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突破与挑战:稀土异戊橡胶项目的科研路

发布时间:2019-12-31 20:09    点击次数:78次   

  作为橡胶中心的研究人员,毕吉福与张春雨“超爱”这里的原因很简单:所学有所用,所用为国强。面向“创新2020”,长春应化所凝练出“一三五”规划,橡胶中心这支团队承担了“三大突破”之一的合成天然橡胶——稀土异戊橡胶项目。

  毕吉福和张春雨除了每天工作8小时之外,大部分业余时间也总是在高性能合成橡胶工程技术中心(以下简称橡胶中心)的实验室中继续工作。他们说,科研已经成为一种兴趣。

  从外观来看,红顶、白墙的橡胶中心实验楼颇为朴素。即使进入楼内,这里也显得极其普通,在外人眼中实难发现乐趣:只有两层高的实验楼里,每层被分割成多个小间,每一间中摆满了各类仪器设备,一些实验室的“拥挤”程度甚至让人感到一转身就会碰到身旁的人。

  作为橡胶中心的研究人员,毕吉福与张春雨“超爱”这里的原因很简单:所学有所用,所用为国强。其实,这早已成为由中国科学院长春应用化学研究所(以下简称长春应化所)研究员张学全所带领的橡胶中心团队的核心思想。

  面向“创新2020”,长春应化所凝练出“一三五”规划,橡胶中心这支团队承担了“三大突破”之一的合成天然橡胶——稀土异戊橡胶项目。

  据了解,合成天然橡胶——稀土异戊橡胶项目目前已取得创新进展:该团队已研究出新型稀土催化体系和具有自主知识产权的工业化成套生产技术;建成了单线产能最大、能耗物耗最低、节能环保优化的3万吨生产线,产品质量等关键指标超过俄罗斯同类产品水平。

  短短几句话,展现给我们的不仅是领先国际的技术,更是一幅庞大的工业生产画面:在不改变轮胎生产配方和工艺的条件下,已经采用稀土异戊橡胶产品替代50份天然橡胶应用于全钢载重子午线轮胎实际生产中。这离不开长春应化所最拿手的催化剂。

  上世纪50年代,该研究所研制出新中国第一块合成橡胶——氯丁橡胶,从此吹响我国在合成橡胶领域研发的号角。

  至上世纪60~80年代,研究所主导了过渡金属配位聚合催化剂,并与国内相关科研院所和企业合力攻关,开拓出具有我国自主知识产权的镍系顺丁橡胶工业化成套生产技术,实现镍系顺丁橡胶大规模产业化,并荣获国家科技进步奖特等奖。

  无论是理论研究的不断拓展,还是成果应用实践的成功,都源自研究人员长期的心血积累。催化剂技术更需要不断创新,并非一代技术就能包打天下。

  但让科研人员倍感惋惜的是,不少企业付几百万元拿走研究成果并建成生产装置,却以安全为由拒绝更新催化剂技术。“老一代科学家都退休了,也没等到更新产品的面市。”

  我国天然橡胶资源匮乏,随着汽车和轮胎工业的发展,自给率越来越低,目前不足四分之一,年进口量近300万吨。天然橡胶过度依赖进口已成为国家安全和经济发展的不安定因素。因此,解决天然橡胶的替代问题,实现国家战略资源的自给是实现国家长治久安的根本途径。

  面对国家重大战略需求与“研究团队要想生存就必须谋生路”的现实压力,张学全和团队逐渐明晰发展思路,找到催化剂应用的蓝海:加速开发具有我国自主知识产权,低成本、大规模、高性能、绿色环保的稀土异戊橡胶。

  在国际上,率先实现稀土异戊橡胶规模产业化的国家是俄罗斯,并以20%替代天然橡胶进入我国市场。而我国稀土异戊橡胶产业化虽已起步,但产品质量、能耗、物耗与国外尚有差距。

  异戊橡胶具有与天然橡胶相似的分子结构。其中,以稀土催化剂配位催化合成的稀土异戊橡胶与天然橡胶结构和综合性能最为接近,因此被称为“合成天然橡胶”。这是替代天然橡胶最理想的大品种合成橡胶,也是我国大品种通用橡胶唯一未实现大规模产业化的胶种。

  第一,稀土催化剂活性较低,催化剂成本较高,致使生产成本缺乏竞争优势;第二,缺乏根据稀土催化剂和稀土异戊橡胶特点对聚合、凝聚和后处理工艺进行系统有针对性的研究,照搬镍系顺丁橡胶生产工艺,致使生产过程能耗、物耗偏高;第三,缺乏对产品的微观结构、分子量及其分布的有效控制手段,致使产品性能与天然橡胶相比差距较大。

  因此,橡胶中心团队将创新新一代催化剂体系作为解决三大瓶颈的重中之重和推进稀土异戊橡胶产业化进程的关键突破口。研究人员通过改变催化剂的组成和配制方式,攻克了稀土催化活性低、稀土元素利用率低、催化体系的非均相和多活性中心等关键科学问题。

  同时,橡胶中心团队在稀土催化剂创新这一关系规模产业化全局的核心技术上取得重大突破:成功开发出高活性、高顺式定向性、分子量及其分布可控的稀土催化体系,超过目前国际最高水平,大幅降低了催化剂成本,为加速我国稀土异戊橡胶的规模产业化奠定了重要基础。

  据中国橡胶工业协会检测中心评价结果显示:该稀土异戊橡胶产品硫化速率与天然橡胶同步,解决了国内外异戊橡胶硫化速率较天然橡胶滞后,天然橡胶的替代率难以提高的问题,替代率由20%提高至50%;其基本性能超过国外同类产品(俄罗斯稀土异戊橡胶SKI-5)水平,是国内外应用性能最接近天然橡胶的异戊橡胶。

  毕吉福开展的科研项目是催化剂合成和聚合技术。“虽然目前异戊橡胶已经产业化,但我们必须继续做催化剂改进,要不断提高产品质量,同时还要降低能耗、物耗和生产成本。”他说。

  这也是张学全向团队不断强调的事情,因为这正是橡胶中心的立足之本。要好上更好,难度不小。“每次设计的实验都要求是新的,要有新观点。”毕吉福说。

  张春雨正在攻关的是异戊二烯单体合成技术。单体是用来合成天然橡胶的原料,更直白的解释是“做异戊橡胶轮胎原料的原料”。

  目前,国内大部分单体多通过碳五分离、石油裂解等方式来获取,但总产量并不大。而异戊橡胶实现大规模生产,解决天然橡胶过度依赖进口的问题,就必须保证单体的供应量。“推进下游必先推进上游技术攻关,这也是橡胶中心确定的战略之一。”张春雨说。

  这正是:磨刀不误砍柴工。无论是以上“点与线”的布局,还是在更大规模、更高层次上实现我国稀土异戊橡胶工业化,橡胶中心磨好技术攻关的“刀刃”,并将一步步地应用在产业化阵地上。

  “注重发挥技术源头优势,着力协同创新。”张学全表示。一方面,橡胶中心将巩固基础优势和技术创新,着力10万吨/年稀土异戊橡胶成套生产工艺技术的创新突破,加速形成实现20万吨/年以上的生产能力。

  另一方面,团队将聚焦进一步降低生产成本,大幅提升国际核心竞争力的目标,加速稀土异戊橡胶单体规模产业化关键技术的突破和成套核心技术的形成,实现我国从合成橡胶大国走向合成橡胶强国之梦。

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