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科技创新擦亮高性能合成橡胶品牌

作者:张长军 | 作者单位:中国石油天然气股份有限公司石油化工研究院

我国新能源汽车产业带来的高性能轮胎和密封、减震等橡胶制品业的快速发展,对高性能橡胶基础材料需求的不断升级,成为我国合成橡胶产业高质量发展的首要任务。我国合成橡胶工业虽然形成相对完备的产业体系,但是自主创新能力不强,在生产技术水平、产品牌号、产品性能、知识产权保护等方面与国外存在较大差距。

中国石油化工研究院(简称石化院)践行集团公司科技自立自强、绿色低碳的发展战略,持续加大在高性能合成橡胶领域的科技攻关力度,着力构建橡胶新材料研发体系,不断打造高性能合成橡胶品牌,引领合成橡胶产业的快速高质量发展。

从突破到引领,推动溶聚丁苯橡胶产业快速发展

溶聚丁苯橡胶(SSBR)具有抗湿滑性好、滚动阻力低等特点,是高性能绿色轮胎的首选用胶之一,但其核心制备以及加工应用技术一直被国外垄断。2009年中国石油引进国外技术建立了国内首套以轮胎牌号为主的SSBR生产装置,但牌号为非环保产品,同时缺乏与之配套的轮胎加工应用技术,装置开车初期10万吨/年的产能年销量仅有三千吨,严重影响了装置经济效益。石化院和独山子石化技术人员通过走访客户,充分了解其需求,发挥产学研用一体化优势,共同开发了环保型充油溶聚丁苯橡胶SSBR2557S、2564S新产品,同时配合低膨胀系数胎面配方、低温连续混炼等加工技术,实现了国产SSBR在轮胎行业的大规模应用,使中国石油10万吨/年SSBR装置达产全销。SSBR环保化产品及加工应用技术开发,填补了国内空白,对我国轮胎等级提升、发展绿色轮胎、节约能源和保护环境等方面起到了积极作用。

没有创新就没有发展,在SSBR环保化基础上,石化院和独山子石化瞄准了SSBR产品的系列化和差异化。针对不同轮胎厂家、不同类型轮胎对SSBR产品需求的不同,聚力破解高端产品性能领先“密码”,自主开发了不同苯乙烯/乙烯基匹配控制和序列结构精确调控技术,先后实现了SSBR3840S、SSBR1550S、SSBR1040、SSBR 2557TH等系列产品的工业化开发,经下游轮胎企业应用,产品性能均达到同类进口产品水平。至此,中国石油实现了SSBR产品的系列化和差异化,增强了市场竞争力,国内轮胎市场占有率超过50%。

特别是2017年以来,中国石油牵头承担了国家重点研发计划项目“高性能合成橡胶产业化关键技术”,针对国内官能化SSBR全部依赖进口的局面,石化院和高校、企业合作,建立起一个覆盖整个产业链的创新团队。团队从基础研究做起,建立了官能化SSBR合成方法平台。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,开发了官能化SSBR工业化技术,完成了3.5万吨/年产业化示范,填补了国内空白,技术和产品达到国际先进水平。产品在国内知名轮胎企业完成轮胎生产应用示范,制备的轮胎经欧盟专业机构测定,表征节油性能的滚动阻力达到A级,表征安全性能的抗湿滑性达到B级,较普通国产轮胎提高2—3个等级。统计显示,滚动阻力每降低10%,汽车油耗减少0.15L/100km,这对于机动车降低油耗、节能减排有着非常重要的意义。此外,B级轮胎的抗湿滑性能较D、E级轮胎提高15%以上,刹车距离缩短15%以上,可大幅度减少交通事故的发生。官能化产品已被下游轮胎厂家接受,年消费量1万吨,全面支撑了国内轮胎企业的产业升级及国产轮胎的质量提升。

官能化SSBR技术开发打破了国外技术及产品垄断,成果被中国石油推荐为国资委“十八大以来重大成就”,入选了科技部、发改委等部门联合组织的首届“国企发现和发明论坛”参展项目、国资委《中央企业科技创新成果产品手册(2022版)》,以及中国石油和化学工业联合会发布的“2021年度化工新材料创新产品”。

打造环保化、定制化平台,推动丁腈橡胶产品升级

丁腈橡胶是七大通用合成橡胶品种的特殊胶种,具有极好的耐油性、卓越的耐磨性、耐溶剂性和耐热性,主要用于制作耐油橡胶制品、改性剂、粘合剂等,广泛用于石油化工、航空航天、电线电缆等国民经济和国防化工领域,是国家战略性物资。中国石油作为国内第一块丁腈橡胶诞生地,是丁腈橡胶科创排头兵,也是丁腈橡胶生产领域的国家队,在支撑关键基础材料自主自强、保障国家战略物资安全方面发挥着重要作用。

欧盟REACH法规对橡胶制品中壬基酚(NP)和壬基酚聚氧乙烯基醚(NPEO)含量提出了小于1000mg/kg的要求,限制了国产丁腈橡胶制品的出口。石化院与兰州石化联合攻关,开发了高性能丁腈橡胶环保化技术,并实现NBR3308E、NBR N41E及宽温域发泡用NBR2808、低温密封用NBR2805G、高压胶管用NBR3306G等新产品规模化稳定生产,丰富了中国石油丁腈橡胶产品结构,满足用户的多样化需求,大幅度地提高市场地位和行业知名度。

石化院与兰州石化紧密合作,快速推动关键领域用精细化系列特种丁腈橡胶产业化发展,对国防军工用关键材料的自主可控意义重大。面对宽温域航空航天、宽频阻尼、极端使役工况等不同应用场景的特种丁腈橡胶全部依赖进口的窘境,自2018年起,科研人员深入研究应用—材料—分子结构的关系,开展了特种丁腈橡胶关键技术攻关。攻克了第三代水声阻尼材料“卡脖子”技术,开发出宽温域耐介质、宽频率减震降噪性能优异的阻尼用特种丁腈橡胶NBR25D产品。针对石油开采、油气输送等领域对耐油、耐溶剂、耐热的较高要求,开发出耐热性、弹性和耐油性均衡且易于加工的NBR4105高腈体系产品。针对航空、冰箱异型管、高原铁路等应用领域对耐寒、低温曲挠和回弹性要求较高的特点,开发了耐低温低腈丁腈橡胶工程化技术及NBR1906产品。同时完成了高腈NBR4105和低腈NBR1906产品在钻井泵易损件领域的配方及成型工艺研究,制品现场试验平均寿命远超技术指标,取得市场准入资质,当年即获得1000件订单,为钻采装备自主化提供有力的技术和产品支持。

多元共聚特种丁腈橡胶助推关键材料自主自强

多元共聚改性是未来丁腈橡胶升级迭代的重要方向之一。石化院历经多年攻关,突破了含羧、含酯等功能单体改性丁腈橡胶的工程化技术,掌握了多元共聚功能单体含量稳定调控、高转化率下聚合物低凝胶、粘性胶乳后处理等关键核心技术。羧基丁腈橡胶XNBR3304在兰州石化3.5万吨/年特种丁腈橡胶装置上成功实现工业化,是“第一块”国产化羧基丁腈橡胶。酯基丁腈橡胶ANBR1985、ANBR1350、ANBR2150及ANBR2550共四个牌号实现工程化稳定制备,制作的型号材料已通过多批次工艺评审或装机评审。多元共聚改性丁腈橡胶技术的开发将引领国内NBR研发向官能化、高端化、定制化转变,推动我国在丁腈橡胶技术领域从“跟跑”,向“并跑”,未来实现“领跑”的跨越式发展。

开发自主成套技术,支撑公司合成橡胶业务发展

合成橡胶领域要做大做强,擦亮自主名片,必须要有自主成套技术。石化院技术人员以“一群人、一辈子、一件事,只为做更好的合成橡胶”为理念,把创新驱动放在首要位置,加强技术攻关,加快成果转化,在产品开发及工业试验基础上,开发了具有自主知识产权的12万吨/年溶聚丁苯橡胶成套技术,5万吨/年丁腈橡胶、3.5万吨/年特种丁腈橡胶成套技术,20万吨/年乳聚丁苯橡胶无磷制备成套技术,3万吨/年集成橡胶成套技术,3万吨/年丁戊橡胶成套技术,5万吨/年SEBS成套技术等系列化成套技术,并在中国石油兰州石化,广西石化,抚顺石化等实现应用。

石化院还积极承担国资委合成橡胶领域原创技术策源地、国家重点研发计划项目等一批国家重点科技项目并先后落地,实现了将一流技术转化为一流产品的目标,弥补了制约国产轮胎产业升级急需的基础材料短板,对推动我国高性能合成橡胶生产、高性能轮胎制造领域的技术进步和产业结构优化升级作出了重要贡献。

标准制定助力可持续发展

标准是确保合成橡胶产品质量、安全和可持续发展的关键因素。石化院坚持“创新技术化—技术标准化—标准国际化”的总体思路,推动标准化与科技创新的一体化融合发展。

胸怀“国之大者”,积极推动国际标准工作。长期以来,少数发达国家把国际标准竞争作为贸易竞争、产业竞争、经济竞争、国家竞争的制高点,竭尽全力推动本国标准上升为国际标准,千方百计争夺国际标准主导权和“话语权”,使得其他发展中国家或地区在很多产业只能无奈地留在国际分工链条的末端和附属地位上。石化院科研人员牢记国家队、排头兵的初心使命,践行国家战略,克服了专业、技术、语言等重重困难,积极开展国际标准研究,用担当作为当好“顶梁柱”。主导的ISO 2322:2023《乳液和溶液聚合型苯乙烯—丁二烯橡胶(SBR)评价方法》、ISO 3136:2023《橡胶胶乳 苯乙烯—丁二烯结合苯乙烯含量的测定》、ISO 3900:2023《橡胶丁腈胶乳 结合丙烯腈含量的测定》等9项国际标准先后获得发布,在合成橡胶领域实现了标准从跟跑到主导的跨越发展,提升了中国在合成橡胶国际标准领域的话语权和影响力。中国合成橡胶领域首个制定的国际标准ISO 247—2:2018“橡胶灰分的测定 第2部分:热重分析法(TGA)”,使橡胶灰分检测时间由6小时以上缩短至40分钟,推动了全球橡胶灰分检测技术进步,荣获2018年集团公司“十大科技进展”,标准项目首次获此项荣誉。

心系“企之要情”,践行以人民为中心的绿色发展理念。为加快实施合成橡胶行业绿色转型战略,瞄准绿色低碳发展方向,制定了包括SH/T 1840—2023《充油苯乙烯—丁二烯橡胶(SBR)中多环芳烃含量的测定气相色谱—质谱法》、SH/T 1830—2020《丙烯腈—丁二烯橡胶中壬基酚含量的测定气相色谱法—质谱法》、SH/T 1831—2020《丙烯腈—丁二烯橡胶中游离丙烯腈含量的测定顶空气相色谱法》等在内的国家或行业标准10余项,涉及合成橡胶中多环芳烃、壬基酚、游离丙烯腈、N—亚硝基胺化合物等有毒有害高度关注物质限量检测;制定绿色工厂、绿色设计产品标准5项。通过标准的支撑实现中国石油在绿色低碳发展行业的引领,促进合成橡胶绿色转型和高质量发展。

标准物质/样品是确保文字标准应用效果在不同时间、空间的一致性的实物标准,石化院在开展文字标准研究的同时,积极推动实物标准的联动发展。研制的国家标准样品GSB 05—3267—2015《丁二烯橡胶评价用环烷基操作油标准样品》,首次替代美国103#油并在国内得到了广泛应用;研制的GBW(E)130397等9个门尼黏度国家标准物质,涵盖丁二烯橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶、溴化丁基橡胶、乙丙橡胶、异戊橡胶等六大胶种,形成了在ML(1+4)100℃条件下的标称值分别为42.4、45.6、49.3、52.2、63.3、76.2、76.6、81.9、86.6系列国家标准物质,构建了门尼粘度国家标准物质体系。作为分析测量行业中的“量具”,在校准测量仪器设备、评价测量分析方法以及在生产过程中产品的质量控制等领域发挥了不可或缺的作用。

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2024年, 第5期
刊出日期:2024.05
单月刊,1984年创刊
主管单位:中国石油天然气集团有限公司
主办单位:中国石油企业协会 中国石油企业协会海洋石油分会
国际标准刊号:ISSN 1672-4267
国内统一刊号:CN11-5023/F
国外发行代号:M1803
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