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绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题
2019年09月20日    阅读量:1462     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿


1  我国漆包线绝缘漆的发展突飞猛进
近几年来,我国漆包线产量有着惊人的发展,估计2003 年年产已达60~70 万t 。与此相应,漆包线绝缘漆产量也突飞猛进,由图1 中的曲线可以大体的看出这种发展趋势。
绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com 绝缘漆的产品结构也有明显的变化中国机械网okmao.com。如粗略估计聚酯漆的比例已下降到48 %;而聚氨酯漆的比例上升到22 %;聚酯酰亚胺和聚酰胺酰亚胺等耐热性漆上升到25 %。产量和产品结构的巨大变化与生产企业的状况有密切的关系。这一方面是由于国内绝缘漆生产厂家的增加,据电线电缆行业协会不完全统计目前已达45 家左右;另一方面是由于国外企业的进入,如铜陵西瓦绝缘材料有限公司、东特涂料(太仓) 有限公司等。

2  绝缘漆的发展面临两大问题
1992 年联合国里约热内卢环境与发展大会召开之后,特别是进入21 世纪,世界各行各业都注视着两个重大的问题,就是环境保护和可持续发展。我国绝缘漆近几年突飞猛进的发展很自然地也面临着这两大问题的纠缠。

2. 1  关于环境保护问题
现在几乎可以说,地球上人人都知道要保护环境,这是刻不容缓的事情,环境保护的旗帜几乎已插遍世界各个角落,可以说没有一个行业不在自觉地追究损害环境的责任。对绝缘漆来说,仅举所用的主要溶剂甲酚和二甲苯为例就足够说明这问题。如果以年产10 万t绝缘漆计算,溶剂的排放量约为6 600 t ,而甲酚、二甲苯属于一级毒性的化工材料,对人体的呼吸系统、摄食系统、眼睛和皮肤等都会造成严重的损害,对水质、空气会造成严重的污染,影响动植物的正常生长。因此,如何改变溶剂体系、减少有害溶剂的使用等,自然成了本行业生产企业和科技工作者的社会责任问题。从广泛的意义上讲,它比单纯关心利润等还要重要。

2. 2  关于可持续发展问题
可持续发展是当代社会进步的指导原则,指的是任何发展既要满足当代人的需要,又不能损害子孙后代的需要。与可持续性相关的五个挑战性方面,就是人口、能源、食物、全球自然环境的变化和资源耗竭。有人认为从这几方面分析当今社会的运转是不可能保持长久的,要尽快采取措施和对策,才能实现可持续发展。在这方面对漆包线绝缘漆及后续加工(漆包线生产) 来说,能源和资源是影响它可持续发展的一个大问题。如何减少紧缺物资(如甲酚等) 的使用,甚至不用;如何改变传统的加工模式,节约能源,也就成了摆在线缆行业面前的需要研究的大问题。环境保护和可持续发展,实质上是一个问题的两个方面,也可理解为在时间尺度上的差别。前者主要关注的是眼前,后者则侧重于未来,两者紧密相联。粗略地领会,也可以说,目前损害环境的项目或行业,如无有效措施,不可能希望有持续的发展。对绝缘漆制造行业而言,因为本行业目前存在环境保护、能源和资源问题,如果不尽快改变现状,未来同样存在难以持续发展的问题。进入21 世纪后,环境保护的绿色浪潮正在席卷全球,已形成一个巨大的冲击波,正荡涤着一切旧的传统的生产方式、生活方式、思维方式和价值观点,绿色正成为21 世纪的主流,它涉及到政治、经济、社会和文化等各个方面。光是“绿色”的称号,到处可见,冠以“绿色”的名字不胜枚举,例如:大的如绿色政党、绿色食品,甚至绿色GDP ,小的到绿色办公室、绿色冰箱等。因为绿色是生命的颜色,热爱绿色即热爱生命,这是人类最本能,也是最智慧的选择。绝缘漆制造从自然科学技术分类归属于化学化工类,要解决绝缘漆行业面临的两大问题,就必须借助于化学化工领域的发展。

3  绿色化学与漆包线绝缘漆的制造
3. 1  绿色化学的概念
1995 年国际上确定了“绿色化学”的名字。它并不是简单地在“化学”前加以“绿色”两字,而是以传统化学或经典化学为基础,更具创造性和创新性的学科, 是近年来国际上兴起的一门热点学科。1998 年绿色化学概念的提出者和最强有力的推动者Paul T. Anastas 和John C. Warner 提出的十二条原则目前已为化学界认可,为绿色化学和技术研究的未来发展指明了方向[1 ,2 ] 。化学可粗略地看作是研究一种物质向另一种物质转化的科学,传统化学虽可得到人类需要的新物质,但许多场合既未有效利用资源,又产生大量排放物,造成对环境的污染。而绿色化学在获得新物质的转化过程中,可实现“零排放”,既充分利用资源,又不产生污染。发现和开发对环境无害的基本化学转化过程将是推动绿色化学发展的动力。它的最有效用途在于能通过减少内在的危害而使发展具有可持续性。与传统化学化工先污染后治理的模式不同,绿色化学化工的宗旨是从流程的始端就最大程度地减少污染,甚至根除污染。也就是说传统化学是把污染问题放在化学过程的末端,即废物的处理上;而绿色化学是把可能的污染放在化学过程的始端。这对可持续发展和人类广义的生活改善具有重要意义。

3. 2  漆包线绝缘漆产品利用绿色化学成果的概况
多年来,特别是近年来,国内外利用绿色化学研究成果开发研究绿色漆包线绝缘漆的情况可归纳为以下几个方面[3 ,4 ] 。表1 分别列出这些绿色产品制造漆包线的不同工艺方法。
绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com



(1) 高固体含量漆 在漆包线制造行业,最终的目标是完全不用有毒溶剂,但在目前可通过提高漆的固体含量和降低粘度,也能简单地降低溶剂含量,例如,在制漆时减少有机溶剂甲酚及二甲苯的用量,即提高漆的固体含量。通过十多年的努力,目前可把原有漆的固体含量提高了5 %~20 % ,达到35 %~50 % ,例如:日本东特涂料株式会社的NH8750 聚酯酰亚胺漆固体含量达50 % ,TPU6100 聚氨酯漆达34 %;德国Dr. Beck 公司生产的Terebec F60 漆固体含量已达60 %。高固体含量漆,因粘度提高了,通常要用模具法涂漆,并且漆槽应采取加热保温等措施。


高固体含量漆不仅节约溶剂,也可节约烘干能源、减少涂漆毛毡消耗,目前已被各国普遍采用。上海电缆研究所研制成功的聚酯漆其固体含量达到50 % ,之后也相继研制成功了高固体含量35 %的改性聚酯漆、聚酯亚胺漆等。这些年来我国也引进了国外高固体含量35 %~40 %的各种漆包线漆。但有很多厂家,因线规格多,批量小,嫌穿模困难等原因未采用高固体含量漆。近年来,随着采用模具涂漆的扩大应用,高固体含量漆的应用也日益增多。


(2) 低毒溶剂或不含甲酚漆 在现阶段另一种途径就是设法改进漆的制造配方及工艺,用低毒溶剂来代替甲酚及二甲苯等,常用的有乙二醇醚类(R2OC2 H4OH) 、二乙二醇醚类(R2OC2 H42OC2 H4OH) 、N2甲基吡咯烷酮等。因为这类溶剂不能很好地溶解现在配方工艺制造的漆基树酯,必须重新设计配方及工艺,使其既能被溶解,达到高固体含量以及不高的粘度,又不降低漆包线漆膜性能,这具有一定的技术难度。


Dr. Beck 公司已开发成功F 级改性聚酯及H 级聚酯亚胺等品种的低毒溶剂漆包线漆,并已批量生产,不足之处是成本比用甲酚及二甲苯的漆高,但为了减少毒性对人体的侵害,这种投资是值得的。日本东特涂料株式会社及国外有些知名企业也有无甲酚产品的报导。


最近,常州新赛特绝缘材料公司对无酚型聚酯、改性聚酯和聚酯亚胺漆进行了研制;常州海华化工有限公司在聚氨酯漆中用高沸点溶剂代替部分二甲苯也属于这一类。


(3) 水基性漆 一般的有机溶剂通常都具有毒性及易燃易爆性,为此设法用水做溶剂来制备漆包线漆。水是人类生存的必需品,无毒无味,而且具有典型的溶剂性能(见表2) 。国内外对水基性漆开展了不少研究,很多化学家对水溶性树脂的合成进行了深入的试验,主要的难度在于既要把溶解于甲酚及二甲苯的漆基树脂改成能溶解于水的高分子,又要使涂成的漆包线其机械、电气和耐化学等性能能保持原有指标。


上海电缆研究所经多年研究,克服种种难点先后研制成功水溶性聚酯电泳漆、水散体聚酯漆及水溶性聚酯亚胺漆,取得良好社会效果。我国也引进了Dc. Beck 公司的水溶性聚酯亚胺漆包线漆的制造技术,但因其在水溶性方面的高分子合成原料成本较高,也大幅度提高了漆的价格,又因水的汽化热比有机溶剂高,使漆包线烘干时耗能也较高,出现涂线速度慢,从而使漆包线生产成本提高而难以推广。随着人们对环境保护问题的严重性日益认识,该方法将会为人们所重视。
绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com (4) 无溶剂漆 为了彻底消除公害,最好不用溶剂或用极少溶剂,从而出现了无溶剂漆。在这方面研究开发的方法有热熔树脂法、挤出树脂法和粉末硫化床涂覆法等新方法,值得注意:
①热熔树脂法。制成的漆基树脂不加溶剂,常温下是固态,加热到180 °C 左右才能变为可以涂线的液态。由于长期加热,树脂易固化,所以要解决树脂的配方问题,使之在180 °C 左右不固化,而在烘炉中高温下固化。我国从德国Dr. Beck 公司引进了这种产品制造技术。采用这种方法必须增加一套树脂熔融加热模具涂漆装置。这种方法主要应用于聚酯亚胺漆包线等个别产品,另外,由于漆层均匀性难以控制,一般以制造大规格的漆包线为主。
②挤出树脂法。现有的漆包线传统制法都是“漆液—多道涂线—烘干固化”的工艺模式,主要是保证薄漆层的均匀性及全面性能。是否能用挤塑料线一样的方法制造漆包线呢? 这样可不用有机溶剂,彻底解决溶剂的公害问题。瑞士Maillefer 公司与德国Dr. Bcck 公司合作研制出一套挤出流水线来制造漆包线,关键在解决挤出漆层的精密性和均匀性。挤出料必须是热塑性树脂,目前只限于耐热性低的聚酯和聚氨酯漆包线等品种,并只能做大规格漆包线。进一步工业化生产还有很多技术上、质量上及经济上的问题要进一步试验研究。
③粉沫涂覆法。为了消除有机溶剂的公害,粉体涂覆法在涂料行业已大量的应用,用在漆包线方面也进行了不少研究。首先,需要把树脂制成很精细的粉沫,采用硫化床法或静电法涂覆在线上,目前还只能限于变压器用的大规格扁线上。主要技术问题是漆膜一次形成后,存在着多孔性,漆层较厚、不均匀,耐电压低等问题,有待完善。

4  应用绿色化学研究成果,促进漆包线绝缘漆向绿色转化
  绿色化学以环境保护和可持续发展为宗旨,进入新世纪以来,研究发展很快,绿色产品不断出现。从科学观点看,它是对传统化学思维方式的更新和发展。与绝缘漆有直接关系的可供未来应用的成果,现可举出非光气合成异氰酸酯。


应用这个研究成果,将可能使聚氨酯漆转化为绿色产品。氨基甲酸酯是一类重要的化工原料,传统生产方法是采用光气和胺反应合成的。由于光气剧毒,对设备腐蚀严重,又易造成环境污染,一旦处理不当发生事故,将带来灾难性后果。


例如1984 年印度博帕尔市郊一家美国联合碳化合物公司的农药厂光气贮罐泄漏,造成4 000 多人死亡,32 万人中毒这一惨痛事件,因此采用非光气法合成氨基甲酸酯和异氰酸酯是引人关注的课题。Monsanto 公司的Rilly 等研究了用二氧化碳和胺直接生成异氰酸酯和氨基甲酸酯,并成功地开发出合成聚氨基甲酸酯的新方法。在有机碱存在下生成氨基甲酸酯负离子,再在脱水剂例如乙酸酐或邻磺酸基苯甲酸存在下脱水生成异氰酸酯:
绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com生成的乙酸加热脱水后又可回收乙酐循环使用。
日本旭化成工业公司和美国杜邦公司开发了用一氧化碳和胺直接氧化羰化合成氨基甲酸酯,然后分解生成异氰酸酯的方法。其关键是研制成功了活性高、选择性好的氧化羰化催化剂,使反应过程生成的副产物减少,第二步热分解反应副产物也很少,异氰酸酯收率高,聚合反应很少发生。其反应式为:
绿色化学与漆包线绝缘漆的制造,论述了当前漆包线绝缘漆的制造和应用面临着环境保护和可持续发展的两大问题 中国机械网,okmao.com

生成的甲醇可循环使用,此方法已用于工业生产。由于生产中完全避免使用光气,而且无副产物盐类生成,因此是很安全的生产方法[2 ,6 ] 。密切关注绿色化学,参与绿色化学,应用绿色化学成果,将使漆包线绝缘漆行业充满生机,持续发展,造福人类。


绿色化学与漆包线绝缘漆的制造

楼南寿,  凌春华,  付金栋,  任 勇
(上海电缆研究所,上海200093)

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