)的71% ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十一、三丙酮胺副產物的降解與觸媒
★本文節錄自《工業材料雜誌》456期，更多資料請見下方附檔。