橡膠被譽為“黑色黃金”。優(yōu)質(zhì)天然橡膠是航空航天、交通運輸、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。但我國天然橡膠產(chǎn)量極少，性能較低，遠不能滿足市場需求。因此，研發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的合成橡膠品種，并加速實現(xiàn)其規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，使我國從耗膠大國向橡膠工業(yè)生產(chǎn)強國轉(zhuǎn)變意義重大。基于此，由中國科學院長春應用化學研究所開發(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用”獲得了第24屆中國專利優(yōu)秀獎。
開發(fā)稀土異戊橡膠替代天然膠
據(jù)長春應化所白晨曦研究員介紹，我國每年的天然橡膠產(chǎn)能較低，遠不能滿足行業(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，可應用于輪胎、膠帶、膠管等領(lǐng)域。
“很長一段時間，在合成橡膠膠種中，我國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。其動態(tài)力學性能甚至優(yōu)于天然橡膠，可部分甚至全部替代天然橡膠。
作為我國最早開展合成橡膠研發(fā)的單位之一，從上世紀50年代起，長春應化所就開始進行合成橡膠的研發(fā)和生產(chǎn)。1950年，新中國第一塊合成橡膠——氯丁橡膠就誕生于此。經(jīng)過多年積累，長春應化所在該領(lǐng)域已經(jīng)取得了多項重大成就，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。此次獲獎的專利技術(shù)就是由白晨曦團隊研發(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隊創(chuàng)新的多項技術(shù)。研究團隊從橡膠合成方法學基本原理出發(fā)，提出了雙烯烴配位聚合機理的新思路，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)。
研究團隊從上百種配體中篩選出價格低廉、易得的配體，開發(fā)出高效催化體系，可以實現(xiàn)分子序列的精準調(diào)控，提高聚合物的選擇性。最終，研究團隊成功搭建催化體系，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)團隊一方面要攻克提高催化效率的基礎(chǔ)科學問題，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。在實踐中，研究團隊從實驗室、小試、中試到產(chǎn)業(yè)化，再到市場開發(fā)和售后服務，集高分子化學、化學工程、儀表設(shè)計等各領(lǐng)域人才之長，成功研制出10萬噸級工藝包，實現(xiàn)了和設(shè)計院的無縫對接。
“我們就像在無人之地奔跑，有目標，路卻需要自己走。”白晨曦在談及催化劑的研究過程時說。
不斷迭代加快落地轉(zhuǎn)化
在落地轉(zhuǎn)化中，長春應化所堅持產(chǎn)學研合作，以市場需求為導向，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷迭代。
長春應化所和山東神馳石化有限公司合作推進該項專利技術(shù)的工業(yè)化進程。采用該項專利技術(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)國家橡膠輪胎質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，其磨耗性能、強度、耐久性均達到國標要求，高負荷下輪胎仍保持完好，可以實現(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，研究團隊又相繼開發(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5萬噸級基礎(chǔ)設(shè)計工藝包。