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高分子材料和聚烯烃产业的创新机遇.资讯

2022-08-04 来源:商丘机械信息网

高分子材料和聚烯烃产业的创新机遇

中国石化提出了打造世界领先洁净能源化工公司的愿景目标,构建一基两翼三新产业格局,实施世界领先发展方略。一个领先公司,应该拥有大批原创技术和产品。中国石化能否在高分子材料产业领域开发出有全球影响力的原创技术?以史为鉴,我们试图从高分子材料科学和产业发展的历史中找到答案。

高分子材料循环发展中的创新机遇

1920年,德国著名化学家赫尔曼施陶丁格(Hermann Staudinger)发表了题为《论聚合》的论文,提出高分子的概念,高分子科学由此诞生。随后的100年间,共有8位高分子科学家获得5次诺贝尔奖,高分子材料产业也在科学研究的推动下在1970年之前创造了聚合物世界。包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯(PS)五大家族在内的塑料、橡胶和纤维等数十种高分子材料,均实现了大规模产业化,被称为高分子材料产业的第一次革命。之后,高分子材料科学和技术鲜有使人类受益的重大突破。

1997年,海洋中的塑料漂浮物对环境的破坏被发现和报道,这严重影响了高分子材料产业的发展,成为高分子材料行业面临的最大挑战。目前,高分子材料科学和产业的第二次革命正在兴起。这次革命将使高分子材料产业进入循环经济模式,为我们实现跨越式发展,成为领先的合成材料生产商提供了机遇。

高分子材料的循环发展,包括生物循环和技术循环两种模式。

生物循环是指可降解的生物基高分子材料在使用后降解为二氧化碳和水,再通过光合作用转化为可制备高分子材料的生物质。令人遗憾的是,相关材料的科学和技术问题尚未得到解决。聚乳酸等生物基高分子由于玻璃化温度太高,难以在自然环境下降解,只能在60摄氏度堆肥条件下降解,无法大规模应用,不是解决白色污染的根本之道;PBAT和PBST等低玻璃化温度的材料可以在25摄氏度堆肥条件下降解,但难以采用生物基单体制备,且力学性能差和成本高的问题使其应用受限。这些科学和技术的挑战正是我们实现跨越式发展的机遇。中国石化在可降解高分子材料方面已进行多年的研究,有一定技术积累,应继续进行基础研究和技术开发,争取率先开发出性能优异、在非堆肥条件下可降解的生物基高分子材料,成为该领域的技术领先者。

技术循环主要指回收利用,包括物理回用和化学回用两个发展方向。世界大型高分子材料公司普遍将技术循环作为解决白色污染的主要方式。

物理循环是指将同一类高分子材料回收后重新加工利用,是目前广泛应用的一种方式,该方法回收量不到高分子材料消费量的9%,需要开发更先进的技术。面对多组分高分子材料回收时遇到的分类困难难题,中国石化北京化工研究院在相容剂方面进行了一些创新性探索,希望在高分子制品回用时解决多种组分高分子材料的相容性问题,使废旧高分子材料回收时不分类,且回收材料的力学性能不降反升。我们发明了一种新的聚合物接枝方法,称之为高温固相接枝法。采用该方法,可在微波作用下,使马来酸酐接枝到聚丙烯上,制备出马来酸或马来酸钠接枝聚丙烯。实验结果显示接枝物的机械强度和热性能均优于接枝前的聚丙烯。结构表征结果表明,制备的接枝聚丙烯是一种高熔体强度极性聚丙烯。这类树脂作为特殊的相容剂,可应用于具有多组分制品的直接回收利用中。利用固相接枝法在聚丙烯微孔中接枝,还可以制成超亲水材料,应用于水利工程和凉水塔等方面有望大幅度减少水的蒸发;超亲水聚丙烯制品还可以用胶水实现粘结;聚丙烯超亲水中空纤维也有望用于制作污水处理用超滤膜。

化学回用是将废旧高分子材料降解为单体,再聚合成新的高分子材料,是高分子材料循环发展的未来。化学回用主要包括两个发展方向,高温降解和催化降解。传统高温降解在800摄氏度以下进行,只能得到油品,经济上不合理。催化降解可以在较低温度下将高分子材料降解为单体,但反应条件十分苛刻,还没有达到可工业化的程度。我们发明的微波辅助热解法在无氧化条件下可以将高分子材料加热到1000摄氏度以上,使之在非催化条件下降解为单体,有很好的工业化前景。经过对聚烯烃材料、棕榈油、废塑料油以及多种危废品进行微波热解,均得到了以乙烯、丙烯为主的混合气体。该方法还适用于秸秆、树枝等废弃生物质的高温裂解,可以得到富氢合成气,该气体可以制备碳氢化合物或甲醇,进一步制烯烃后聚合可得到高分子材料。可以设想,在乙烯裂解装置前增加微波裂解系统,就可以把目前传统的石油化工或煤化工变为废旧塑料回收或生物化工装置,可以实现变废为宝,形成新的生物循环。

催化技术是中国石化的优势领域,我们在废旧高分子材料化学回收方面取得重大突破的希望很大。一旦废旧高分子材料化学回用取得突破性进展,化石基高分子材料将迎来新的发展机遇。

聚烯烃产业仍存在许多创新机遇

目前,全球聚烯烃消费量近2亿吨,已占到塑料消费量的71%、三大合成材料消费量的52%。我国的聚烯烃产业发展很快,已成为世界最大的生产国和消费国,中国石化也已成为全球最大的聚烯烃生产商,产能即将超过2000万吨。因此,持续强化聚烯烃的创新对中国石化的发展至关重要。

中国石化已对聚烯烃的核心技术和关键科学问题进行了深入的研究,取得了一批创新成果。在聚丙烯方面还开发出了低可溶出物透明聚丙烯树脂、高熔体强度抗冲聚丙烯树脂、耐高击穿电压膜用聚丙烯树脂、抗菌防霉聚丙烯树脂等一批原始创新产品。目前,我国聚丙烯对外依存度不到18%,但聚乙烯进口量仍超40%,一些关键技术仍依赖进口,许多高性能产品还没有实现国产化。其中,部分高压聚乙烯产品和POE等溶液聚合产品完全依赖进口。因此,在聚乙烯技术和产品的创新方面中国石化有很多创新机遇。

回顾聚烯烃产业的发展历程可以深切地体会到,对于原创发明,加工应用、工艺开发必不可少。1931年,聚异丁烯(PIB)实现商业化,由此揭开聚烯烃的发展历史。聚乙烯从发明、工业化到商业化的过程颇为曲折,在杜邦、英国帝国化学工业集团(ICI)、联碳等多家公司的努力下,通过技术开发、工艺开发、加工应用等方面的突破后,高压聚乙烯率先实现了工业化。随后,低压聚乙烯和线性低密度聚乙烯也相继实现工业化。

放眼当前的聚烯烃领域,可从三方面谋求创新机遇。

第一是通过颠覆性创新实现国产化。主要包括用沉淀聚合替代溶液聚合,实现POE(乙烯辛烯共聚物)、超高分子量聚乙烯、萨林(乙烯与丙烯酸盐的共聚物)等的工业化;用低压聚合替代高压聚合,实现特种EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)、EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)、萨林(乙烯-不饱和酯共聚物)等的工业化;聚丙烯木材等的制备和应用。

第二是研究开发高端合成树脂产品。重点之一是聚烯烃的工程塑料,主要有PMP(聚4甲基1戊烯)、COP(热固性环烯烃聚合物)、COC(环烯烃共聚物)和萨林等4类材料。重点之二是将中国石化已拥有原创技术的产品做强做大,例如尼龙6、PET工程塑料等。

第三是通过合作将中国石化已有研发基础的新材料商业化。主要包括三方面,一是马来酸酐与烯烃的共聚微球;二是对尼龙6进行结构创新,扩大尼龙6的应用领域,例如农用大棚膜、食品包装膜等方面;三是通过协同创新,降低人造木材的成本,研发超亲水聚丙烯材料、软质透明医用聚丙烯、抗病毒聚丙烯无纺布、超高压聚丙烯电缆料等,防止聚丙烯产能过剩。

需要特别强调的是,高分子新材料开发是一个包含结构性能表征、小试、中试、加工、工业应用试验、市场开发等多环节的工作链,技术创新需要高分子物理、催化、工艺、加工应用等多学科的协同配合,必须建立团队文化和相应的管理机制才能有越来越多的原始创新成果,实现跨越式发展。

(中国石化杂志)

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