C9石油树脂是以乙烯装置副产裂解C9馏分为主要原料制成的高分子化合物。由于C9石油树脂的分子结构中不含极性基团,使其在烃类溶剂中具有优异的溶解性、耐水性、耐酸碱性、耐候性和耐光老化性等,广泛应用于胶粘带、热熔胶、油漆、油墨、涂料、粘合剂、橡胶等行业。
一、C9石油树脂的生产技术
目前用裂解C9馏分生产普通石油树脂的方法主要有三种:催化聚合法、热聚合法和自由基引发聚合法。这三种方法各有利弊,可视原料组成、产品用途及工厂条件来选用技术路线,也可分段进行聚合。
国外大公司在C9石油树脂研究领域已申请大量专利,著名专利商有美国埃克森公司、阿莫科公司、陶氏化学;日本的三井石化、Tosoh、东邦化学;西欧的巴斯夫等。国外技术大多围绕工艺改进、催化剂使用、树脂改性、不同馏分的使用等问题进行研究。Aliev Sakhib等提出用连续热聚法合成C9石油树脂;MoNagahara Eiji等提出为了便于对树脂进行加氢处理,制取高性能树脂,AlCl3或BF3不应与酚类物质或分子中含有羟基的物质络合作催化剂;美国研究者提出C9将原料分离,用150~220℃的馏分催化聚合作为生产热熔胶的添加剂。
国内C9石油树脂的研究起步较晚,但发展较快,其中不少成果已实现工业化,研究方向主要集中在工艺改进和催化剂开发两方面。湖北襄樊市化工研究所、大庆石油学院、大庆石化总厂研究院、南京大学、山东建材学院等单位均从事过C9芳烃石油树脂的研究。
裂解C9馏分中双环戊二烯(DCPD)活性较高,是影响树脂色相的主要因素,国外一般要求不大于2%,而我国C9组分中DCPD含量较高。为此,湖北襄樊市化工研究所研究了两段聚合法及两次聚合法,即当裂解C9中DCPD含量<15%时,采用两段聚合法,在前段用较低的反应温度,逐步滴入催化剂,使活性高的单体先逐步聚合,至一定程度时,提高反应温度进行后段聚合,这样既可避免凝胶物质生成,又可提高树脂收率,且树脂色度比一步法浅2~3号。当原料中DCPD含量>15%时,采用两次聚合工艺,即先在极少量催化剂存在下,使活性较高的DCPD进行选择性聚合,将其分离,并将DCPD含量很低的馏分采用油热沸腾水洗法,脱除预聚合树脂中的催化剂。然后进行蒸馏切割,前馏分为苯乙烯及混合甲基苯乙烯,后馏分为茚及甲基茚,将其分别进行二次聚合可得两种不同的树脂,它们是具有色浅、软化点高、耐水、耐腐蚀、耐热、耐老化等优良性能的二次聚合树脂。
天津大学石油化工技术开发中心对热聚合法C9石油树脂生产进行了新的开发研究,克服了石油树脂色相深、等级低的缺点。新工艺采用高DCPD含量的C9馏分,进行原料分离、连续热聚合、脱除溶剂三个操作步骤,不用催化剂,无废水处理。在得到浅色树脂同时得到高品质的芳烃溶剂油。该技术已于2002年在齐鲁石化集团公司建成万吨级石油树脂装置,其热聚合树脂色度为10号以下,软化点110~140℃,共聚单体收率高达95%。
大庆石化总厂研究院研究了自由基法和阳离子法两步合成工艺,石油树脂总收率提高到60%以上。该工艺采用终止剂和过滤脱除催化剂,代替传统的碱洗、水洗法、避免了乳化和大量含氟废水造成环境污染的问题。用该方法生产的深色石油树脂有良好的互溶性,浅色石油树脂色相小于8,软化点大于120℃,该技术已经中试成功。
大庆石油学院以大庆乙烯装置裂解C9馏分为原料,无水三氯化铝为催化剂合成油溶性C9树脂。最佳反应条件为:催化剂用量0.02%,聚合温度35℃,聚合时间为2小时,可得浅黄色树脂,并用醇洗法脱除催化剂,基本上解决了生产中的三废问题。
南京大学研究了自由基聚合法和固体酸催化合成法合成C9石油树脂。讨论了各种引发剂及其组成、用量及反应时间等对聚合反应的影响,采用过氧化叔丁醇/油酸钠(质量比为10∶1)为引发剂,加入量为1.5%,反应温度160~170℃,反应时间15小时,可得到液体C9石油树脂,不需后处理,且有50%以上可聚合体被转化,产品色度14~15号。
衡水师范专科学校开展了苯乙烯-茚树脂的合成研究,工艺对C9原料进行了分馏,得到有效活性组分后再进行脱色,然后选择高效催化剂进行聚合,经水洗、减压蒸馏得到苯乙烯-茚树脂,其产品的色相、软化点均达到国际标准。该产品是一种优良的橡胶增粘剂和软化剂,加入后可改善橡胶的粘性、强度及延展性,是生产轮胎的助剂,目前我国尚无生产工厂,该产品全部依赖进口。
二、C9石油树脂的改性
1.引入极性集团
石油树脂引入极性基团、可提高与极性化合物的相溶性、分散性、产品可作为水质稳定剂、增稠剂等广泛应用于油田和化工生产中。
湖北襄樊市化工研究所用C9石油树脂与5%~20%的顺酐于180~200℃下共热3~5小时,石油树脂酸值(以KOH计)可由原来的<1mg/g提高到100mg/g以上,软化点可提高20~40℃。
天津硅酸盐制品厂将C9树脂乳化,制成乳液,用于涂料、胶粘剂等的生产,方法是先将C9树脂破碎,按配比加入溶剂,在40℃左右溶解,然后依次加入乳化剂、水分散剂、乳化稳定剂。
大庆石油学院在裂解C9中引入极性集团-丙烯酰胺(AM),合成C9-AM水溶性石油树脂,由于裂解C9中富含不饱和键,易发生共聚反应,可利用此特性使其与活泼单体反应,如与丙烯酰胺共聚得到水溶性产品,它可作为水质稳定剂和增稠剂等产品,广泛用于油田和化工生产中。方法是按一定比例配置C9、AM和丙酮反应液,加热至60℃,加入引发剂,进行自由基聚合,通过分离、洗涤、干燥得到共聚物为改性树脂。
国内还有研究者利用C9石油树脂分子链中含有的部分双键,选用柔软的丙烯酸丁酯单体对其进行接枝改性,柔性丙烯酸酯支链的引入起内增塑作用,而且丙烯酸聚合物本身又具有优良的耐候性和耐腐蚀性,改性后的石油树脂可以制成性能良好的防腐涂料,其丙烯酸丁酯用量以12%为宜。
2.加氢改性
聚合反应得到的C9石油树脂颜色一般较深、热稳定性较差,双键和苯环的存在影响了树脂的色度、稳定性及与其他树脂的相容性,限制了应用范围。通过催化加氢能够破坏树脂内的不饱和双键,并脱除树脂在聚合过程中残留的卤化物,改善其色相及光热稳定性,同时改善与其它树脂的相容性和耐候性,因此近年来发达国家重点发展加氢石油树脂,研究者在加氢工艺、催化剂和溶剂选择上作了大量的工作。
由于C9石油树脂的分子量较大,聚合物分子在催化剂表面伸展,形成了高空间位阻,使反应条变得苛刻,其加氢工艺主要有浆态、固定床、喷淋塔三种方法。这几种工艺一般采用载镍或载钯的单金属催化剂,载体一般为硅藻土。反应温度一般在200~300℃,压力3~10Mpa,使用的溶剂是溶解性较差的正庚烷、环已烷和矿物油等。
大庆石化研究院为改善C9石油树脂性能,研究了固定床加氢工艺,得到了热稳定性优良的水白色加氢C9石油树脂。该院以鞍山化工一厂生产的C9石油树脂(溴价为20.6g/100g,热稳定性大于18)为原料,采用S105高效溶剂将固体树脂溶解,然后进入装有载镍的多金属催化剂(PC-4)反应器,反应温度一般在270℃,压力5.0~6.0Mpa,树脂质量空速为0.15h-1,溶剂经蒸馏后循环使用。加氢后树脂软化点大于90℃,色相30号,各项指标均达到或超过美国ESC-OREZ5380产品水平。
国内对加氢C9石油树脂的需求逐年增加,研究工作也不断开展,已取得了一些进展,然而与国外相比产品及改性的针对性较差,到目前为止国内尚无一家加氢C9石油树脂生产厂,满足需求还全靠进口,进一步开展这类研究工作将大有可为。