中科院化学研究所董金勇研究员在《科学通报》第17期发表观点文章，从我国聚烯烃高性能化技术发展的现状与面临的挑战出发, 论述基于烯烃聚合反应新方法研究发展聚烯烃高性能化技术的重要性和可行性.

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以聚乙烯和聚丙烯为主(占整个聚烯烃消费量的90%以上)的聚烯烃是高分子材料的最大品种. 近年来, 随原料来源的不断丰富以及应用领域的不断扩展, 我国聚烯烃的产量和需求量不断增长, 产能也随之高速扩张. 目前, 我国已经是全球第一大聚烯烃生产国和消费国, 拥有世界上规模最大、工艺最全、原料多元化最突出的聚烯烃产业. 随着新型工业化、信息化、城镇化和农业现代化的深入推进和居民消费结构的不断升级, 我国聚烯烃市场和聚烯烃产业的发展前景仍然非常广阔. 然而, 由于工业技术水平与国外有较大差距, 我国聚烯烃产业存在较严重的结构不合理问题, 产能集中于中低端通用料, 而高端产品则严重依赖进口, 部分产品甚至存在生产空白. 同时, 大量快速增加的产能也使我国聚烯烃产业存在迫切的过剩风险. 为使聚烯烃产业良性、可持续发展, 加快发展聚烯烃高性能化技术成为行业共识.

1 我国聚烯烃高性能化技术发展的基础与不足

通过技术引进和自主发展相结合, 我国聚烯烃工业目前在工艺装置和催化剂技术方面都取得了长足的进步, 为聚烯烃高性能化技术发展提供了保障. 我国建设有世界上种类最全的烯烃聚合工艺装置.

同时, 我国聚烯烃工业在工艺装置和催化剂技术方面的不足, 也构成了现阶段发展聚烯烃高性能化技术的主要挑战.

虽然装置多、技术多样, 但这些装置和技术主要用于通用料的生产.

在催化剂方面, 虽然我国在Ziegler-Natta催化剂技术上存在优势, 但在茂金属催化剂技术上则全面落后.

2 基于烯烃聚合反应新方法研究发展聚烯烃高性能化技术的重要性

为缩小差距、逐渐赶上世界先进聚烯烃工业技术发展水平, 并在未来实现引领, 需要在聚烯烃工艺和催化剂技术研究方面长期不断地投入与积累.

对于现阶段我国聚烯烃高性能化技术的发展, 更应重视烯烃聚合反应新方法的研究, 从而能够充分利用现有的聚烯烃工业聚合工艺和催化剂技术基础, 快速推进聚烯烃高性能化技术发展进程.

3 基于烯烃聚合反应新方法研究发展聚烯烃高性能化技术的可行性

本课题组长期致力于以聚烯烃高性能化为导向的烯烃配位聚合反应机理和反应新方法的研究. 近年来, 我们以含二氯硅烷基团的α,ω-双烯烃和α-烯烃为功能聚合助剂, 发展了同步/原位交联烯烃聚合(Simultaneous/In-Situ Crosslink-ing Olefin Polymerization, S/ICOP)技术. 该技术通过在烯烃聚合过程中同步/原位使部分聚合物链两两相连产生H型长链支化结构, 使两类一般认为必须依靠特殊(catalloy)聚合工艺技术或新型催化剂(茂金属)技术才能够制备的高性能聚烯烃树脂, 通过Ziegler-Natta催化剂和通用聚合工艺被成功制备, 为基于烯烃聚合反应新方法研究发展聚烯烃高性能化技术提供了可行性.

S/ICOP技术所开发的第一类高性能聚烯烃为聚烯烃热塑性弹性体(Thermo-Plastic polyOlefin elastomer, TPO), 这是一种聚丙烯与乙丙橡胶等聚烯烃橡胶的合金材料.

S/ICOP技术用取代α,ω-双烯烃作为功能聚合助剂, 使乙丙橡胶大分子链在聚合过程中同步产生H型长链支化结构, 从而实现聚合过程中乙丙橡胶黏弹性的同步控制, 使高橡胶相含量得以在普通的抗冲共聚工艺中实现.

S//ICOP技术制备聚烯烃热塑性弹性体原理

S/ICOP技术开发的另一类高性能聚烯烃为长链支化聚丙烯(LCB-PP).

针对长链支化聚丙烯, S/ICOP技术使用含二氯硅烷基团的α-烯烃作为功能聚合助剂, 通过共聚合-原位水解连续反应使聚丙烯链两两结合, 突破了Ziegler-Natta催化剂不能在丙烯聚合过程中产生长链支化结构的局限, 使我国拥有了独特的基于Ziegler-Natta催化剂的长链支化聚丙烯制备技术.

S/ICOP技术制备长链支化聚丙烯树脂

聚烯烃热塑性弹性体和长链支化聚丙烯两类高性能聚烯烃树脂直接聚合制备技术的成功开发, 是通过烯烃聚合反应方法创新以弥补聚合工艺技术和催化剂技术不足的典型案例, 对我国现阶段发展聚烯烃高性能化技术具有重要的引领作用. 同时, S/ICOP技术具有高度可扩展性, 并不仅仅局限于上述两类树脂的开发.

S/ICOP技术未来发展一览

4 总结与展望

为加快解决我国聚烯烃产业结构不合理和可持续发展问题, 聚烯烃高性能化技术的发展须三管齐下, 在注重聚合工艺和催化剂技术发展的同时, 应加强烯烃聚合反应新方法的研究, 探索独立于聚合工艺和催化剂技术发展之外的聚烯烃高性能化技术发展新路径. 作为对该理念的实践, S/ICOP技术基于我国成熟的Ziegler-Natta催化剂和通用聚合工艺分别发展出聚烯烃热塑性弹性体与长链支化聚丙烯的有效制备方法, 并均已实现了工业化应用, 为新发展路线提供了可行性. 未来, 通过不断创新功能聚合助剂分子结构, S/ICOP技术还将在基于茂金属催化剂的新一代高端聚烯烃领域发挥作用, 创新材料品种、制备方法和制备工艺, 推动我国聚烯烃高性能化技术不断向前发展.

作者简介

董金勇

中国科学院化学研究所研究员, 中国科学院大学岗位教授. 研究方向为烯烃配位聚合与聚烯烃高性能化.

原文信息

董金勇. 聚合新方法研究对我国聚烯烃高性能化技术发展的重要性和可行性. 科学通报, 2022, 67: 1863–1869

Dong J Y. Necessity and feasibility of new polymerization methodology research for China’s high-performance polyolefin technology development (in Chinese). Chin Sci Bull, 2022, 67: 1863–1869

https://doi.org/10.1360/TB-2022-0130

本文收录于"香山科学会议专栏”-“新阶段聚烯烃的困境与高端突破机制专题”

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