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橡胶自给之路上的“金钥匙”——记中国专利优秀奖“一种稀土催化剂的制备方法及其在双烯烃聚合和共聚合中的应用”
发布时间:2023-09-20

       橡胶被誉为“黑色黄金”。优质天然橡胶是航空航天、交通运输、医疗卫生等领域重要的基础原材料和战略资源之一,具有不可替代的地位。但我国天然橡胶产量极少,性能较低,远不能满足市场需求。因此,研发出具有我国自主知识产权的合成橡胶品种,并加速实现其规模产业化,使我国从耗胶大国向橡胶工业生产强国转变意义重大。基于此,由中国科学院长春应用化学研究所开发的专利技术“一种稀土催化剂的制备方法及其在双烯烃聚合和共聚合中的应用”获得了第24届中国专利优秀奖。

  开发稀土异戊橡胶替代天然胶

  据长春应化所白晨曦研究员介绍,我国每年的天然橡胶产能较低,远不能满足行业需求。稀土异戊橡胶因其分子结构及性能与天然橡胶最为接近,又称“人工合成天然橡胶”,是合成橡胶中能够替代天然橡胶综合性能最好的胶种,可应用于轮胎、胶带、胶管等领域。

  “很长一段时间,在合成橡胶胶种中,我国稀土异戊橡胶的工业化生产属于空白。”白晨曦表示,稀土异戊橡胶具有许多与天然橡胶类似的特性,如优良的弹性、耐磨性、耐热性和抗撕裂性等。其动态力学性能甚至优于天然橡胶,可部分甚至全部替代天然橡胶。

  作为我国最早开展合成橡胶研发的单位之一,从上世纪50年代起,长春应化所就开始进行合成橡胶的研发和生产。1950年,新中国第一块合成橡胶——氯丁橡胶就诞生于此。经过多年积累,长春应化所在该领域已经取得了多项重大成就,相继开发了适合生产不同合成橡胶品种的多代稀土催化剂产品。此次获奖的专利技术就是由白晨曦团队研发的第五代稀土催化剂。

  构建稀土催化体系和制备新技术

  第五代催化剂产品采用了白晨曦研究团队创新的多项技术。研究团队从橡胶合成方法学基本原理出发,提出了双烯烃配位聚合机理的新思路,建立了新型可控配位可逆链穿梭聚合新方法,发明了“阳离子稀土催化体系—烯醛气相化学法合成异戊二烯单体—新型可控配位聚合—高性能稀土异戊橡胶”的全链条制备新技术。

  研究团队从上百种配体中筛选出价格低廉、易得的配体,开发出高效催化体系,可以实现分子序列的精准调控,提高聚合物的选择性。最终,研究团队成功搭建催化体系,并高效合成多种橡胶,如天然橡胶的替代品——稀土异戊橡胶、汽车绿色轮胎的必用橡胶——稀土顺丁橡胶、高寒地带必用的耐低温橡胶——稀土丁异戊橡胶。

  据白晨曦介绍,该催化体系搭建中遇到了重重难题,研发团队一方面要攻克提高催化效率的基础科学问题,先后尝试了助催化剂的选择、催化剂位阻和电子云的调控等不同方式。另一方面还要打通科技成果转化“最后一公里”,即工艺全流程、解决工程化的问题。在实践中,研究团队从实验室、小试、中试到产业化,再到市场开发和售后服务,集高分子化学、化学工程、仪表设计等各领域人才之长,成功研制出10万吨级工艺包,实现了和设计院的无缝对接。

  “我们就像在无人之地奔跑,有目标,路却需要自己走。”白晨曦在谈及催化剂的研究过程时说。

  不断迭代加快落地转化

  在落地转化中,长春应化所坚持产学研合作,以市场需求为导向,根据产业发展不断迭代。

  长春应化所和山东神驰石化有限公司合作推进该项专利技术的工业化进程。采用该项专利技术,山东神驰石化有限公司建设的3万吨/年稀土异戊橡胶生产装置,实现了投料试车一次成功。利用稀土异戊橡胶试制的全钢载重子午线样胎经国家橡胶轮胎质量监督检验中心检测,其磨耗性能、强度、耐久性均达到国标要求,高负荷下轮胎仍保持完好,可以实现稀土异戊橡胶100%替代天然橡胶用于高性能全钢载重子午线轮胎的生产。

  利用该专利技术开发的稀土催化体系和聚合方法,研究团队又相继开发了仿生橡胶、耐低温丁异戊橡胶、稀土顺丁橡胶、医用异戊胶乳、液体聚丁二烯橡胶和液体聚异戊二烯橡胶等,制作的橡胶制品应用于航空轮胎、新能源汽车轮胎、非充气轮胎、生物医用材料、黏合剂等领域。其中,稀土顺丁橡胶作为绿色轮胎必用胶种之一,已经形成5万吨级基础设计工艺包。