橡膠被譽(yù)為“黑色黃金”。優(yōu)質(zhì)天然橡膠是航空航天、交通運(yùn)輸、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)原材料和戰(zhàn)略資源之一，具有不可替代的地位。但我國(guó)天然橡膠產(chǎn)量極少，性能較低，遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。因此，研發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的合成橡膠品種，并加速實(shí)現(xiàn)其規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，使我國(guó)從耗膠大國(guó)向橡膠工業(yè)生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變意義重大。基于此，由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所開發(fā)的專利技術(shù)“一種稀土催化劑的制備方法及其在雙烯烴聚合和共聚合中的應(yīng)用”獲得了第24屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。
開發(fā)稀土異戊橡膠替代天然膠
據(jù)長(zhǎng)春應(yīng)化所白晨曦研究員介紹，我國(guó)每年的天然橡膠產(chǎn)能較低，遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)需求。稀土異戊橡膠因其分子結(jié)構(gòu)及性能與天然橡膠最為接近，又稱“人工合成天然橡膠”，是合成橡膠中能夠替代天然橡膠綜合性能最好的膠種，可應(yīng)用于輪胎、膠帶、膠管等領(lǐng)域。
“很長(zhǎng)一段時(shí)間，在合成橡膠膠種中，我國(guó)稀土異戊橡膠的工業(yè)化生產(chǎn)屬于空白。”白晨曦表示，稀土異戊橡膠具有許多與天然橡膠類似的特性，如優(yōu)良的彈性、耐磨性、耐熱性和抗撕裂性等。其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能甚至優(yōu)于天然橡膠，可部分甚至全部替代天然橡膠。
作為我國(guó)最早開展合成橡膠研發(fā)的單位之一，從上世紀(jì)50年代起，長(zhǎng)春應(yīng)化所就開始進(jìn)行合成橡膠的研發(fā)和生產(chǎn)。1950年，新中國(guó)第一塊合成橡膠——氯丁橡膠就誕生于此。經(jīng)過多年積累，長(zhǎng)春應(yīng)化所在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了多項(xiàng)重大成就，相繼開發(fā)了適合生產(chǎn)不同合成橡膠品種的多代稀土催化劑產(chǎn)品。此次獲獎(jiǎng)的專利技術(shù)就是由白晨曦團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第五代稀土催化劑。
構(gòu)建稀土催化體系和制備新技術(shù)
第五代催化劑產(chǎn)品采用了白晨曦研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新的多項(xiàng)技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)從橡膠合成方法學(xué)基本原理出發(fā)，提出了雙烯烴配位聚合機(jī)理的新思路，建立了新型可控配位可逆鏈穿梭聚合新方法，發(fā)明了“陽離子稀土催化體系—烯醛氣相化學(xué)法合成異戊二烯單體—新型可控配位聚合—高性能稀土異戊橡膠”的全鏈條制備新技術(shù)。
研究團(tuán)隊(duì)從上百種配體中篩選出價(jià)格低廉、易得的配體，開發(fā)出高效催化體系，可以實(shí)現(xiàn)分子序列的精準(zhǔn)調(diào)控，提高聚合物的選擇性。最終，研究團(tuán)隊(duì)成功搭建催化體系，并高效合成多種橡膠，如天然橡膠的替代品——稀土異戊橡膠、汽車綠色輪胎的必用橡膠——稀土順丁橡膠、高寒地帶必用的耐低溫橡膠——稀土丁異戊橡膠。
據(jù)白晨曦介紹，該催化體系搭建中遇到了重重難題，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一方面要攻克提高催化效率的基礎(chǔ)科學(xué)問題，先后嘗試了助催化劑的選擇、催化劑位阻和電子云的調(diào)控等不同方式。另一方面還要打通科技成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”，即工藝全流程、解決工程化的問題。在實(shí)踐中，研究團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)室、小試、中試到產(chǎn)業(yè)化，再到市場(chǎng)開發(fā)和售后服務(wù)，集高分子化學(xué)、化學(xué)工程、儀表設(shè)計(jì)等各領(lǐng)域人才之長(zhǎng)，成功研制出10萬噸級(jí)工藝包，實(shí)現(xiàn)了和設(shè)計(jì)院的無縫對(duì)接。
“我們就像在無人之地奔跑，有目標(biāo)，路卻需要自己走。”白晨曦在談及催化劑的研究過程時(shí)說。
不斷迭代加快落地轉(zhuǎn)化
在落地轉(zhuǎn)化中，長(zhǎng)春應(yīng)化所堅(jiān)持產(chǎn)學(xué)研合作，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷迭代。
長(zhǎng)春應(yīng)化所和山東神馳石化有限公司合作推進(jìn)該項(xiàng)專利技術(shù)的工業(yè)化進(jìn)程。采用該項(xiàng)專利技術(shù)，山東神馳石化有限公司建設(shè)的3萬噸/年稀土異戊橡膠生產(chǎn)裝置，實(shí)現(xiàn)了投料試車一次成功。利用稀土異戊橡膠試制的全鋼載重子午線樣胎經(jīng)國(guó)家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，其磨耗性能、強(qiáng)度、耐久性均達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，高負(fù)荷下輪胎仍保持完好，可以實(shí)現(xiàn)稀土異戊橡膠100%替代天然橡膠用于高性能全鋼載重子午線輪胎的生產(chǎn)。
利用該專利技術(shù)開發(fā)的稀土催化體系和聚合方法，研究團(tuán)隊(duì)又相繼開發(fā)了仿生橡膠、耐低溫丁異戊橡膠、稀土順丁橡膠、醫(yī)用異戊膠乳、液體聚丁二烯橡膠和液體聚異戊二烯橡膠等，制作的橡膠制品應(yīng)用于航空輪胎、新能源汽車輪胎、非充氣輪胎、生物醫(yī)用材料、黏合劑等領(lǐng)域。其中，稀土順丁橡膠作為綠色輪胎必用膠種之一，已經(jīng)形成5萬噸級(jí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工藝包。