CN111234700A - 利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料及方法，该涂料包括按重量百分比计的以下原料：来源于煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物35‑70份、环氧树脂10‑25份、固化剂1‑5份、ZnO粉1‑5份、石棉粉1‑10份和短切碳纤维1‑5份。所述煤沥青为中温煤沥青或高温煤沥青，副产物甲苯可溶物中甲苯的含量为10‑20wt%。本发明通过对煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物进行回收利用，作为涂料的主要成膜组分，降低生产成本，而且还能解决高性能煤沥青基碳素材料制备过程中副产物处理问题。得到的涂料除了具有良好的防水、防腐、耐候性能，黏附力强，提高了涂膜的强度和韧性，与传统沥青涂料相比，脆性易开裂问题有了一定改善。

Description

利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料及方法

技术领域

本发明涉及涂料技术领域，具体为一种利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料及方法。

背景技术

沥青是一种黑褐色有机凝胶材料，因其具有优良的防腐蚀、耐湿、耐水、耐盐碱、耐候等特性，可被用作涂料的基体材料，广泛应用于输油输气管道、污水池、钢铁、水泥建筑等的防水防腐领域。因沥青具有热固性，在高温下易流淌，低温下性脆，在作为涂料或铺路材料时容易产生龟裂，影响使用性能。因此需要对沥青进行改性，如对基质沥青进行顺酐化改性，再加入环氧树脂形成互穿网络，改善涂料的抗疲劳性和力学性能等，大大提高了涂料的铺装性能。但是沥青与环氧树脂的相容性问题一直是困扰环氧沥青制备的主要难题。

煤沥青是煤焦油深加工的产品之一，是由多种芳族与脂肪族化合物组成的复杂混合物。李玉财等人公开的“煤沥青与新型碳素材料”中根据萃取剂的不同，煤焦油沥青组分可分为α树脂(喹啉不溶组分)、β树脂(甲苯不溶喹啉可溶组分)和γ-树脂(甲苯可溶组分)。将煤沥青进行深加工制备高端碳素材料，如高纯沥青、沥青针状焦、中间相炭微球、石墨电极、沥青基碳纤维等，可大大提高其经济附加值。而其中的关键是制备中间相沥青。制备中间相沥青时，需要将煤沥青进行调制精制，去除α树脂(喹啉不溶组分)，降低γ-树脂(甲苯可溶组分)，从而提取β树脂(甲苯不溶喹啉可溶组分)。煤沥青中的γ-树脂(甲苯可溶组分)占比达60％以上，含量过高，将降低碳素材料的结焦值，进一步降低其体积密度和机械性能。因此在制备高端碳素材料时，大量γ-树脂(甲苯可溶组分)被去除，造成原料浪费和制造成本的增加。

发明内容

本发明提供一种利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料及方法，能够制备出具有良好的防水、防腐、耐候性涂料，涂膜具有一定的强度和韧性，不易开裂，成本低，且制备方法简便。

本发明的技术方案是，利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料，其特征在于，包括按重量百分比计的以下原料：来源于煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物35-70份、环氧树脂10-25份、固化剂1-5份、ZnO粉1-5份、石棉粉1-10份和短切碳纤维1-5份。

优选方案中，所述煤沥青为中温煤沥青或高温煤沥青，副产物甲苯可溶物中甲苯的含量为10-20wt％。进一步地优选中温煤沥青，甲苯的含量为15wt％。

进一步地，所述环氧树脂为液态脂环族环氧树脂。

进一步地，所述的ZnO粉、石棉粉粒度在400目以下。

进一步地，所述的固化剂为酮亚胺类化合物。

进一步地，所述短切碳纤维为生产废弃的碳纤维预氧化丝、碳纤维氧化丝、碳纤维中的任意一种。

进一步地，短切碳纤维的长度为5-10mm。

本发明还涉及制备所述涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物在50-150℃熔化后，后依次加入ZnO粉、石棉粉、短切碳纤维及环氧树脂，混合均匀，作为A组分；施工时，加入B组分固化剂，搅拌均匀，得到利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料。

其中优选甲苯可溶物中甲苯含量在10-20wt％，熔化温度为100±10℃。

本发明具有以下有益效果：

1、煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物是黑色流体，平均分子量范围在210-1000，含有较多的溶剂甲苯，粘度极低，涂装时涂膜易流动，造成涂层较薄；而且单直接将甲苯可溶物用作涂料时，涂膜韧性有一定增强，但是由于平均分子量降低，其软化点降低，室外使用时温度超过40℃软化变形，高温力学性能变差。从沥青中提取的甲苯可溶物，不能直接作为涂料的基体材料使用，因为配制涂料过程中发现，溶剂甲苯含量多少会影响涂料的涂装性能。当溶剂甲苯含量≤10％时，甲苯可溶物粘度大，加入填料和环氧树脂时难以搅拌均匀。当溶剂甲苯含量≥20％时，涂层变薄，固化时间变长，且甲苯含量增加，现场溶剂挥发严重，施工环境恶化，影响工人身体健康。经过涂料配制和涂装试验，选择甲苯可溶物中甲苯含量为10-20％。本技术方案通过控制甲苯可溶物中甲苯的含量，使涂料粘度适中，并通过添加多种填料，降低涂料成本的同时，提高原料的软化点，增强涂料的高温力学性能，从而解决了上述难题。

2、通过在涂料中加入氧化锌和石棉粉，能提高涂料的软化点，增加固含量，降低成本，且具有一定的杀菌防腐的作用。控制其粒度大小提高混料时的混合均匀度。加入环氧树脂改善可以在涂料中形成互穿网络，增强涂料韧性，解决沥青涂料脆性开裂的问题。但甲苯可溶物与环氧树脂相容性差，发明人在混合时加入一定比例的碳纤维，碳纤维与沥青接近的结构特性，可以起到促进甲苯可溶物与环氧树脂的相容的目的；另一方面，碳纤维还可以对涂料进行增强，提高涂料的力学性能，增强韧性。进一步地，将其做成短切碳纤维，平衡长纤维增强力学性能的效果和短纤维易于分散的特性。在选择环氧树脂时，优选液态脂环氧树脂，与沥青的甲苯可溶物相容性较好。固化剂酮亚胺类化合物具有粘度低，且其与环氧树脂和沥青相容性好，涂膜固化具有一定潜伏性，潮湿环境下施工时固化快等特点。

3、传统沥青涂料的膜成分主要是粗原料沥青，不经过甲苯溶剂提取，一般为低温沥青，软化点35-75℃，本发明通过对煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物进行回收利用，作为涂料的主要成膜组分，可以降低生产成本，而且还能解决高性能煤沥青基碳素材料制备过程中副产物处理问题，得到的涂料具有良好的防水、防腐、耐候性能，黏附力强，具有较高的涂膜强度和韧性，与传统沥青涂料相比，脆性易开裂问题有了一定改善。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步阐明本发明。

实施例1：

将中温煤沥青100℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量10％)，取50g甲苯可溶物沥青脱水处理后在50℃熔化，依次加入ZnO粉5g、石棉粉5g，长度为10mm的短切碳纤维5g，环氧269树脂20g，混合均匀，作为A组分。施工时，加入3gDA-134酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀，得到利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料。

实施例2

将高温煤沥青150℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量20％)，取65g甲苯可溶物沥青，依次加入ZnO粉4g、石棉粉3g，长度为5mm的短切碳纤维5g，环氧269树脂25g，混合均匀，作为A组分。施工时，加入5g的DA-315酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀，得到利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料。

实施例3：

将中温煤沥青100℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量15％)，取此甲苯可溶物沥青70g，加热到100℃，依次加入ZnO粉3g、石棉粉8g，长度为10mm的短切碳纤维5g，环氧269树脂25g，混合均匀，作为A组分。施工时，加入4g的DA-134酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀，得到利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料。

对比例1：

将中温煤沥青100℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量15％)，取此甲苯可溶物沥青70g，加热到100℃，依次加入ZnO粉3g、石棉粉8g和环氧269树脂25g，作为A组分。使用时加入4g的DA-134酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀。

对比例2：

将中温煤沥青100℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量5％)，取此甲苯可溶物沥青70g，加热到100℃，依次加入ZnO粉3g、石棉粉8g和环氧269树脂25g，作为A组分。使用时加入4g的DA-134酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀。

对比例3：

将中温煤沥青100℃熔融脱水处理，经甲苯溶剂溶解过滤获得甲苯可溶物沥青(甲苯含量35％)，取此甲苯可溶物沥青70g，加热到100℃，依次加入ZnO粉3g、石棉粉8g和环氧269树脂25g，作为A组分。使用时加入4g的DA-134酮亚胺固化剂作为B组分，搅拌均匀。

上述实施例及对比例制备的涂料在实际使用时，可根据施工时涂料本身的性质，结合施工需要，补加溶剂(如甲苯)，加入通用的增稠剂、流平剂、表面活性剂等。

AB组分混合后配制好的涂料后应尽快进行涂装。将上述实施例和对比例中的涂料进行涂装，并测试了涂料的增稠效果，涂装时的流平性以及涂膜完全干燥后的力学性能，具体见表1。

表1

目前国产环氧沥青涂料的拉伸强度在1.5-1.8MPa，从以上数据可看出，本发明的涂料强度有一定增强。

从对比例1数据可看出，涂料中未加入碳纤维，涂料的拉伸强度下降，断裂伸长率降低，脆性增加，韧性变-差。

从对比例2数据可看出，涂料甲苯溶剂量减少，体系粘度变大，填料混合均匀度变差，涂料的强度降和韧性降低，增稠和干燥时间加快，涂料内应力增加，容易开裂。

从对比例3数据可看出，涂料中甲苯溶剂含量过多，体系粘度降低，流挂性不佳，涂层较薄，强度和韧性亦有所降低，干燥时间延长，影响涂料的使用。

Claims (10)

1.利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料，其特征在于，包括按重量百分比计的以下原料：来源于煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物35-70份、环氧树脂10-25份、固化剂1-5份、ZnO粉1-5份、石棉粉1-10份和短切碳纤维1-5份。

2.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述煤沥青为中温煤沥青或高温煤沥青，副产物甲苯可溶物中甲苯的含量为10-20wt%。

3.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述煤沥青为中温煤沥青，副产物甲苯可溶物中甲苯的含量为15wt%。

4.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述环氧树脂为液态脂环族环氧树脂。

5.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述的ZnO粉、石棉粉粒度在400目以下。

6.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述的固化剂为酮亚胺类化合物。

7.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：所述短切碳纤维为生产废弃的碳纤维预氧化丝、碳纤维氧化丝、碳纤维中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的涂料，其特征在于：短切碳纤维的长度为5-10mm。

9.制备权利要求1-8任意一项涂料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

将煤沥青基碳素材料生产中的副产物甲苯可溶物在50-150℃熔化后，后依次加入ZnO粉、石棉粉、短切碳纤维及环氧树脂，混合均匀，作为A组分；施工时，加入B组分固化剂，搅拌均匀，得到利用煤沥青基碳素材料生产中的副产物制备的涂料。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：甲苯可溶物中甲苯含量在10-20wt%，熔化温度为100±10℃。