编者按 化工新材料是世界化工强国和跨国公司竞争的战略高地之一。我国新材料产业市场规模到2035年有望超过2万亿元，是支撑国民经济高速增长和高质量发展的重要引擎之一。在近日召开的2024石化产业发展大会上，中国石油和化学工业联合会发布了2023年度化工新材料创新产品名单，遴选出化工新材料领域在近年来取得创新突破的20项产品。这些产品的攻关突围过程少则延续数十年，多则凝结着几代科研人的青春与热血。
从今日起推出《2023化工新材料创新产品巡礼》系列报道，遴选此次入选的部分产品，通过讲述这些创新产品的攻关过程与核心价值，鼓励更多的创新型科研企业“问征夫以前路”、更多的科研人员骨干力量“知来者之可追”，以更大的勇气和毅力迎接化工新材料的创新潮头，一起面向新质生产力的崭新未来。
说起高端聚丙烯，不得不提茂金属聚丙烯。由于具有可溶物含量低、透明度高、光泽度高等特点，其被广泛应用于纤维、高端包装、医疗器械、高端车用材料等领域，是聚丙烯产业转型的重要方向。然而，目前国内大多数企业尚不具备茂金属聚丙烯的生产能力。
茂金属聚丙烯生产的最大掣肘在哪儿?答案是：催化剂。
与茂金属聚丙烯产品类似，国内相关催化剂的生产此前也一直依赖进口。令人欣慰的是，近年来我国在这一领域实现了突破——由中石化(北京)化工研究院有限公司(以下简称北化院)自主开发的茂金属聚丙烯催化剂已完成工业应用试验，生产出性能优异的均聚和无规共聚茂金属聚丙烯树脂。这一催化剂产品因此获评中国石油和化学工业联合会2023年度化工新材料创新产品。
近日，《中国化工报》记者采访了北化院聚乙烯研究所的范国强博士，听他聊一聊研发茂金属聚丙烯催化剂的那些事儿。
解决结块和堵塞问题——国内首次用于连续聚丙烯装置
茂金属聚丙烯催化剂的研发为什么难?
“茂金属聚丙烯的熔点比传统聚丙烯要低，聚合过程中很容易发生结块或堵塞，成为影响装置连续运行的‘拦路虎’。因此，茂金属聚丙烯的生产对催化剂性能要求很高。”范国强介绍说，“在我们的催化剂开发成功之前，国内有几家企业使用进口催化剂试生产茂金属聚丙烯，也有部分研究机构开发的催化剂在间歇本体聚丙烯装置上进行过工业试验。但进口催化剂在连续聚丙烯装置上的应用效果并不理想，存在聚合过程中易结块、堵塞，以及生产的聚丙烯颗粒不均匀、细粉含量高等问题。”
据了解，该催化剂是国内首个成功应用于连续聚丙烯生产装置的茂金属催化剂，使中国石化成为国内首家具有催化剂制备、生产工艺及新产品开发全流程茂金属聚丙烯自主技术的企业。
“据我们了解，该催化剂的技术水平同国际水平相当，主要体现在催化剂的形态和工艺适应性上。良好的形态避免了聚合反应过程中结块和堵塞，生产的聚合物细粉含量低，也有利于生产过程的平稳进行。”范国强说。
独特的负载与活化工艺——促进国内聚丙烯产品高端化
那么，这种茂金属聚丙烯催化剂是如何解决结块和堵塞问题的?范国强告诉记者，主要是采用了独特的负载技术与活化工艺。他们通过自主开发的茂金属负载工艺技术，解决了催化剂结构设计、制备工艺、催化活性优化、工业应用适配等难题，获得多项中国发明专利授权，制备技术也通过了中国石化的专有技术认定。
“在催化剂研发过程中，我们要把起到催化作用的分子吸附到颗粒状的载体上。这个过程不纯粹是化学键的结合，还有一定的物理吸附作用。与传统催化剂相比，它面临的技术难题是：如果吸附得不那么牢，在生产过程中聚合物会掉下来，导致产生细粉或结块；如果形状不好，颗粒之间会粘在一起，也会导致生产过程中出现结块。”范国强表示，在后期的负载工艺上，他们找到了比较好的工艺条件，让活性中心能牢固地吸附在载体上；还通过控制催化剂形态，在适应现有聚合反应温度等方面作出调整。这样开发出来的茂金属聚丙烯催化剂形态好，能避免聚合反应过程中结块堵塞、聚合物细粉含量低的问题。
此外，茂金属聚丙烯催化剂的活性中心对杂质更为敏感，面临失活难题。在催化剂制备过程中，他们从原料处理、催化剂的活化等方面作出技术创新，提高了活性中心对杂质的耐受性，保证了活性中心的稳定。
“我们通过改造催化剂加入系统和加氢控制系统，同时根据茂金属催化剂的性能特点优化生产工艺参数，使环管聚丙烯装置具备茂金属聚丙烯生产条件，结合该催化剂形态好、氢调敏感的特点，开发了系列茂金属聚丙烯产品。其中，mPPH-M110和mPPH-M150这两款产品为国内首次生产。”范国强表示，该催化剂解决了国产茂金属聚丙烯催化剂在环管聚丙烯装置上的应用问题，促进了国内聚丙烯产品高端化。
产生较好经济效益——将带动相关产业国产化进程
记者了解到，从2012年研发立项到2022年研发成功，国产茂金属聚丙烯催化剂的面世用了整整10年时间。漫长的10年研发之后，相关推广应用正在铺开。
据范国强介绍，目前该催化剂已实现中试规模生产，正在建设工业生产装置，预计今年下半年可实现工业规模生产。该催化剂在扬子石化、中原石化已成功应用，还有几家企业有意向试用。在经济效益上，中原石化开发的茂金属聚丙烯产品，每吨售价要比通用料高2000元左右。在聚丙烯装置开工率低、市场低迷的当下，这样的价格很难得。
除了经济效益，范国强更期待的是能带动相关产业的国产化进程。
“目前国内茂金属聚丙烯绝大部分依赖进口，国内企业由于担心供应稳定性，不愿扩大用量。该催化剂研发成功后，有望解决茂金属聚丙烯的国产化稳定生产问题，消除下游客户的顾虑，也将有力促进茂金属聚丙烯的下游应用。”范国强说。
据了解，下游应用场景如汽车部件、高端包装等，对聚丙烯树脂的气味、可挥发性有机物(VOCs)含量要求比较严格，茂金属聚丙烯可以很好地满足要求。此外，茂金属聚丙烯链结构的特点使其收缩率较低，且更为均匀，更适合生产薄壁产品。用其生产的无纺布，强度和断裂伸长都显著提高；制备的流延膜雾度更低，透明性更好。
“目前，国内茂金属聚丙烯年使用量在10万吨左右，车用领域占较大比例，且仍处于增长阶段。该催化剂已成功开发了用于汽车部件的茂金属聚丙烯产品，随着产品的国产化稳定供应，下游树脂应用企业将会逐步扩大使用规模。随着催化需求增加，催化剂制备所需的载体、助催化剂等上游产品需求也会相应增加，由此也会带动相关产业加快国产化进程。”范国强表示，他们正在研发下一代催化剂，以进一步优化提升催化剂性能、降低聚丙烯生产成本、提高聚丙烯产品市场竞争力。此外，他们还将考虑拓展茂金属聚丙烯的产品范围，开发更多的无规共聚产品，用于医用包装、透明容器等领域。同时，适用于气相聚丙烯生产工艺催化剂的工业化应用也在推进之中。
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