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乙烯基酯树脂的开发与应用

       乙烯基酯树脂自六十年代末问世至今已有三十余年的历史,由于乙烯基酯树脂具有优良的耐蚀性和施工工艺性,八十年代起乙烯基酯树脂已成为耐腐蚀树脂的代表而广泛应用于石油、化工、造纸、冶金、热电、医药、食品、交通、环保、建筑等行业。
国内乙烯基酯树脂在七十年代末开始生产,但由于产品价格较高、普及宣传不够等原因,至今生产量仍较少,推广应用仍不够理想。据报道[1],一九九九年我国乙烯基酯树脂生产销售量仅为2000-3000吨,可见我国乙烯基酯树脂的应用与国际接轨仍有较大差距。
       1、乙烯基酯树脂及合成工艺
       乙烯基酯树脂是用不饱和一元酸与环氧化合物加成制得的在端基带有不饱和双键的一类聚合物。常用的不饱和一元酸有丙烯酸、甲基丙烯酸等,常用的环氧化合物为环氧树脂。
       2、乙烯基酯树脂的分类
       选择不同的环氧化合物和不同的不饱和一元酸为反应物,加上采用不同化合物改性,使乙烯基酯树脂成为一大类品种繁多的树脂系列。可采用的环氧化合物有双酚A环氧树脂及其同系物、双酚F环氧树脂、酚醛环氧树脂、四溴双酚环氧树脂、二环氧化聚氧化丙烯等等;不饱和一元酸有丙烯酸、甲基丙烯酸、苯基丙烯酸、丁烯酸等。
       环氧化合物与不饱和一元酸反应,结果产生侧羟基,该基团能与酸酐、异氰酸酯等反应,因而乙烯基树脂可进一步改性而获得不同的产品。目前已实现工业化批量生产的基本本类型如下。
       2.1双酚A环氧丙烯酸类
       2.2双酚A环氧甲基丙烯酸类
       2.3酚醛环氧乙烯基类
       3、乙烯基树脂的性能特点
       由于乙烯基酯树脂由环氧树脂与不饱和一元酸加聚而成,因而其兼有不饱和聚酯树脂与环氧树脂两种树脂之优点。其主要特点是:其工艺性能与不饱和聚酯树脂一样,树脂粘度低,操作方便,可用引发剂、促进剂常温固化,施工不受季节限制。树脂中含有羟基(—OH),对玻璃纤维等有优良的浸润性和粘结力。乙烯基酯树脂具有较高的热变形温度,改性的乙烯基酯树脂可增加韧性,提高延伸率。
       乙烯基酯树脂具有优良的耐腐蚀性能,耐碱性与环氧树脂相似,耐酸性及抗氧化性与双酚A不饱和聚酯树脂相似,交联密度高的乙烯基酯树脂有良好的耐溶剂性。此外,乙烯基酯树脂可采用光固化工艺固化,可提高生产效率,节约能源,提高产品质量。
       4、乙烯基酯树脂的理化性能
       4.1乙烯基酯树脂的物理力学性能
       乙烯基酯树脂的物理力学性能如下
       项目 双酚A丙烯酸型
       乙烯基酯树脂 双酚A甲基丙烯酸型
       乙烯基酯树脂 酚醛环氧型
       乙烯基酯树脂
       浇铸体 抗拉强度(Mpa) 60~90 40~90 70~80
       弯曲强度(Mpa) 110~150 120~150 130~140
       抗压强度(Mpa) 110~120 110~120 130~150
       冲击强度(KJ/m2) 5~8 4~8 2~4
       玻璃化温度(℃) ~90 120~150
       热变形温度(℃) ~80 100~115 120~150
       玻璃钢 抗拉强度(Mpa) 280~320 250~300 280~320
       弯曲强度(Mpa) 350~500 350~450 300~400
       抗压强度(Mpa) 200~300
       冲击强度(KJ/m2) 8~12 6~10
       树脂胶泥 抗拉强度(Mpa) ≥9 ≥9
       抗压强度(Mpa) ≥70 ≥70
       4.2乙烯基酯树脂的耐化学药品性
       乙烯基酯树脂的耐化学药品性如下
       介质及浓度 长期耐温性 介质及浓度 长期耐温性
       双酚A丙烯酸型 双酚A甲基丙烯酸型 酚醛环氧型 双酚A丙烯酸型 双酚A甲基丙烯酸型 酚醛环氧型
       75%硫酸 常温,耐 45℃,耐 饱和氯水 <80℃耐 <100℃耐
       70%硫酸 80℃,耐 80℃,耐 5%氢氧化钠 常温,耐 <100℃耐 <100℃耐
       25%硫酸 常温,耐 <100℃耐 <110℃耐 30%氢氧化钠 常温,耐 常温,耐 常温,耐
       37%盐酸 常温,耐 60℃,耐 80℃,耐 35%碳酸钠 <80℃耐 <80℃耐
       40%硝酸 不耐 不耐 常温,耐 氨水,气相 常温,耐 常温,耐
       20%硝酸 <45℃耐 <60℃耐 氨水,气液 不耐 不耐 不耐
       5%硝酸 常温,耐 <60℃耐 <80℃耐 二甲苯 常温,耐 <45℃耐
       30%铬酸 常温,耐 常温,耐 95%乙醇 常温,耐 常温,耐
       75%醋酸 <60℃耐 <60℃耐 乙二醇 <100℃耐 <100℃耐
       25%醋酸 <100℃耐 <100℃耐 苯酚 不耐 常温,耐
       冰醋酸 不耐 不耐 常温,耐 尿素 60℃耐 60℃耐
       20%氢氟酸 常温,耐 常温,耐 汽油 80℃耐 80℃耐
       10%氢氟酸 <60℃耐 <60℃耐 烟道气 <160℃耐 <200℃耐
       18%次氯酸钠 <80℃耐 <80℃耐 锌电解液 <60℃耐 <60℃耐
       30%过氧化氢 <60℃耐 <60℃耐 镍电解液 <80℃耐 <80℃耐
       5、化学结构与树脂性能的关系
       树脂的性能主要是指其物理力学性能与耐化学药品性,它与树脂的化学分子结构密切相关。
       树脂固化物的强度、耐热性,与树脂分子主链中的主要基团的结构、树脂的交联密度有关。树脂的耐化学药品性即耐水、酸、碱、盐、溶剂的性能与组成其分子的各基团的种类及树脂的交联密度有关。现将双酚A型乙烯基酯树脂为例加以说明。
       在以上双酚A型乙烯基酯树脂的分子中,基团结构稳定,提供刚性、热稳定性;酯基(-C-O-) 易受碱、水的侵蚀;醚键(-O-)化学稳定性好;R(常为-CH3)基团对酯基有屏蔽保护作用,使其不易水解;羟基(-OH)的存在增强了树脂的浸润性和粘结力;乙烯基酯树脂的活性交联点(双键)位于分子端部,易于交联反应,因而乙烯基酯树脂的固化度比不饱和聚酯树脂的固化度高,这就进一步提高了树脂的耐蚀性。
       下面再以五种树脂的化学结构、酯基含量、交联点等作一横向比较。
       (1)邻苯型不饱和聚酯(酯基数量3n个):
       (2)间苯型不饱和聚酯(酯基数量3n个):
       (3)双酚A型不饱和聚酯(酯基数量2n+1个):
       (4)双酚A型乙烯基酯(酯基数量2个,交联点2个):
       (5)酚醛环氧乙烯基酯(酯基数量n+2个,交联点n+2个):
       以上五种树脂的耐化学药品性、耐热性(除双酚A不饱和聚酯与双酚A乙烯基酯耐热性相仿外)呈现从上而下逐个递增的趋势。其原因是:五种树脂中酯基含量(除邻苯型、间苯型不饱和聚酯相同外)从上而下逐个递减。 从理论上分析,树脂中酯基含量的高低对耐水性、耐碱性影响很大,实践结果也证实了这一点。树脂固化物与碱、水接触而遭受侵蚀的反应为:
       O O ‖ ‖
       R1—C—O R2 + NaOH —→ R1—C—O Na + R2OH
       O O ‖ ‖
       R1—C—O R2 +H2O —→ R1—C—OH + R2OH
       据报道,当树脂中酯基含量降低一半时,耐水时间增加近20倍。
从以上分子结构可以看出,不饱和聚酯树脂中的酯基重复出现在主链中,且数量多,而乙烯基酯树脂的酯基在主链的末端,且只有2个。间苯型不饱和聚酯树脂酯基含量8~9×10-3mol/ml,双酚A型不饱和聚酯树脂酯基含量2.6~3.4×10-3 mol/ml,而双酚A型乙烯基酯树脂的含量为1.2~1.6×10-3mol/ml。
       邻苯型和间苯型不饱和聚酯树脂酯基含量一样,但间苯型不饱和聚酯树脂的耐化学药品性、耐热性优于邻苯型的,这是因为间苯型的酯基分子间距大,受到了位阻效应保护而致。树脂固化物的耐热性与其结构中骨架基团的稳定性及树脂交联密度有关,后三种树脂中含有双酚A、苯环等骨架,因而具有较高的耐热性。酚醛环氧乙烯基酯除含有多个稳定的苯环结构外且端基有多个双键,其交联密度大,因而其耐热性高,耐化学药品性好。
       6、乙烯基酯树脂的固化体系
       乙烯基酯树脂的固化与不饱和聚酯一样,是通过引发剂产生的游离基激活树脂及交联剂(苯乙烯)中的双键,使树脂加聚反应而固化。一般采用有机过氧化物为引发剂,用钴盐、胺类化合物为促进剂。常用的两种固化体系为:(1)过氧化甲乙酮/环烷酸钴(或辛酸钴)(2)过氧化二苯甲酰/二甲基苯胺实用时引发剂过氧化甲乙酮、过氧化二苯甲酰均已先与邻苯二甲酸二丁酯按一定比例混合配制好;促进剂环烷酸钴、二甲基苯胺也同样用苯乙烯稀释配制好。一般使用配方为:(1)乙烯基酯树脂100/过氧化甲乙酮2~4/环烷酸钴1~4(2)乙烯基酯树脂100/过氧化二苯甲酰2~4/二甲基苯胺1~3配方(2)固化速度比配方(1)快,而配方(1)后固化优于配方(2)。有报导认为配方(2)固化物的耐蚀性优于配方(1)的。
       由于用户具体使用时环境温度、加工工艺等各不相同,会对树脂凝胶时间的长短有不同的要求,这就需要对引发剂、促进剂的品种、加入量的大小等作相应的选择和调整。需要较快固化的可选择配方(2)。需快速固化或在低温、潮湿情况下可选择复合固化体系,如乙烯基酯树脂100/过氧化甲乙酮2/环烷酸钴3/二甲基苯胺0.5,乙烯基酯树脂100/过氧化甲乙酮1/二甲基苯胺0.5/过氧化二苯甲酰1/环烷酸钴0.5。在缠绕成型时,当需要有较长凝胶时间时可采用配方(1),并减少引发剂、促进剂的用量,如采用配方:乙烯基酯树脂100/过氧化甲乙酮1/环烷酸钴0.5,在20℃时胶凝时间为2.5小时,但须指出,如期望制品达到要求,常温固化后应再经100℃,2小时的热处理。
       7、BR乙烯基酯树脂系列产品
       BRIGHT乙烯基酯树脂系列见下表
       类型 牌号 相当或相似牌号 特点用 途
       双酚A丙烯酸BRT2000 环氧丙烯酸酯树脂 不含苯乙烯,用于光固化涂料
       BRT2001 3200 改性树脂,使用温度80℃,用于化工防腐蚀、玻璃钢等。
       BRT2002 3201 改性树脂,使用温度80℃,用于化工防腐蚀、玻璃钢等。
       双酚A甲基丙烯酸BRT3000未改性基础树脂,使用温度90℃,
       BRT3001改性树脂,使用温度100℃,用于化工防腐蚀、玻璃钢等。
       BRT3220 DERAKANE411 改性树脂,使用温度100℃,用于化工防腐蚀、玻璃钢等。
       BRT3003 HETRON922 HETRONR806 酯基含量低,具有优异的耐酸性,突出的耐碱性,韧性好,使用温度100℃,用于化工防腐蚀、玻璃钢等。
       酚醛环氧 乙烯基酯BRT4000 HETRON970 DERAKANE470 使用温度120℃,耐蚀性好,耐溶剂性好,用于腐蚀条件苛刻,温度较高的场合 
       8、乙烯基酯树脂的应用
       8.1玻璃钢制品和衬里
       乙烯基酯树脂常用于有较高耐温要求、较强腐蚀条件的玻璃钢制品,如制作大型的玻璃钢贮罐、槽车、塔器、 管道、风机等。需防腐蚀的钢制容器,混凝土槽等也常用乙烯基酯树脂玻璃钢作内衬。
       PTA污水处理装置酸化沉淀池,介质为PTA污水,污水中含有醋酸、对苯二甲酸、氯化物、稀硫酸、氢氧化钠、微量二甲苯等,PH值2~13,工作温度40~96℃。原用双酚A不饱和聚酯玻璃钢内衬遭腐蚀破坏,后改用双酚A乙烯基酯树脂使用效果良好。乙二醇装置混凝土污水池,污水中含有碳酸盐等,也采用了双酚A乙烯基酯树脂玻璃钢内衬防腐获得满意效果。
       大化肥尿素造粒塔内壁在60年代中期用涂料防腐,尿素对混凝土壁的结晶腐蚀严重。1969年四川泸州天然气化工厂率先用环氧玻璃钢内衬防腐获得成功。但环氧树脂粘度大,施工不便,近年来已开始用乙烯基酯树脂代替环氧树脂,用于尿素造粒塔内壁防腐。
       由于乙烯基酯树脂有很好的强度、耐腐蚀性和耐温性,因而可用它来制作胶衣树脂,用作人造玛瑙、大理石、卫生洁具等制品的胶衣。为了提高乙烯基酯树脂的触变性和粘度,可加入气相白碳黑,再配合加入少量的极性添加剂,如甘油,BYK605等。
       8.2树脂胶泥、砂浆
       用乙烯基酯树脂配制的胶泥、砂浆可用于耐蚀砖板的内衬、铺砌、勾缝,也可用于耐腐蚀树脂砂浆整体地面。如北京化工二厂氯碱工程碱蒸发地面,介质为氢氧化钠,浓度30%,采用乙烯基酯树脂砂浆做整体地面,中国和平建筑公司等施工单位在如何降低树脂砂浆的收缩等方面总结了一定经验。
       8.3涂料
       8.3.1光固化涂料
       乙烯基酯树脂在有苯醌、苯偶姻醚等光引发剂存在下,经紫外线照射,能引发交联固化,且固化速度极快,可以以秒计。利用这种特性制成的乙烯基光固化涂料节省能源,大大提高生产效率,具有良好的应用前景。
       8.3.2鳞片涂料
       用乙烯基酯树脂与玻璃鳞片等制成的鳞片涂料,可用于钢制容器设备内衬,广泛应用于石油化工、冶金、造纸、电镀、氯碱、医药、食品、建筑等行业,如火力发电厂给水系统的脱硫塔,氢氧化钠、盐酸槽等,排气系统的烟气脱硫装置的除尘器、吸收塔、氧化塔;风管、烟囱等内壁防腐,在对温度和强度要求较高的场合,常采用鳞片涂料与玻璃钢的复合结构。扬子乙烯装置的烟气脱硫部分的设备均用鳞片涂料防腐。烟气中的SO2在吸收塔与氨水接蚀生成NH4HSO3液,再在中和槽内进一步与氨水反应生成(NH4)2SO3,再在氧化塔内氧化生成(NH4)2SO4液。氧化塔φ2800、L14400,工作温度90℃,压力为满液+0.01Mpa,介质为(NH4)2SO3、(NH4)2SO4液,该设备用厚度2.5mm的乙烯基酯鳞片涂料内衬,使用效果良好。

       (本文发表于《上海涂料》2000年第4期)
       参考文献:
       [1]中国玻璃钢工业协会秘书处,热固性树脂,2000;(2):20
       [2]柴田议治,三浅克弘,羽田利明,化学结构对不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂的耐蚀性的影响
       [3]柴田议治,三浅克弘,羽田利明,化学结构对不饱和聚酯树脂和乙烯基酯树脂的耐蚀性的影响
       [4]徐亨萼 ,聚酯玻璃钢耐化学性能的研究 
       [5] 侯锐钢,腐蚀与防护,1999;(9);411    
       [6]ToYo Engineering Corp,Flue Gas Desulfurization Unit,Design Specification
       [7]ToYo Engineering Corp,Flake Lining Manual 
2019/07/10 09:04:35 1175 次

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