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4种关键橡胶材料打破依赖——高性能合成橡胶产业化关键技术开发纪实

日期: 2023-01-17
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来源:中国化工报 


日前,由中国石油牵头承担的“高性能合成橡胶产业化关键技术”通过了项目综合绩效评价。该项目在胎面胶、气密层、胎侧胶、硫化胶囊制造工艺及配方等方面取得重大技术突破,实现了4个胶种的产业化生产及在轮胎中集成应用示范,打破了我国高性能轮胎制造对国外高端基础橡胶原材料和先进加工技术的依赖。这将有力推动我国合成橡胶与轮胎行业实现由大到强的转型升级,重构中国轮胎产业链的高质量发展底座。

抱团创新联合攻关

我国是世界合成橡胶和轮胎的第一产销大国。2017年我国合成橡胶产量达355万吨,占全球产量的23.6%,但高端产品需要进口,年进口量达136.5万吨。

造成这一局面的主要因素是高端轮胎用胶制造工艺复杂,技术开发难度大。这影响了整个国产高端轮胎产业与合成橡胶产业的技术进步和高质量发展。

2017年10月30日,“高性能合成橡胶产业化关键技术”项目启动会暨实施方案咨询审议会在北京召开,吹响了国内合成橡胶及轮胎产业链转型跨越的“冲锋号”。

作为牵头单位,中国石油将这项艰巨的任务交给了石油化工研究院兰州化工研究中心主任龚光碧。从项目申报阶段开始,龚光碧就围绕项目要求,把着眼点放在事关产业核心竞争力、整体自主创新能力和国家产业安全的重大科学技术问题上。中国石油联合清华大学、同济大学、大连理工大学、中国科学院长春应化所、怡维怡橡胶研究院、赛轮(东营)轮胎股份有限公司、浙江信汇新材料股份有限公司7家国内橡胶领域一流的高校、研究院所、企业,依托高分子物理与化学国家重点实验室、国家橡胶与轮胎工程技术研究中心等5个国家级平台,建立起一个覆盖整个产业链的创新团队。

“科研团队要克服门户之见,集众家所长、全国之力,通过自主创新,在国内构建起一个能够持续性支撑和引领产业发展的技术平台,并通过技术进步提升中国制造的产品竞争力,为合成橡胶和轮胎行业打造出一个健康的产业‘生态圈’。”龚光碧如是说。要在规定的时间里完成开发和应用,就必须打破常规,加快科研开发、技术更新和成果速度,缩短从科研到技术再到市场的推进周期。

针对时间紧、任务重、参加单位多、组织协调难度大的情况,项目团队按照基础前沿、重大共性关键技术到应用示范进行全链条设计,坚持一体化组织实施的原则,采取产学研用协同攻关整体推进的方式,制订出一整套实施与解决方案。

四大方向齐驱并进

“高性能合成橡胶产业化关键技术”项目共有4个课题。项目实施以后,各合作单位和人员,针对项目起点高、理论创新难度大等困难,全力支持项目的进行,塑造了一个又一个“奋斗者”的美丽风景。

就“星型支化丁基/溴化丁基橡胶技术和关键设备”课题来说,在技术带头人魏绪玲、燕鹏华与北京石油化工学院伍一波老师的带领下,课题组通过理论创新,采用阴离子聚合方法,开发了支化位点结构与数量可控、软段—硬段相结合、兼具接枝和淤浆稳定功能的支化剂,攻克了“原位接枝”法制备星型支化丁基橡胶的技术难题,与浙江信汇新材料股份有限公司任纪文专家团队共同设计建设了国内首套丁基橡胶工业侧线装置,为星型支化丁基橡胶新技术、新产品产业化落地提供了平台支撑。

针对丁基橡胶溴化过程涉及的高黏度、大混合比、强腐蚀性等极端工况,清华大学骆广生教授团队系统研究了微通道内“高黏度—大流量比”混合体系的基本规律,设计并优化了十字型和微筛孔混合结构,提出了微混合单元一维几何放大和二维数量集成的设计方法,以及聚四氟乙烯微结构和涂层组合的防腐方法,创制了体积小、安全可靠、维护成本低的丁基橡胶溴化、中和工业微反应器。同时,他们完成了丁基橡胶溴化微反应技术的产业化示范,创制了国际上首套万吨级溴化丁基橡胶微化工生产系统,溴素利用率达93%,产品质量达到国际高端产品水平,开创了微化工技术在合成橡胶领域大规模产业化应用的先河。

近年来,汽车产业转型对轮胎基础材料提升提出了新要求,特别是燃油车向新能源车转型,需要官能化溶聚丁苯橡胶,而国内所用全部依赖进口。为了尽快实现该产品的自主可控,“官能化溶聚丁苯橡胶”课题组多方案并举,从基础研究做起,建立了官能化溶聚丁苯橡胶合成方法平台。他们开发出官能化引发剂制备核心技术,解决了传统官能化引发剂在烃溶剂中溶解性差、引发效率低、稳定性差等问题,在独山子石化溶聚丁苯橡胶生产装置完成官能化溶聚丁苯橡胶工业试验,生产出107吨工业产品,产品性能达到国外同类产品技术水平,填补国内空白。

“窄分布支化稀土顺丁橡胶”是项目需要开发的另外一个高端产品。2018年5月,课题组在独山子石化开展中试研究。经过长春应化所、独山子石化、石化院团队艰苦攻关,课题组开发了羧酸钕类单一活性中心稀土催化剂,使催化剂活性提高20%以上,聚合转化率提高到99%以上,实现了窄分布支化稀土顺丁橡胶3.2万吨/年生产示范,形成了稳定的工业生产技术,产品性能超过国外同类产品水平。

“双B级轮胎及长寿命胶囊的产业化示范”课题组长李波与怡维怡橡胶研究院、赛轮集团研究人员,通过研究官能化溶聚丁苯橡胶、稀土顺丁橡胶及白炭黑对滚动阻力性能和抗湿滑性能的影响规律,提出了高性能轮胎胎面胶配方设计基本原则。他们结合课题团队开发的湿法混炼、低温一次法混炼、电子辐照预硫化等一整套轮胎制造工艺,实现了轮胎抗湿滑性能、滚动阻力的调控。

他们还开发了3个胶种在高性能轮胎中的集成应用技术,制备的轮胎滚动阻力/抗湿滑性能达到欧盟轮胎标签法A/B级,比国内现有轮胎提升2~3个等级。丁基橡胶制备的硫化胶囊使用次数超过600次,比国内现有平均450次提高38%以上。

实现若干重大突破

“高性能合成橡胶产业化关键技术”项目的完成,不但推进了国内高性能合成橡胶材料的发展以及我国轮胎行业的技术进步与产业升级,提高了国产轮胎在国际市场的竞争力,而且抓住了合成橡胶行业高质量发展的“牛鼻子”,促进了我国向橡胶工业强国的跨越,推动了国家“双碳”目标的落地。

该项目的完成,使我国在胎面胶、气密层、胎侧胶、硫化胶囊制造工艺及配方等方面形成新的重大技术突破,生产出国家急需的核心材料,实现了4个胶种的产业化生产及在轮胎中集成应用示范。截至目前,该项目实现理论创新与突破4项,关键技术突破3项,完成6个创新产品,取得关键装备创新3项,申请国家发明专利32件,发表论文26篇,制修订标准6项。

该项目自主开发的高性能合成橡胶基础材料的集成应用示范,打破了我国高端轮胎制造对国外高端基础橡胶原材料和先进加工技术的依赖,使我国轮胎用高性能合成橡胶基础材料平均占比提高约15%。轮胎滚动阻力达到A级,轮胎抗湿滑性能达到B级,每年减少二氧化碳排放约3770万吨。



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