C5石油树脂加氢改性及应用研究

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台湾石油树脂生产约为24kt,其中外销l8kt。2000年台湾进口石油树脂量估 算约为13.6kt,以C5及氢化石油树脂为主;氢化石油树脂进口约5.5 kt。现有元良、 联超生产C5石油树脂。2000年底和益化工公司开始生产氢化石油树脂[4],目前产 品主要供应在国内外粘合剂领域中。
所以总体上来说,我国在C5石油树脂开发研制方面虽起步较晚,但进展较 快,中科院有机所、中科院化学所、上海石化股份公司化工所、淄博化工研究所 等分别开发了C5系列石油树脂。目前在黑龙江、辽宁、山东、江苏等地均建立起 一定规模的C5、C9石油树脂生产装置。近年来上海石化股份公司和美国Exxon公 司,扬子石化实业公司和美国伊士曼公司分别合资建设的25kt/a和18kt/a C5石油 树脂装置的建成投产,为国内石油树脂的发展打开了一个新的局面[2]。目前我国 石油树脂生产企业约50家,总生产能力在200kt/a以上,可以生产C5树脂、C9树脂、 C5/C9共聚树脂、加氢树脂,生产装置以C5石油树脂为主,占总生产能力的70%。 大部分装置生产规模小,品种单一,产品质量不高,特别是产品色度、软化点等 主要质量指标不稳定,应用范围受到了较大的限制。目前国内现有的及在建的 C5石油树脂生产单位见表1.2[5]。
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在工业生产中大都以催化效果更好的 Lewis 为催化剂来制备石油树脂,在 Lewis
酸中以 BF3 和 AlCl3 应用最广,其中使用 AlCl3 比 BF3 更容易得到高软化点、低
色度的石油树脂。因此 AlCl3 往往是工业上制备 C5 石油树脂的首选催化剂[8],下
日本C9和C5/C9树脂产品和技术具有一定优势,石油树脂产量和销售额逐年 增长,近几年增长速度有所减慢,2000年石油树脂产量达到173.4 kt/a,销售额达 330亿日元,其中以瑞翁公司的生产能力为最大[8]。
目前日本石油树脂国内需求量约100kt/a,其中胶粘剂50kt/a,路标涂料15kt/a, 橡胶增粘剂l4kt/a,防锈涂料9.5 kt/a,印刷油墨6kt/a。此外C5树脂产品还销往美 国、东南亚;C9树脂则销往世界各地[9]。
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1.2 C5 石油树脂概况及在国内外发展现状
1.2.1C5 石油树脂国外发展现状 2010年全球石油树脂产量大约为850kt,其中美州(大部分为美国)占47% ,
欧洲占28%,亚洲占25%。以类别区分,则C5及DCPD石树树脂约占38%,C9及 cumaronc- indene树脂占约45%,氢化石油树脂占约17%。未来树脂的成长应以C5 及氢化石油树脂为主[5]。
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C5 石油树脂加氢改性及应用研究
第一章绪论
1.1 前言
随着全世界乙烯工业的高速发展,石油烃裂解制乙烯装置的生产能力也在不 断扩大,裂解气产量也逐年提升。其中气态烃(C2-C4)裂解所得副产 C5 馏分的 产率为乙烯产量的 2%~6%,以液态烃(如轻柴油和石脑油等)为裂解原料的 C5 馏分产率已达到乙烯产量的 11%~20%。1997 年世界乙烯生产能力为 8000 多万吨,副产 C5 馏分的产量大约为 900 万吨,1997 年我国乙烯生产能力为 350 万吨,副产 C5 产量约为 49 万吨,占乙烯生产能力的 14%。2001 年我国乙烯生产 能力已达 550 万吨,副产 C5 馏分产量达 75 万吨[1]。预计到 2011 年,我国乙烯 生产能力将达到 1500 万吨/年,副产物 C5 馏分产量可达到 200 万吨/年,并且随 着工业乙烯生产的多样化,裂解 C5 馏分的来源更加广泛,产量越来越高,裂解 深度也越来越大。所以说这个数字会是相当庞大的,若把这部分宝贵的资源仅仅 当作燃料烧掉十分可惜,这也与当今世界所提提倡的低能耗、高利用率和可持续 发展的口号相怍。因此,如何分离和有效利用 C5 馏分,已经成为降低乙烯生产 成本、合理利用油气资源和改善环境的一个重要课题,现已引起了世界各国的广 泛关注 [2-6]。
间戊二烯
2.5
北京化工研究院
江苏靖江溶剂厂
C5、C5/C9共聚
2.0
山东莘县蓝盾化工有限公司石
油树脂厂
混合C5
5.0
河北三河市化工实验厂 齐鲁鲁华化工厂
宁波新星精细化工厂
混合C5 混合C5 间戊二烯
5.0
1.5
上海涂料所
0.5
上海石化化工所
上海康联公司
精间戊二烯
0.5
上海石化精化所
北京八达岭精细化工厂
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表1.2 C5石油树脂生产单位[5]
生产企业
Table 1.2 Manufactory of C5 petroleum resin
树脂种类
生产能力/kt·a-1
技术来源
上海石化金森石油树脂有限公 C5,C5/ C9共聚、
美国Exxon合资
25

DCPD
建设பைடு நூலகம்
上海石化股份有限公司化工所
美国主要利用天然气为裂解原料,因此以C5树脂为主,其生产能力和技术均 处世界领先地位,而C9树脂不占优势。Exxon公司为美国最大的生产厂商,尤其 是C5树脂产量约占美国总产量的40%以上。美国石油树脂品种齐全,牌号甚多, 可满足市场各种用途的需求。美国石油树脂2/3产量用于压敏胶、热熔胶、热熔 压敏胶、密封胶等。目前C5树脂国内市场需求量约120kt/a,主要用于粘合剂和橡 胶增粘剂。石油树脂产品除美国国内需求还还销往欧洲、日本及世界各地[ ]。
1.2.2国内C5石油树脂的现状 我国石油树脂的研制工作开始于1964年,兰州化学工业公司以裂解焦油中
C5、C9馏份成功开发出石油树脂生产技术。尔后中科院有机所、燕山石化公司前
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进化工厂、上海石化股份公司化工所、淄博化工研究所、鞍山化工研究所、大庆 石油化工学院等曾进行过研究,并建成几套千吨级的生产装置。由于原料供应不 稳定,质量波动较大,加之天然松香的竞争以及石油树脂本身的质量等原因,使 得石油树脂的生产和应用发展较慢。国内石油树脂生产装置以C5石油树脂为主, 占总生产能力的70%,C5石油树脂占30%。大部分装置生产规模小,品种单一, 产品质量不高,特别是产品色度、软化点等主要质量指标不稳定,许多装置处于 停产或半停产状态。1999年全国产量约76kt,表观消费量为95kt。 近年来我国石 油树脂的进口量逐年增加,2000年达到28kt,进口产品均为高档专用级石油树脂 [3]。针对这种情况,国内大型石化公司采取技术引进与合资的方式,加快我国石 油树脂的发展,目前已有Exxon Mobil及Eastman两家美国公司与上海石化、扬子 合资建厂,并已开始供应产品,目前生产DCPD及其氢化产品。
R'
CH2
R CH2
CH
CH2
CH n CH2
CH
R'
CH
CH
CH
CH2
CH2
CH3
CH3
另外,C5 馏分中的环戊烯可以开环聚合为: CH CH CH2 CH2
CH2 CH3
CH2 n
1.3.2 C5 石油树脂的合成工艺 C5 石油树脂是由间戊二烯、异戊二烯、2-甲基 2-丁烯等分子链上含有五个碳
原子的单烯烃和双烯烃,经聚合而得到低分子的聚合物,是目前世界上用途最广 应用最多的石油树脂,具不完全统计,2010 年 C5 石油树脂的产量占全球石油树 脂总产量的 50%以上。根据 C5 馏分具体成分含量的不同,C5 石油树脂又可以为以 下几类[7]:(1)以经过初步分离或未经分离的混合 C5 馏分为原料的混合 C5 石油树 脂;(2)以浓缩间戊二烯为主要原料的间戊二烯石油树脂;(3)共聚树脂,即 C5/C9 共聚树脂、C5 与其它物质的共聚树脂。
国外厂商生产的C5石油树脂主要类别见表1.1。
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表1.1 国外C5石油树脂的主要类别、厂商及品牌[5]
Table 1.1 manufacturer and brand of C5 petroleum resin aboard
生产商
树脂种类
商品名
Goodyear
芳烃改性的间戊二烯浓缩液 的聚合物
的功能性树脂,其平均分子量约为 300~3000。C5 馏分聚合为石油树脂的化学反
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应很复杂,对其反应机机理的研究也颇多,下面主要以活泼组分的聚合为例。异 戊二烯的 1,4 加成为:
CH3
CH3
C
CH CH2 CH2
C
CH
CH2 nCH2
C
CH2
CH3
CH
R
或异戊二烯的 1,3 加成为:
C5
1.5
中科院化学所
C5加氢石油树脂和
美国伊士曼合资
扬子石化实业公司
18
脂肪族石油树脂
建设
兰化公司
C5加氢
8.0
大庆华科
C5
10
C5加氢
20
茂名石化华奥集团石油有限公
C5加氢
5.0

1.3 C5 石油树脂的合成和改性
1.3.1 C5 石油树脂的合成机理 C5 石油树脂是以裂解乙烯副产的 C5 馏分[11]为原料,经阳离子催化聚合得到
裂解 C5 馏分中通常含有大量的异戊二烯、间戊二烯、双环戊二烯和 1-戊烯 等组分,再经分离后便可得到高纯度的这些组分。其中异戊二烯则是合成异戊橡 胶的重要原料,间戊二烯可用来制备环氧树脂固化剂,双环戊二烯则是制备不饱 和聚酯树脂、双环戊二烯树脂、乙丙橡胶的重要中间体[7];同时,裂解 C5 经热 聚分离可得到脱环 C5 馏分和双环戊二烯,脱环 C5 馏分在催化剂的作用下可合成 高性能石油树脂,这样不仅适应了中下游石油树脂产品的需求,而且也使 C5 资 源得到进一步的利用,油气资源的利用率也得到了提高。由于裂解 C5 热聚分离 工艺相对简单成熟,成本较低,这使得石油树脂的开发和研究异常活跃,从而极 大促进了裂解 C5 在制备石油树脂方面的应用,且使之成为目前裂解 C5 的主要研 究和应用方向。
色的主要原因是聚合物链中含有不饱和双键,氧化稳定性不好。近年来,随着热
熔胶等对白色优质石油树脂需求的急剧增长,许多公司采用加氢工艺使树脂中不 饱和成分氢化,制得氧化稳定性好的白色或接近无色的石油树脂[10]。通过加氢
还可改善树脂的粘合性、耐候性、稳定性和相容性等。另外西方一些大公司已经
开发了加氢液体(或半固体)混合C5石油树脂,并已形成了一定的生产规模,据报 道,这种树脂应用在粘结剂中,除了具有很好的增粘效果外,还可以取代一部分 干性油[11]。
面简单介绍工业以 AlCl3 为催化剂催化聚合法合成 C5 石油树脂的基本工艺条件
见图 1.1。
配料釜
C5 馏分
改性剂
溶剂
1 23 反 应 釜
4 56 洗 涤 釜7
8 9 10 汽 提 釜
11 造粒成型
其中:1 配料进料口,2、5 搅拌装置,3 溶剂、催化剂进料口,4 树脂与溶剂混合液,6 洗涤液进料口,7 洗涤废水出口,8 油品混和液,9 水蒸汽,10 低聚物蒸出口,11 造粒成型。
Wingtack 76
Goodyear
选择单烯烃改性的间戊二烯 浓缩液的聚合物
Wingtack 95
Goodyear Exxon
脂环烃改性的 C5 树脂 C5 乳液型树脂
含 50%-70%间戊二烯馏分
Wingtack 115 Escorez
Hercules
(又称间戊二烯浓缩液)的双 烯/单烯聚合物
Piccotac
图 1.1 石油树脂生产装置简图
将一定量的 C5 馏分、改性剂进行配料,将配料按照一定得速度逐渐滴加到 溶剂中,滴加完毕后恒温反应 2-3 小时便可得到溶有石油树脂的溶剂-树脂混合 液。将混合液打入洗涤釜,首先经过 2%的氢氧化钠溶液碱洗脱除产品中的催化 剂,碱液的用量可根据催化剂用量而定。然后是水洗,水洗的主要目的是为除去 油品中残留的碱液,因为催化剂和碱的存在都会造成树脂色度升高,碱洗一般须 洗涤 2-3 次,水洗一般须洗涤 4-5 次,最后洗到洗涤液到 pH 值为 7 为止。
Ar izona
芳烃和萜烯改性的间戊二烯 浓缩液的聚合物
Sta-tack
Eastman Eastman
C5 馏分二聚后与 C9 共聚 C5 馏分二聚后与 C9 共聚在加

Eastotax Eastotac
ICI
未分离 C5 馏分的聚合物
Imprez
由于采用的原料与聚合工艺不同,石油树脂呈无色至红褐色多种色泽,带
目前高档 C5 石油树脂主要采用催化聚合法制备,该方法反应条件温和,得 到的石油树脂色度低、软化点高。催化聚合法合成 C5 石油树脂主要是在催化剂 作用下阳离子的加聚反应。首先滴加到溶剂中,聚合单体在催化剂的作用下形成 活性中心,引发链式反应合成石油树脂。用于生产 C5 石油树脂的催化剂有两类: 一是强质子酸,如硫酸、高氯酸、磷酸;另一类是 Lewis 酸,如 AlCl3、BF3、TiCl4、 BF3O(C2H5)2 等。由于以强质子酸为催化剂制备的石油树脂色度深,软化点低,
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