高端合成橡膠材料實現(xiàn)“中國造”

日前，由中國石油天然氣股份有限公司牽頭承擔(dān)的“高性能合成橡膠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”順利通過了項目綜合績效評價。該項目是“十三五”期間合成橡膠領(lǐng)域唯一的產(chǎn)業(yè)化國家項目，實現(xiàn)了4個膠種的產(chǎn)業(yè)化示范及在輪胎中集成應(yīng)用示范；實現(xiàn)理論創(chuàng)新與突破4項，關(guān)鍵技術(shù)突破3項，完成6個創(chuàng)新產(chǎn)品，取得關(guān)鍵裝備創(chuàng)新3項，申請國家發(fā)明專利32件。自主開發(fā)高性能合成橡膠基礎(chǔ)材料的集成應(yīng)用示范，將有力推動我國合成橡膠與輪胎行業(yè)實現(xiàn)由大到強的轉(zhuǎn)型升級。

一、抱團創(chuàng)新聯(lián)合攻關(guān)

我國是世界合成橡膠和輪胎的第一產(chǎn)銷大國，但大而不強。以2017年為例，當(dāng)時我國合成橡膠產(chǎn)量達355萬噸，占全球產(chǎn)量的23.6%，七大膠種都可生產(chǎn)，但主要集中在中低端產(chǎn)品，高端產(chǎn)品需要大量進口，年進口量高達136.5萬噸。我國一半以上合成橡膠用于輪胎制造，2017年，世界輪胎產(chǎn)量約為22億條，而我國產(chǎn)量占28.9%。根據(jù)歐美“輪胎標(biāo)簽法”，對輪胎滾動阻力和抗?jié)窕阅馨磧?yōu)劣分為a～e級，而國產(chǎn)輪胎多集中在d級及以下。

制約我國輪胎產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個重要瓶頸是自主創(chuàng)新不足。經(jīng)過70年的奮斗，我國輪胎用膠取得了長足進步，但高端輪胎用膠尚需進口。造成這一局面的主要因素是高端輪胎用膠制造工藝復(fù)雜，技術(shù)開發(fā)難度大。進口高端輪胎用膠不僅價格高，且供貨周期長，造成國產(chǎn)高端輪胎售價高，市場競爭力差，從而影響了整個國產(chǎn)高端輪胎產(chǎn)業(yè)與合成橡膠產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步和高質(zhì)量發(fā)展。

2017年10月30日，“高性能合成橡膠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項目啟動會暨實施方案咨詢審議會在北京召開，吹響了國內(nèi)合成橡膠及輪胎產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)型跨越的“沖鋒號”。為了搶抓機遇，履行央企責(zé)任，中國石油科技管理部將這項艱巨的任務(wù)交給了石油化工研究院蘭州化工研究中心主任龔光碧。從項目申報階段開始，作為國內(nèi)知名的合成橡膠技術(shù)專家，龔光碧就圍繞項目要求，把著眼點放在事關(guān)產(chǎn)業(yè)核心競爭力、整體自主創(chuàng)新能力和國家產(chǎn)業(yè)安全的重大科學(xué)技術(shù)問題上。龔光碧對國內(nèi)合成橡膠和輪胎產(chǎn)業(yè)的研發(fā)力量進行了整合，聯(lián)合清華大學(xué)、同濟大學(xué)、大連理工大學(xué)、中國科學(xué)院長春應(yīng)化所、怡維怡橡膠研究院、賽輪（東營）輪胎股份有限公司、浙江信匯新材料股份有限公司等7家國內(nèi)橡膠領(lǐng)域一流的高校、研究院所、企業(yè)，依托高分子物理與化學(xué)國家重點實驗室、國家橡膠與輪胎工程技術(shù)研究中心等5個國家級平臺，建立起一個覆蓋整個產(chǎn)業(yè)鏈的創(chuàng)新團隊。

“科研團隊要克服門戶之見，集眾家所長，集全國之力，通過自主創(chuàng)新，在國內(nèi)構(gòu)建起一個能夠持續(xù)性支撐和引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)平臺，并通過技術(shù)進步提升中國制造的產(chǎn)品競爭力，為合成橡膠和輪胎行業(yè)打造出一個健康的產(chǎn)業(yè)‘生態(tài)圈’”龔光碧如是說。要在規(guī)定的時間里完成開發(fā)和應(yīng)用，就必須打破常規(guī)，加快科研開發(fā)、技術(shù)更新和成果轉(zhuǎn)化效率，縮短從“科研”到“技術(shù)”到“市場”的推進周期。龔光碧帶領(lǐng)團隊骨干連續(xù)出差3個多月，一方面與項目合作單位共商項目推進事宜，制訂“時間表”，拿出“路線圖”；另一方面，按照項目的要求，制訂了完善的管理制度和檢查考核標(biāo)準(zhǔn)，同時督促合作單位按照項目的要求，逐項自查，逐項落實。針對時間緊、任務(wù)重、參加單位多、組織協(xié)調(diào)難度大的情況，項目團隊按照基礎(chǔ)前沿、重大共性關(guān)鍵技術(shù)到應(yīng)用示范進行全鏈條設(shè)計、一體化組織實施的原則，采取產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同攻關(guān)整體推進的方式，制訂出具體的一整套實施與解決方案。

二、四大方向齊驅(qū)并進

“高性能合成橡膠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項目共有4個課題。項目實施以后，各合作單位和人員，針對項目起點高、理論創(chuàng)新難度大等問題，克服疫情、地域限制和家庭困難，調(diào)整正常的生產(chǎn)計劃，全力支持項目的進行，塑造了一個又一個“奮斗者”的美麗風(fēng)景。

以“星型支化丁基/溴化丁基橡膠技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備”課題為例，中國石油處于無基礎(chǔ)狀態(tài)，要想從無到有，難度可想而知。在技術(shù)帶頭人魏緒玲、燕鵬華與北京石油化工學(xué)院伍一波老師的帶領(lǐng)下，從基礎(chǔ)研究做起，通過理論創(chuàng)新，采用陰離子聚合方法，開發(fā)了支化位點結(jié)構(gòu)與數(shù)量可控、軟段—硬段相結(jié)合、兼具接枝和淤漿穩(wěn)定功能的支化劑，攻克了“原位接枝”法制備星型支化丁基橡膠的技術(shù)難題。與浙江信匯新材料股份有限公司任紀(jì)文專家團隊共同設(shè)計建設(shè)了國內(nèi)首套丁基橡膠工業(yè)側(cè)線裝置，為星型支化丁基橡膠新技術(shù)、新產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化落地提供了平臺支撐。

針對丁基橡膠溴化過程涉及的“高黏度、大混合比、強腐蝕性”等極端工況，清華大學(xué)駱廣生教授帶領(lǐng)團隊系統(tǒng)研究了微通道內(nèi)“高黏度—大流量比”混合體系的基本規(guī)律，設(shè)計并優(yōu)化了十字型和微篩孔混合結(jié)構(gòu)，提出了微混合單元一維幾何放大和二維數(shù)量集成的設(shè)計方法，以及聚四氟乙烯微結(jié)構(gòu)和涂層組合的防腐方法，成功創(chuàng)制了體積小、安全可靠、維護成本低的丁基橡膠溴化、中和工業(yè)微反應(yīng)器。同時完成了丁基橡膠溴化微反應(yīng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化示范，創(chuàng)制了國際上首套萬噸級溴化丁基橡膠微化工生產(chǎn)系統(tǒng)，溴素利用率達93%，產(chǎn)品質(zhì)量達到國際高端產(chǎn)品水平，開創(chuàng)了微化工技術(shù)在合成橡膠領(lǐng)域大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的先河，整體技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。

近年來，汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型對輪胎基礎(chǔ)材料提出了新的要求，特別是燃油車到新能源車的轉(zhuǎn)型，這就需要官能化溶聚丁苯橡膠，而國內(nèi)所用全部依賴進口。為了盡快實現(xiàn)該產(chǎn)品的自主可控，“官能化溶聚丁苯橡膠”課題組多方案并舉，從基礎(chǔ)研究做起，建立了官能化溶聚丁苯橡膠合成方法平臺。2019年9月，“官能化溶聚丁苯橡膠”課題組在獨山子石化公司進行中試。為了確保項目的整體進展，課題組長董靜與3位技術(shù)人員連續(xù)出差3個多月。與獨山子石化公司楊廣明、韓艷、閆蓉等團隊成員。一起每天要工作15個小時以上，半夜才能回賓館休息。由于廠區(qū)與賓館距離遠(yuǎn)，又沒有路燈，經(jīng)常打不到車，為了克服恐懼心理，大家只能大聲唱著歌，步行一個多小時回賓館。說起那段經(jīng)歷，董靜笑著說：“三個月體重減了30斤！”。經(jīng)過共同努力，課題組開發(fā)出官能化引發(fā)劑制備核心技術(shù)，解決了傳統(tǒng)官能化引發(fā)劑在烴溶劑中溶解性差、引發(fā)效率低、穩(wěn)定性差等問題，并在中國石油獨山子石化溶聚丁苯橡膠生產(chǎn)裝置完成官能化溶聚丁苯橡膠工業(yè)試驗，生產(chǎn)107噸工業(yè)產(chǎn)品，產(chǎn)品性能達到國外同類產(chǎn)品技術(shù)水平，填補國內(nèi)空白。

“窄分布支化稀土順丁橡膠”是項目需要開發(fā)的另外一個高端產(chǎn)品。2018年5月，課題組在獨山子石化開展中試研究。此時，中國科學(xué)院長春應(yīng)化所畢吉福研究員女兒剛剛出生，為了工作，他把愛人和孩子托付給同事，與張學(xué)全和胡雁鳴研究員共同趕赴新疆，克服家庭困難，拼搏在科研一線。經(jīng)過長春應(yīng)化所、獨山子石化、石化院團隊艱苦攻關(guān)，課題組開發(fā)了羧酸釹類單一活性中心稀土催化劑，使催化劑活性提高20%以上，聚合轉(zhuǎn)化率提高到99%以上，實現(xiàn)了窄分布支化稀土順丁橡膠3.2萬噸/年生產(chǎn)示范，形成了穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，產(chǎn)品性能超過國外同類產(chǎn)品水平。

“雙b級輪胎及長壽命膠囊的產(chǎn)業(yè)化示范”課題組長李波與怡維怡橡膠研究院、賽輪集團同事，通過研究官能化溶聚丁苯橡膠、稀土順丁橡膠及白炭黑對滾動阻力性能和抗?jié)窕阅艿挠绊懸?guī)律，提出了高性能輪胎胎面膠配方設(shè)計基本原則。結(jié)合課題團隊開發(fā)的濕法混煉、低溫一次法混煉、電子輻照預(yù)硫化等一整套輪胎制造工藝，實現(xiàn)了輪胎抗?jié)窕阅?、滾動阻力的調(diào)控。開發(fā)了3個膠種在高性能輪胎中的集成應(yīng)用技術(shù)，制備的輪胎滾動阻力/抗?jié)窕阅苓_到歐盟輪胎標(biāo)簽法a/b級，比國內(nèi)現(xiàn)有輪胎提升2~3個等級。丁基橡膠制備的硫化膠囊使用次數(shù)超過600次，比國內(nèi)現(xiàn)有平均450次提高38%以上。

三、實現(xiàn)若干重大突破

“高性能合成橡膠產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項目的完成，不但推進了國內(nèi)高性能合成橡膠材料的發(fā)展以及我國輪胎行業(yè)的技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)升級，提高了國產(chǎn)輪胎在國際市場的競爭力，而且抓住了合成橡膠行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的“牛鼻子”，促進了我國向橡膠工業(yè)強國的跨越，推動了國家“雙碳”戰(zhàn)略的落地。

該項目的完成，使我國在胎面膠、氣密層、胎側(cè)膠、硫化膠囊及制造工藝及配方等方面形成新的重大技術(shù)突破，生產(chǎn)出國家急需的核心材料，實現(xiàn)了4個膠種的產(chǎn)業(yè)化示范及在輪胎中集成應(yīng)用示范。目前國內(nèi)4個膠種進口量14萬噸/年，若實現(xiàn)進口替代，預(yù)計可實現(xiàn)橡膠材料產(chǎn)值13.35億元，利潤2.67億元。高性能輪胎按每條600元，新增利潤20元計算，100萬條輪胎可增加企業(yè)產(chǎn)值6億元，利潤2000萬元。按目前我國約5億條輪胎產(chǎn)量，若輪胎行業(yè)1/4的企業(yè)采用該技術(shù)，產(chǎn)值可達750億元，增加利潤25億元。

該項目實現(xiàn)理論創(chuàng)新與突破4項，關(guān)鍵技術(shù)突破3項，完成6個創(chuàng)新產(chǎn)品，取得關(guān)鍵裝備創(chuàng)新3項，申請國家發(fā)明專利32件，發(fā)表論文26篇，制修訂標(biāo)準(zhǔn)6項，其中國家標(biāo)準(zhǔn)3項，推動了我國合成橡膠及輪胎產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力與水平的極大提升。有效增強了國產(chǎn)輪胎的安全性、經(jīng)濟性、環(huán)保性和耐用性，不但解決了輪胎行業(yè)的技術(shù)“瓶頸”，也拉動了上游合成橡膠產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，達到了通過重大關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新，實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)鏈系統(tǒng)突破的目的，重構(gòu)了產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的底座，為國產(chǎn)輪胎進軍全球高端市場打下了堅實的材料基礎(chǔ)，提供了有力的技術(shù)保障。

自主開發(fā)高性能合成橡膠基礎(chǔ)材料的集成應(yīng)用示范，打破了我國高端輪胎制造對國外高端基礎(chǔ)橡膠原材料和先進加工技術(shù)的依賴，我國輪胎用高性能合成橡膠基礎(chǔ)材料平均占比將提高約15%。輪胎滾動阻力達到a級，與c級輪胎相比，按照燃油車每車每年行駛1萬公里計算，節(jié)油約54升，全國每年可節(jié)油約156.6億升；co2減排約0.13噸，每年減少co2排放約3770萬噸。輪胎抗?jié)窕阅苓_到b級，與e、f級對比，在濕滑路面的抓地能力提升，剎車距離可縮短10%，切實保障了人民的生命和財產(chǎn)安全。通過項目實施，在國內(nèi)建起一個比肩國際的一流技術(shù)平臺，為國家培養(yǎng)了一支在合成橡膠基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵核心裝備、先進工程技術(shù)及輪胎加工制造等領(lǐng)域的戰(zhàn)略創(chuàng)新團隊。其中一個團隊被授予中國石油“先進基層黨組織”“科技創(chuàng)新團隊”；培育出兩個“原創(chuàng)技術(shù)策源地”；有25名同志被授予“青年長江學(xué)者”“侯德榜化工科學(xué)技術(shù)獎”“石化聯(lián)合會行業(yè)先進個人”“山東省泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才”“甘肅省領(lǐng)軍人才（第一層次）”“新疆維吾爾自治區(qū)勞動模范”“大連市科技之星”“企業(yè)青年科技英才”“技術(shù)型管理人才”；培養(yǎng)企業(yè)技術(shù)專家3人、高級工程師10人、科研骨干16人，培養(yǎng)博士后3人，碩士、博士研究生40余人。