費-托合成蠟的性質及應用展望

孫劍鋒，畢文卓，王詩語

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

費-托合成蠟的性質及應用展望

孫劍鋒，畢文卓，王詩語

（中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001）

結合費托合成工藝原理及現狀介紹了費-托合成蠟的生產過程及性質，并對不同廠家生產的費-托合成蠟的性質進行了分析比較，同時簡要介紹了費-托合成蠟的改性方式及改性后費-托合成蠟的性質。通過分析費-托合成蠟在不同行業的實際應用現狀，展望了費-托合成蠟的發展前景。

費托合成；費-托合成蠟；性質；應用

費托合成（Fischer-Tropsch synthesis）是由德國人費希爾和托羅普歇開發的采用氫和一氧化碳混合氣體在催化劑作用下合成烴和烴的含氧化合物的過程[1]。費托合成技術于1936年實現工業化，其后的發展起起伏伏。20世紀90年代以來，費托合成工藝及催化劑都取得了突破性的進展，為費-托合成蠟的生產提供了充足的原料。費-托合成蠟與石油蠟產品有較大的差異，所以對其利用應區別對待。

1 費-托合成蠟的生產及性質

1.1 費托合成工藝及現狀

費托合成主反應方程式為：

通過費托合成反應可以生產一系列烷烴和烯烴化合物，同時副產醇、醛、酮、酸等含氧化合物，因此需要精制才能得到合格油品和化工產品。

費托合成反應常用的催化劑主要有鐵、鈷兩大類，在反應中起到提高反應收率、降低副反應，并調節產品結構的作用。

具備工業化能力的費托合成路線有高溫及低溫兩種。高溫合成路線反應溫度高于300 ℃，一般采用流化床反應器，多用鐵基催化劑，可生產甲烷、液化氣、石腦油、柴油、烯烴、含氧化合物等多種產品。低溫合成路線反應溫度低于280 ℃，一般采用固定床或漿態床反應器，根據催化劑不同可分為鐵基和鈷基合成技術，可生產石腦油、柴油、潤滑油基礎油、費-托合成蠟等多種產品[2]。

從技術成熟度及可靠性而言，目前國外費托合成技術以Sasol、Shell、Exxon、BP的工藝較佳，其中 Sasol公司的技術水平和工業化程度處于領先地位。國內神華集團、潞安集團、伊泰集團、兗礦集團、金巢公司、中國石化等單位的中試裝置或工業示范裝置也實現了長周期運轉。

1.2 費-托合成蠟的生產及性質

費托合成產物中必然含有低碳數烴、高碳數烴和含氧化合物等組分，充分利用這些組分生產特種產品，如費-托合成蠟，可以顯著提高費托合成工廠的經濟效益。

1.2.1 普通費-托合成蠟的生產及性質

從費托合成工廠的實際生產情況可看出，費托合成所得產品不含硫、氮、芳烴等雜質，經精制容易達到很高的純度，可以滿足一些特殊的需求；同時低溫費托合成產物以正構烴為主且碳數分布從C2到C80以上，經加氫[3]、蒸餾[4,5]等過程即可生產出各種中熔點和高熔點費-托合成蠟產品，生產過程不使用苯系物質。中熔點費-托合成蠟原則上與石油蠟具有相同的應用領域，而高熔點費-托合成蠟由高分子量的長鏈正構烷烴和很小一部分帶有短支鏈的異構烷烴所組成，具有熔點高、粘度低、分子量分布較窄、硬度較大等特點，因此應用領域更廣泛。目前費-托合成蠟產品主要由Sasol和Shell公司生產。

Shell公司中熔點費-托合成蠟的商品名稱是Callista?，高熔點費-托合成蠟有Bareco SX-105等。Shell公司部分費-托合成蠟的性質如表1所示。

表1 Shell公司部分費-托合成蠟產品的性質Table 1 Properties of some Shell Fischer-Tropsch wax products

撫順石油化工研究院（FRIPP）以中國石化費托合成裝置的蠟油產物為原料，采用硫化態的FV-10催化劑進行加氫精制，再經分離制備費-托合成蠟，其部分費-托合成蠟產品性質如表2所示。FRIPP 的60#和70#費-托合成蠟產品滿足全精煉石蠟和食品包裝石蠟的技術要求。而在食品級要求方面，紫外吸光度實測數值遠低于目前食品用石蠟的技術要求。

表2 FRIPP部分費-托合成蠟產品的性質Table 2 Properties of some FRIPP Fischer-Tropsch wax products

1.2.2 改性費-托合成蠟的生產及性質

費-托合成蠟是非極性分子，結構與PE蠟相近，可以采用化學方法在費-托合成蠟分子中引入羧基，還可以進一步進行改性。

在費-托合成蠟分子中引入羧基可以通過氧化反應進行，也可以通過接枝酸、酸酐[6]等物質的方式進行。引入羧基可以改善費-托合成蠟溶解性能、可乳化性、顏料分散及潤滑性等物化特性，并使柔韌性得到改善。羧基化的蠟還可以通過酯化、酰胺化、皂化等化學方式進行改性，大大拓寬了產品的應用領域。

Sasol公司擁有8×104t/a的中熔點費-托合成蠟和7×104t/a的高熔點費-托合成蠟的產能，其費-托合成蠟產品包括不同分子量、不同形狀及各種改性物質。部分Sasol公司費-托合成蠟產品的性質如表3所示。德國贏創集團Degussa公司是全球主要的費-托合成蠟供應商之一，主要對進口的費托合成粗蠟進行加工和改性，該公司生產的Vestowax系列產品有廣泛的應用[5]。部分Vestowax產品的性質如表4所示。

表3 Sasol公司部分費-托合成蠟產品的性質Table 3 Properties of some Sasol Fischer-Tropsch wax products

2 費-托合成蠟的應用

在化學組成上，費-托合成蠟是具有少量甲基支鏈的飽和長鏈烷烴，常溫下化學性質穩定，幾乎不含有硫、氮、芳烴等雜質，可達到食品級要求，廣泛用于蠟燭、食品包裝涂層等日化行業，并且在許多高端應用領域已經取代石油蠟。

高熔點費-托合成蠟的分子量界于石蠟與塑料之間，分子量分布較窄，分子結構與石蠟、微晶蠟、聚烯烴等相似，因而易于與這些物質互溶，而與其它一些塑料（PVC、ABS等）互溶性差，因而可用作石蠟、微晶蠟的改性劑（提高滴點、硬度等），也可用作塑料的加工助劑（各種母粒、聚烯烴加工的內潤滑劑及PVC、ABS等加工的外潤滑劑）。

表4 Degussa公司部分Vestowax產品的性質Table 4 Properties of some Degussa Vestowax products

高熔點費-托合成蠟可溶于多種常規溶劑中，因而可用于一些溶劑型產品（如防銹蠟等）中；高熔點費-托合成蠟能形成致密的片狀結晶，硬度較大，因而可用于多種上光產品；同時由于其硬度較大且脆，容易粉碎，可制成有高結晶、高硬度、高軟化點特性的粒徑整齊的微粉，可用于油墨、涂料等。

在較高溫度下，費-托合成蠟也可以進行化學改性，由于引進了極性基團而得到更廣泛的應用，如PVC加工的內潤滑劑、各種乳液等。

2.1 日化行業

費-托合成蠟化學性質穩定，幾乎不含芳烴等雜質，可達到食品級要求，因而廣泛用于蠟燭和蠟筆、上光劑等日化行業。

2.1.1 蠟燭和蠟筆

中熔點費-托合成蠟的分子結構和性質與石蠟相近，可用于生產蠟燭。某些容器蠟燭產品需要加入油性物質或低熔點蠟以減少脫壁現象，如FRIPP的 60#等中熔點費-托合成蠟可用于蠟燭制造。同時，高熔點費-托合成蠟，如FRIPP的75#和100#等，可以改進蠟燭和蠟筆產品的硬度、持油性等性能；改性的高熔點費-托合成蠟，如Sasol公司的A1、Degussa公司的Vestowax J324等，由于引入極性基團，與染料及顏料互溶性更好，因而可以用于改進蠟燭和蠟筆產品的外觀。

我國各種蠟燭產量接近40×104t/a，是消費量最大的應用領域，也是中熔點費-托合成蠟的主要市場，預計未來幾年將保持現有市場規模。

2.1.2 食品及化妝品

費-托合成蠟作為食品及化妝品添加劑已通過美國食品及藥品管理局等多家機構的認證。中熔點費-托合成蠟，如Shell公司Callista 144，因其粘度低而適用于紙杯高速涂覆設備，可使產品具有良好的耐磨性。

高熔點費-托合成蠟可作為口香糖基材的添加劑；在彩妝制造領域，可作為彩妝分散劑、睫毛膏及眼線定型基礎材料、唇膏增硬劑等；在基礎護膚品領域，可作為化妝水和膏霜類產品的熔點調節劑。

2014年上半年我國化妝品零售收入886億元，同比增長10%，且極具發展潛力[6]。

2.1.3 上光劑

上光劑產品中使用費-托合成蠟可使形成的膜光澤高、硬度好以及拋光性好，如 FRIPP的 100#等；羧基化的費-托合成蠟，可以乳化，用于水基上光產品，可產生耐久且硬的高光澤蠟膜；皂化改性的費-托合成蠟除了可以產生高光澤、耐久的硬蠟膜外，還有很好的持油性，可用于油性上光產品。

截至2015年底，全國汽車保有量達1.72億輛，因此汽車上光蠟等上光劑產品具有良好的發展前景。

2.2 橡塑加工

高熔點費-托合成蠟可用作橡膠加工過程的外潤滑劑以及塑料加工過程的母料分散劑、塑料加工潤滑劑、木塑復合材料增容劑等。

2.2.1 橡膠、輪胎

在橡膠、輪胎加工等方面，蠟可用于擠出管等橡膠加工過程的外潤滑劑，也可作為產品使用時的物理防老劑。

高熔點費-托合成蠟在橡膠中添加量為 2%左右。2014年我國橡膠產品的表觀消費量為877.89×104t（其中合成橡膠產量為532.39×104t，同比增長10.04%；天然橡膠累計新增資源345.5×104t，同比增長4.3%）。

2.2.2 母粒分散劑

高熔點費-托合成蠟可以作為多種熱塑性樹脂的色母粒的分散劑和填充母料、降解母料的潤滑分散劑，其與塑料相容性和耐熱性好、混煉性好且容易粉碎、不影響終端制品的性能；起到對填料或顏料的粒子提供浸潤、分散、穩定作用。

2014年我國母粒產量保守估計已達100×104t以上[7]。按我國合成樹脂消耗量及塑料、化纖制品產量分析，色母粒需求應該在300×104t/a以上。隨著塑料制品的品質提升、化纖制品更多采用紡前著色工藝，我國色母粒行業仍有較大的發展空間[8]。高熔點費-托合成蠟在塑料用母料中的添加量為10%左右。過去幾年色母粒市場每年增長20%，預計未來幾年因為汽車工業的發展色母工業將會保持這個增速。

2.2.3 塑料加工潤滑劑

高熔點費-托合成蠟是塑料加工業中常用的助劑，因其粘度比塑料熔體低很多，可用作塑料熔體指數改性劑，并且由于其熱穩定性好，高溫下揮發性低，分散性好，所以能提高塑料加工的流動性，從而改善塑料加工性能。

潤滑劑的用途很廣，但主要用于硬質 PVC 方面。高熔點費-托合成蠟因結晶好、高線性，是非常有效的PVC外潤滑劑，常用的添加量為0.2%～1.0%。2014年我國聚氯乙烯產量達1 630×104t，2005年至2014年年均增長率達10.4%[9]。預計未來幾年下游的剛性需求依然會支撐國內 PVC保持10%左右的穩定增長。

高熔點費-托合成蠟也可作為聚烯烴加工過程中的潤滑劑。高熔點費-托合成蠟可以提高聚烯烴在注塑、擠出、配混及吹塑成型過程中的加工性能，且可提高脫模性能和表面光澤度，降低廢品率。

2014年我國聚乙烯和聚丙烯的表觀消費量達3 621.2×104t（其中聚乙烯表觀消費量為1 900.2× 104t，同比增長8%；聚丙烯表觀消費量為1 721× 104t，同比增長9%）。高熔點費-托合成蠟在聚烯烴加工過程中的添加量為1%～3%。

2.2.4 木塑復合材料增容劑

木塑復合材料（WPC）是利用木質纖維填料和熱塑性塑料為原料，經高溫混煉，再成型加工而制得的一種廉價的新型復合材料[10]。高熔點費-托合成蠟既可以改善加工性能，提高物料的流動性，又可以提高產品的外觀和內在質量。

2.3 熱熔膠

EVA熱熔膠是最重要的熱熔膠品種，通常用蠟作為粘度調節劑以降低熔體粘度，增強濕潤能力，防止涂布拉絲，提高作業性，防止粘連，改善粘接效果[11]。高熔點費-托合成蠟可用于要求耐高溫的熱熔膠產品中。

2013年我國熱熔膠產量達到56.8×104t，同比增長了 8.19%。預計未來幾年我國熱熔膠產量的年復合增長率將達到5%。熱熔膠中一般添加10%～30%的蠟。

2.4 油墨和涂料

高熔點費-托合成蠟以微粒狀粉末使用在油墨中，起到提高應用材料的抗刮、劃、沖擊的特性、提高滑動性、改進表面效果、防水等作用。應用于水性涂料、油性涂料及粉狀涂料時，可以起到起皺效果。在涂料和清漆中可以起到提高摩擦阻力、改善抗阻礙性、提高表面光滑度、提高平滑性和手感、增強表面光澤、避免金屬斑紋（卷材涂料）、提高耐水性、改進拋光能力的效果。

2014年我國油墨產量約為75×104t，同比增長約10%。蠟在油墨中添加量為1%～2%。2014年我國涂料總產量達1648.19×104t，同比增長7.9%[12]。蠟在涂料和清漆中添加量為0.5%～2.0%。預計未來幾年產量還將保持穩定增長。

3 費-托合成蠟的發展展望

目前全球蠟產品市場總需求量近400×104t/a，其中石油蠟約占 85%，包括費-托合成蠟在內的合成蠟約占12%。目前全球蠟產品市場供需基本保持平衡。

由于國際原油市場上以米納斯原油為代表的石蠟基原油產量不斷減少，同時北美及歐洲潤滑油產品因轉向生產高品質潤滑劑而關停I類基礎油裝置致使石油蠟的生產失去原料，導致全世界石油蠟產量從1998年的382×104t下降到2014年的330 ×104t。與此相對應的是，根據過去30年間的統計結果分析，全球蠟產品市場的需求一直穩定增長，預計在今后10年這種趨勢還將持續下去。根據上述供求關系可以預見：石油蠟供不應求的局面不可避免。這就為費-托合成蠟進入市場提供了絕好的機會，可以預計F-T合成蠟將成為蠟產品供應中逐漸增長的重要部分。

中熔點費-托合成蠟可用于蠟燭生產，我國各種蠟燭產量接近40×104t/a，是消費量最大的應用領域。

目前國內合成蠟的表觀消費量約為 17×104t/a，其中高熔點費托蠟的產量約為6×104t/a，聚烯烴蠟的產量約為8.6×104t/a，進口約0.8×104t/a的高熔點費托蠟和大約2×104t/a的聚烯烴蠟以滿足高端產品的需求。

近年來，我國經濟增長速度雖然減慢，但蠟產品需求量一直保持穩定的增長，預計未來幾年年均增速將達到 4%。在橡塑加工、熱熔膠、涂料和油墨等最主要終端應用領域的蠟產品需求量占表觀消費量近1/4，預計未來幾年年均增速可達9%，而蠟燭工業將基本持平，受此帶動，預計未來幾年我國對高熔點費-托合成蠟和聚烯烴合成蠟的需求量的增速將達到6%。

4 結束語

近年來我國費托合成工業發展很快，為費-托合成蠟的生產提供了較為充足的原料，目前高熔點費-托合成蠟的產品規模已達6×104t/a，并存在著8×104t/a的潛在市場容量以及良好的發展預期，因此我國費-托合成蠟具有良好的市場前景。但與Sasol公司等先進技術水平相比，目前國內產品還存在著品種少、質量差、產品標準不完善等問題，價格也只有進口產品的1/2甚至1/3。為此，應加大費托合成產品加氫精制催化劑及工藝、分離、化學改性、成型加工及專用產品的研發等方面的投入力度，盡快形成完整的產品體系和標準體系，為我國費-托合成蠟的發展提供堅實的支撐。

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Properties and Application Prospect of Fischer-Tropsch Wax

SUN Jian-feng，BI Wen-zhuo，WANG Shi-yu

（Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals, SINOPEC, Liaoning Fushun 113001, China）

Production process and properties of Fischer-Tropsch wax were introduced combined with the process principle and present situation of Fischer-Tropsch sysnthesis. The properties of Fischer-Tropsch wax of different manufacturers were analyzed and compared. Modification methods of Fischer-Tropsch wax and properties of modified Fischer-Tropsch wax were discussed. By analyzing the actual application status of Fischer-Tropsch wax in different industries, the development prospect of Fischer-Tropsch wax was forecasted.

Fischer-Tropsch synthesis; Fischer-Tropsch wax; properties; application

TE 624

A

1671-0460（2016）12-2884-05

中國石油化工集團公司資助項目，編號107035

2016-10-14

孫劍鋒（1970-），男，遼寧錦縣人，高級工程師，1992年畢業于大連理工大學高分子專業，研究方向：石油蠟生產工藝及特種蠟產品研發。E-mail：sunjianfeng.fshy@sinopec.com.cn。