C9石油树脂的研究进展.pdf
第 4 O卷第 6期 2 0 1 1 年 6月 应用化工 Ap p l i e d C h e mi c a l I n d u s t r y Vo 1 . 4 0 No . 6 J u n . 2 0 1 1 C 9 石 油 树 脂 的研 究进 展 闫慧, 孟邱 , 丛玉凤 , 黄玮 辽 宁石油化 工大学 化学与材料科学学院 , 辽宁 抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 介绍 了 C 。 石油树脂 的生 产方法和改性方法 , 并对改性机理进行 了探讨 。阐述 了国 内外 C 9 石油树脂 的生产 状况及产品类型 , 对 C 。 石油树脂 的应用前景进行 了展望 。 关键词 C 。 馏分 ; 石油树脂 ; 催化聚合 ; 改性 中图分类号 T Q 3 2 6 . 8 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 1 0 61 0 8 3 0 6 Re s e a r c h p r o g r e s s o f C9 p e t r o l e u m r e s i n Y A N Hu i , ME N G Q i u , C O N G Y u -f e n g , HU A N G We i D e p a r t m e n t o f C h e m i s t r y a n d Ma t e r i a l s S c i e n c e , L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m C h e mi c a l T e c h n o l o g y , F u s h u n 1 1 3 0 0 1 , C h i n a Abs t r a c t Th e me t h o d a nd t he mo d i f i c a t i o n f o r p r o d u c i n g C9 p e t r o l e u m r e s i n we r e i n t r o du c e d, a nd mo d i fl e d me c h a n i s ms o f C9 p e t r o l e u m r e s i n wa s d i s c u s s e d. Th e p r o d uc t i o n s t a t us a n d p r o d u c t s C9 p e t r o l e u m r e s i n a b r o a d a n d d o me s t i c we r e r e v i e we d. T he a p pl i c a t i o n o f C9 p e t r o l e u m r e s i n p r o d u c t s wa s p r o s p e c t e d. Ke y wo r d s C9 f r a c t i o n;p e t r o l e um r e s i n;c a t a l y t i c p o l y me r i z a t i o n;mo d i fic a t i o n 近年来我国石油化工行业迅速发展 , 生产乙烯 的能力也在逐年提 高 , C 。馏 分是 乙烯 裂解 的副 产 物 , 其产量和组成随乙烯裂解原料及裂解条件不同 而有所差异, 但其产量大约为乙烯产量的 1 0 % 一 2 0 %。因此 , C 。 馏分 的数量也在逐年增加 , 2 0 0 6年 我国乙烯产量达到 9 4 1 . 2万 t , 2 0 0 8年我 国乙烯 产 量达到 8 0 0万 t 以上,2 0 1 0年将达到 1 0 0 0万 t / a , 而其副产品 c 。 馏分也将达 到 1 0 01 5 0万 t/ a 【 1 - 2 ] , 如何充分合理的利用好这部分资源, 使其产生最大 的经济效益 , 一直是 国内外 乙烯工业 的下游产品加 工行业研究 的一个重要课题 。 我国 c 馏分资源比较丰富 , 但是大部分用作燃 料或廉价出口, 利用 C 。 馏分生产石油树脂是综合利 用 c 资源的有效途径 之一 。近年 , 我 国 C 。 石油树 脂的生产已经取得了很 大进展 , 但 大部分生产技术 比较落后 , 生产装置规模小 , 产 品质量不稳定 , 品种 单一。要想克服以上缺 陷, 就要从 石油树脂 的生产 工艺出发, 研究生产的新工艺、 新方法 , 从而拓宽 C 石油树脂 的应用领域 , 降低生产成本 , 产生最佳的经 济效益。 l C 馏分原料组成对石油树脂的影响 C 。 石油树脂 是用乙烯装置副产的 C 。 馏分为主 要原料聚合制得 的高分子化合物, 是 一种浅黄色至 暗褐色的功能性树脂。其相对分子量在 2 0 0 3 0 0 0 之间, 常温下软化点在 6 0~1 4 0 o C之间的玻璃态塑 性固体 , 分子结构一般为[ 3 Rl I 二 其中, R、 R 代表 H或 C H , 等烷基基团。 由于 c 。 石油树脂软化点低 、 分子量 比较小, 一 般不能作为材料单独使用 , 但分子结构 中不含极性 基团, 使其在有机类溶剂中具有优异 的溶解性 , 与其 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 3 - 2 7 修改稿 日期 2 0 1 1 - 0 4 2 5 基金项目 辽宁省教育厅资助基金项 目 2 0 0 9 A 4 3 8 作者简介 闫慧 1 9 8 2一 , 女 , 河北邯郸人 , 辽宁石油化工大学在读硕士研究生 , 师从丛玉凤教授, 从事石油化学品的研究 与 开发 。电话 1 3 9 4 2 3 8 1 0 9 3 , Em a i l y h y a n h u i 1 6 3 . e o m 通讯联系人 丛玉凤 1 9 6 5一 , 女 , 辽宁本溪人 , 教授, 从事石油化学品的研制与开发。 应用化工 第 4 0卷 它树脂 的相容性较好 。同时, 该石 油树脂还具 备较 好的耐酸碱性 、 耐水性 、 耐候性 、 耐光老化性 。此外, 它还具有脆性 、 可塑性 、 增粘性、 粘结性 的特点 , 广泛 的应用于热熔胶 、 粘带、 粘合剂、 涂料、 油漆、 油墨、 橡 胶等行业。 裂解的 C 。组分极 其复杂 , 气 味难 闻, 约有 1 5 0 多种成分, 而且非常分散 , 其组成 随着裂解原料、 裂 解深度 、 裂解工艺的不 同而不同, 但依照裂解 C 馏 分中活性组分的反应活性和化学结构 , 可将其分为 3类[ 5 -7 3 第一类是双戊二烯及其分解后 的产物环戊 二烯; 第二类是苯乙烯及苯乙烯的衍生物 如丙烯 基苯、 乙烯 基 甲苯等等 ; 第三类是茚 及其衍生 物 如甲基茚等 。从合成的角度考虑 , 可将 C 馏分 分为 2 类 一类是活性组分 , 可以进行 聚合 , C 原料 中一般含有大约 5 0 %的可聚性的单体, 如苯乙烯、 苯乙烯衍生物和双戊二烯等等 ; 另一类是非活性组 分, 不参加聚合反应, 聚合过程中只起到溶剂的作 用, 反应结束后被蒸馏出来, 例如烷基苯及稠环芳烃 等等。双环戊二烯是裂解 c 。 馏分中的活性较高, 也 是影响树脂色相的主要因素, 但双环戊二烯含量增 加 , 聚合生成的 C 。 石油树脂产率会有所提高 , 软化 点较高[ 8 】 , 但树脂的颜色会 变深 , 分子量会降低 , 因 此 , 国外对 C 馏分中双环戊二烯的含量有严格的要 求 , 一般不大于 2 %。苯乙烯 含量 的增加 , 虽然可以 改进石油树脂的色泽 , 提高产率 , 但会降低 与其它树 脂的相容性, 其产品石油树脂的软化点也会降低, 要 6 - 朗 l ∞ 总反应为 链引发 求苯乙烯在橡胶工业 中不应超过 1 5 %。甲基苯 乙 烯的含量虽对石油树脂 的收率影 响不大, 但含量过 高则会影响产品的色相。茚含量的提高可以提高树 脂 的软化点 , 但茚含量超过 2 0 %则容易结焦。由于 裂解 C 。 馏分的组成随原料 、 裂解深度及工艺的影 响, 导致其组分含 量变化很大 】 , 国内外研究者针 对不同的组分含量开发 了不同的利用途径 , 其主要 途径可分为 3种 ①分离 出三 甲苯、 石油萘[ 1 。 ‘ ⋯; ② 聚合制备普通 C 石油树脂 ; ③制备改性 的 C , 石油 树脂 , 生产芳烃溶剂油、 汽油调合组分u 引。 2 石油树脂的合成方法 聚合法是生产石油树脂的常用方法, 一般有热 聚合 、 阳离子催化聚合 、 自由基引发聚合 3种。在石 油树脂物化性质 中, 最重要的是色相及其软化点, 一 般要求其色相小于 1 3 , 呈浅 黄色至 暗褐色 , 软化点 在 5 01 4 0 o C之间。C 。 馏分的聚合方式不同对合 成的石油树脂的色相 、 软化点有着较大的影响。 2 . 1 热聚合 钟宏等[ 1。 提出了生产石油树脂热聚合反应模 型, 石油树脂的热聚合反应一般是将 c 。 馏分在反应 釜中加热到 2 6 0 o C 左右 , 首先 由 2个可聚物的分子 形成 D i e l s A l d e r 加成 中间体 , 再与另外一个可聚组 分的分子反应 , 生成 2个 自由基 , 然后引发聚合 。以 苯乙烯与茚为例 , 其热聚合反应历程可表示如下 H c 一 q H -C H, 2 n ⋯⋯ ∞ 眦 一 2 . 2 催化聚合 目前合成石油树脂最为普遍的方法是阳离子催 化聚合法 引, 主要是 c 馏分中可聚单体在催化剂 的作用下形成正碳离子活性中心, 引发链式聚合, 从 而合成 C 石油树脂 。由于离子对 的离解程度对活 性中心影响很大 , 因此反应溶剂及反应介质不同, 活 性中心也会不同。阳离子催化聚合的反应温度一般 低于 1 0 0℃, 包括链引发、 链增长、 链转移和链终止 第 6期 闫慧等 C 。 石油树脂的研究进展 1 0 8 5 反应 。其反应历程如下 生产石油树脂常见的催化剂主要有 2类 J 一 类是 L e w i s酸 , 如 B F 3 , B F 3 O C 2 H 5 2 , A I C 1 3 , B C 1 3 , T i C I 等; 另 一 类 是 强 质 子 酸 , 如 H S O , H C I O , H , P O 。其中 L e w i s 酸 中的 B F 3和 A 1 C 1 , 较为常用 , 它们与醚、 苯酚、 脂肪酸 、 醛 、 烷基铝发生络合反应制 备的催化剂使用方便 , 反应活性高 , 反应完成后通常 用碱液或热水洗涤去除产 品中的催化剂 , 易使树脂 胶化。用 B F 催化剂成本高 , 而且废水 中含有大量 的氟, 处理困难, 污染严重, 使用受到了极大的限制。 A 1 C 1 , 催化剂价格便宜 , 废水容易处理 , 但 在使 用过 程 中若使用不当容易堵塞管道。因此 , 如何解 决催 化剂的使用不便是 目前一个新 的研究方向。 2 . 3 自由基引发聚合 自由基引发聚合是将 C 馏 分单体 分子 中存在 大量不饱和键 孤对电子 , 在 引发剂 的作用下生成 自由基 , 引发链 聚合 , 合成产 品后加人固体阻聚剂终 止反应。通常 自由基 引发聚合可 以分为链引发、 链 增长、 链终止 3个过程[ 1 。 自由基 引发聚合与阳离 子催化聚合的根本不 同在于活性 中心不 同, 即生长 链末端的性质不 同。其主要表现在 以下几个方面 ① 自由基引发聚合 的活性 中心不带 电荷 , 而 阳离子 催化聚合 的生长链带 电荷 ; ② 自由基 引发聚合作用 方式只有 1种 , 而阳离子催化聚合 的生长链与反离 子的相互作用方式有 4种 ; ③ 阳离子催化聚合的活 性中心浓度高, 并且有高反应性。 自由基引发聚合生产石油树脂 引发剂的用量和 配比对产品质量有一定 的影响, 常用的引发剂 为脂 肪酸和过氧化物或者它们的混合物。自由基引发聚 合法对原料 要求较高 , 并且反 应温度高 , 反应 时间 长 , 产率低 , 产品的软化点低 , 生产过程 中还需要加 入终止剂和机械压滤 , 使它的应用受到一定的限制。 但此方法生产的石油树脂色泽透明 , 色度较浅 , 产品 的分子量分布比较均匀 , 反应在常压下就能进行 , 不 需要水洗或碱洗, 蒸出溶剂后即为产品, 省去了树脂 的后处理工作 。 热聚合方法合成石油树脂 1 5 J 工艺简单 , 不需要 催化剂 , 反应时间短 , 没有废水处理 , 石油树脂 的产 率高 , 软化点高 ; 而反应条件则需要高温高压, 能耗 大, 易结焦 , 产品的颜色深 , 档次低 , 工业上只用来生 产颜色较深的石油树脂 , 应用范围有一定的局限性 , 其产品主要用来作混凝土 、 橡胶补强剂 的添加剂等。 采用阳离子催化 聚合 生产 C 。 石油树脂 引, 常 压下就能进行 , 反应 温度低 , 速度快 , 不需要较长时 间, 并且能耗小 , 易于操作 , 产品产率高 , 质量好 , 但 软化点偏低 , 产品的后处理麻烦 , 水洗或碱洗脱除催 化剂时容易发生烃油乳化现象 , 对设备的腐蚀性强 , 容易造成环境污染。其产品仅限应用于胶粘剂、 增 稠剂、 油墨等领域 。 一 1 0 8 6 应用化工 第 4 o卷 由以上可知 3种聚合方法各有利弊, 使用时都 有一定 的局限性, 而且聚合所得到的 C 石油树脂热 稳定性较差 , 颜色一般都较深 , 为聚合的双键和苯环 的存在影响了树脂 的色度 、 稳定性以及 与其他树脂 的相容性 , 大大限制 了其应用范围。 3 石油树脂 改性 为了克服其使用缺陷 , 人们通过对 C 。 石油树脂 加以改性, 从而拓展 C 。 石油树脂的应用范围。 目前, C 。 石油树脂的改性主要沿着 2个方向发 展。一是化学改性 , 即在原来油溶性的 C 。 石油树脂 分子中引入极性基团, 使之成为有一定极性、 甚至水 溶性聚合物 ; 二是加氢改性 , 使 C 石油树脂分子 中 的不饱和键得到饱 和, 从而改善其色泽。催化加氢 使树脂中的双键及部分苯环饱和的同时, 还脱除了 树脂在聚合过程中残留的卤化物, 改善了产品的光 热稳定性, 同时改善其与其它树脂的相容性。 3 . 1 极性基团改性 在 C , 石油树脂中引入极性基团, 可提高树脂的 极性 , 增强了其与极性物质相容性 、 分散性。黄军左 等 ” 总结 了近年来在石油树脂 改性方 面所取得成 果 , 将热裂解石脑油制得的石油树脂与马来酸酐反 应改善石油树脂的色度 ; 用 y射线处理树脂 以提高 其软化点; 石油树脂与醇酸树脂共混用于涂料和油 墨行业; 用 c 石油树脂改性环氧树脂等等。 3 . 2 共聚改性 接枝共聚是石油树脂化学改性的重要方法, 其 方法主要从 2个方向人手研究 一是对石油树脂 自 身的研究, 分析其分子结构, 通过化学键将具有特殊 性质的可聚物连结, 使其具有高度复合特性 二是将 接枝聚合物作为增容剂 , 即利用接枝聚合物的增容 能力, 作为增容剂使用。张旭等 利用 c 。 馏分 中的双环戊二烯等活性成分 , 选用丙烯酸单体 , 通过 自由基溶液聚合 , 合成出具有阻垢性能的 c 。 一 A A水 溶性石油树脂。丙烯酸支链 的引入, 使 该石油树脂 与水中的 c a 2 ’ 、 Mg 具有一定 的螯合作用 , 从而阻 止水垢结晶的生成或长大。李春生等 利用 C 。 石 油树脂 中的部分双键与马来 酸酐反应 , 其加成产物 再与异辛醇进行酯化 , 得到改性 的 C 。 石油树脂 , 由 于引入 了柔性基 团和极性基 团起 到 了内增塑的作 用, 使其与聚氯乙烯具有良 好的共混性, 提高了聚氯 乙烯的抗冲性能。 3 . 3加氢 改性 聚合反应得到的石油树脂一般颜色比较深 为 棕色或者褐色 , 热稳定性 、 耐光老化性、 耐候性都 比较差 , 因此限制 了石油树脂 的应用范围。通过加 氢改性能够加成树脂 内的不饱和键 ] , 并脱除聚合 时残留的卤化物 , 加氢改性后 的树脂色相有很大提 高, 并且无特殊气味, 还提高了其耐候性 、 粘合性、 热 稳定性等性能, 加氢改性 是石油树脂重点发展方 向。石油树脂加氢工 艺 驯 可分为浆态、 固定床、 喷淋塔加氢 3种 。马江权等 采用固定床加氢装 置 , 镍基催化剂 , 对 C / C 共聚石 油树脂进行加氢, 制备出色相 1 , 软化点 9 8 的水 白色加氢石油树 脂 。O k a z a k i 等 用非酚类 的 F fi e d e 1 . C r a f t s 催化剂 制备出热稳定性高、 耐光老化性、 低荧光性的加氢 c 。 石油树脂。 4 国内、 外现状及发展趋势 4 . 1 国外 C , 石油树脂生产状况 美 国 1 9 1 0年开始研究 石油树脂 , 2 0世纪 4 0年 代 P i c o o公司首先将 c 。 脂肪族石油树脂工业化 , 是 最早研究开发石油树脂的国家。目前, 西欧、 美国和 日本等国的大公司基本上垄断了世界 C 。石油树脂 生产。美 国和 日本消费石油树脂的总量约 占世界总 消费的2 / 3 , 成为主要的石油树脂的消费国家, 两国 的石油树脂工业迅速发展。8 0年代末, 美、 日、 法等 国石油树脂的生产总量达到4 5 . 1 万 t / a , 其中加氢 石油树脂 的生产能力约为 6 . 6 4万 t / a 。近年来, 随 着原材料价格上涨、 技术的改进及市场竞争的需要 , 石油树脂发展成多品种 、 多牌号、 用途广泛的功能性 树脂 已成为研究趋势 。 国外 c 。 石油树脂主要产品有 ] ①由裂解汽 油中1 4 0 2 1 0 oC 馏分聚合而成常规 c 石油树脂; ②将 C , 芳烃树脂用 C 馏分烷基化的脂肪族改性树 脂; ⑨加氢改性 C 9 石油树脂, 例如日本 A r a k a w a 公 司的 A r T k o n树脂 , 其 中 c 。 芳烃树脂通过部分或全 部加氢, 控制该石油树脂的极性; ④未加氢的水白色 纯单体芳香族树脂; ⑤共聚石油树脂, 如 N e v iH e的 N e v c h e m系列是 C 。馏分 与某 些 C 浓缩物共聚产 物, 它们 比常规 C 。树脂 或氧茚树脂具有更高 的碘 值, 且溶解性 很好 ; ⑥采用 A 1 C 1 ,为催化剂进行聚 合, 熔点为 1 0 , 2 5 , 3 O℃的二次聚合树脂 如 P i c c o A P 1 0 、 N e v il e N P - 1 0等 ; ⑦黑色的焦油树脂, 如 N e - 第 6 期 闫慧等 C 石油树脂的研究进展 1 0 8 7 v i l e公司的 N e b o n y和 C h e mf a x公司 的 S t y g e n e , 几乎 全部用于橡胶加工 中, 该树脂是 由乙烯装置 中的裂 解芳香焦油热聚合而成。 4 . 2国内 C 。 石 油树 脂生 产 状况 我国从 1 9 6 4年开始研制石油树脂 , 先后建成了 ~ 些小型生产装置 , 伴随着我国石化行业 的迅速发 展 , 尤其是 乙烯生产能力的逐年提高 , 裂解 C 馏分 的产量在不断增加 , 充分利用 C 。 馏分 资源, 并开发 其下游产品已受到越来越多人 的重视 。 国内石油树脂 的研究 虽然起 步较 晚, 但发展速 度较快 , 不少研究成果 已经实现了工业化 生产。近 年来 , 这一领域的研究工作更加突出, 主要集中在工 艺改进 圳 和聚合催化剂的研制 方 面 , 改性后 的 C 石油树脂应用更为广泛 , 可作为添 加剂 , 添加 到各类精细化工产品中, 使其成为具有特殊性能的 功能性树脂 。 5 结束语 随着石油行业的迅速发展 , 乙烯 总产能逐年提 高 , 石油树脂 的生产及应用 , 使 乙烯副产物 C 馏分 得以充分利用 , 但生产技术还有待提高 , 研究、 开发 最优的生产工艺, 扩展石油树脂的应用领域 , 将是石 油树脂发展的主要趋势 , 并具有广 阔的前景。建议 从以下几方面改进石油树脂的生产和应用 。 1 控制 C 。原料配 比。通过 粗蒸馏 的方法调 节原料可聚成分 的 比例 , 制备具有 色相好 、 软化点 高 、 有特殊用途的功能性树脂。如调节 c 。 原料的芳 烃含量 , 聚合制得 的 C 。 石 油树脂 , 可增 加与石油沥 青的相容性, 作为 S B S 改性沥青的稳定剂。 2 C 石油树脂化学改性。引人极性基团, 增 强石油树脂与其它极性化合物 的相溶性 , 提高与无 机填料的分散性 , 作为其它产品的添加剂 , 扩大石油 树脂的应用范 围。如 c 。 馏分 与羧酸及其衍生物共 聚制备可溶性 的石油树脂 , 可作为水质的稳定剂 , 特 别是 C 。 与丙烯酰胺共聚 , 克服单纯丙烯酰胺共聚物 作堵水剂的缺点 , 且降低 了生产成本 , 是利用 C 。的 一 个新途径。 3 加氢改性 C 。石油树脂。聚合 反应 得到 的 石油树脂颜色深 , 软化点低 , 稳定性差 , 应用范围受 到限制 , 加氢后的石油树脂无 色、 无特殊气味 , 耐候 性、 粘合性、 稳定性都有提高, 可拓宽其应用领域, 例 如替代松香或加氢松香作为胶黏剂的添加组分。 4 加 强工艺改进及 开发新工艺。3种聚合方 式各有利弊 , 在生产 中结合 3种聚合工艺的优势 , 采 取分段聚合 的工艺 , 如采用 自由基聚合 和催化聚合 的两段法聚合 , 可减少环境 污染 , 生产性能更优、 更 经济的石油树脂 , 可为 C 利用开辟更广阔的途径。 参考文献 [ 1 ] 马艳松 , 马江权 , 陆敏. 浅 色 C 芳烃 石油树 脂的合成 与改性[ J ] . 江苏工业学院学报, 2 0 0 7 , 1 9 2 1 5 1 8 . 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