高性能合成树脂是支撑先进制造、新能源、电子信息等国家战略性新兴产业发展的关键基础材料。随着产业结构升级、我国居民消费能力和消费水平的提升,对高性能合成树脂产品的需求持续增加。突破高性能合成树脂技术瓶颈,升级现有材料体系,满足重大工程和高端制造需求,是培养发展新动能、获取未来竞争优势的重要举措,也是支撑和拓展战略性新兴产业发展的必然途径。中国石化上海石油化工研究院杨雪萍研究团队在中国工程院院刊《中国工程科学》上发表了《我国高性能合成树脂发展战略研究》一文。文章立足产业发展对高性能合成树脂的迫切需求,着眼我国合成树脂行业长远发展,从高性能聚烯烃树脂材料、其他高性能合成树脂材料两个方面,系统梳理了我国高性能合成树脂材料的技术发展趋势,凝练合成树脂工业面临的技术与装备相对落后、部分高端产品尚无国产化技术、基础理论与方法研究薄弱、解决废弃塑料污染环境问题动力不足等问题。文章在分析高性能合成树脂材料关键技术的基础上,提出了今后行业发展的建议:利用现有装备和技术开发高端产品,实现规模化应用;加强高性能材料领域基础研究和人才培养,保障技术创新;开发生物可降解塑料,促进可持续发展;加强“产学研用”合作,提高技术转化与应用效率。

01前言

合成树脂是世界三大合成材料之一,广泛用于农业、建筑、汽车、机械、电子等领域,在人类生活和社会发展中发挥着重要作用。合成树脂的高性能化研究主要是通过提高材料产品的技术含量、降低原料所占成本的比例、提升材料产品的应用性能、赋予绿色可持续的生态特性、改进材料产品技术服务等措施手段,提升产品的价值和竞争力。重点从原料多元化、催化剂技术、聚合工艺、设备大型化等方面加大研发力度,突破高端牌号聚烯烃材料的生产技术,同时重视废旧塑料的循环利用,提升塑料综合利用水平。开发光学级、电子级等特种合成树脂材料,满足高新技术领域的应用亟需。高性能聚烯烃是先进合成树脂的发展重点之一。近年来,催化剂技术(如茂金属催化剂)、聚合工艺、聚合物加工技术等方面发展迅速,新型催化剂设计手段与调控手段(如金属–金属协同效应、配体次级配位效应、配体–底物效应、氧化–还原调控等)、新型非均相聚合方法(如自稳定沉淀聚合),成为高性能聚烯烃高效制备的有效途径。聚烯烃高端牌号不断丰富、品质持续提高,如高熔体强度聚丙烯、高密度聚乙烯管材专用料、透明抗冲聚丙烯、电容器薄膜专用料等产品均实现了应用突破;光学级、膜级、电子级、增材制造用高性能合成树脂发展较快,在高端领域得到应用。目前,我国合成树脂产量保持稳步增长,产品自给率逐年提高且应用领域不断拓展,产业整体发展态势良好。也要注意到,随着新增产能不断释放、市场需求发生变化,合成树脂行业结构不合理的问题凸显:低端产品过剩,通用性聚乙烯、聚苯乙烯等产品利润附加值降低;高端产品严重缺乏,大量依赖进口。因此合成树脂行业亟待优化布局、加强创新,着力发展高性能产品,推动产业转型升级。本文从高性能合成树脂的发展需求出发,系统梳理技术发展趋势、研究分析面临问题、提出产业发展建议,以期为我国合成树脂产业的长远发展提供借鉴。

02高性能合成树脂需求分析

(一)国家战略性新兴产业发展的重大需求《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》要求发展壮大新一代信息技术、新材料等战略性新兴产业,高性能合成树脂作为先进制造类别的基础材料也被纳入发展规划。突破高性能合成树脂技术瓶颈,升级现有材料体系,满足重大工程和高端制造需求,是培养发展新动能、获取未来竞争优势的重要举措,也是支撑和拓展战略性新兴产业发展的必然途径。(二)舒适、健康、高品质生活的客观需要随着我国居民消费能力和消费水平的提升,人们对生活品质的要求越来越高,对高性能合成树脂产品的需求持续增加。绿色环保的合成树脂新产品可满足高品质生活的需要,如安全无毒的玩具和生活用品、高阻隔性食品包装材料等。为满足舒适出行的要求,利用高性能合成树脂制备低挥发性有机化合物(VOC)汽车内饰材料,具有阻燃、减振、降噪等效果的新型高速列车结构件及装饰件。可以预计,发展高性能合成树脂产品对提高人民生活质量有着重要作用。(三)合成树脂行业转型升级的必然方向我国合成树脂行业整体偏低端化,产品供应存在结构性短缺的问题。聚烯烃树脂是目前市场上产量最大、应用最广泛的高分子材料,但国内产品多为普通牌号,应用领域较为低端。一些聚烯烃高端牌号(如茂金属聚乙烯、茂金属聚丙烯、高碳烯烃共聚聚乙烯等)和特种聚烯烃(如乙烯–乙酸乙烯酯共聚物(EVA)树脂、乙烯–乙烯醇共聚物(EVOH)树脂、聚丁烯–1等),在我国的消费量达1.×t/a,自给率却低于40%。夹层玻璃用聚乙烯醇缩丁醛(PVB)膜、电子级环氧树脂和动力电池用聚偏氟乙烯(PVDF)隔膜等高端合成树脂则基本依赖进口。因此,在我国化工行业加快新旧动能转换、实施供给侧改革的形势下,发展高性能合成树脂是合成树脂行业调结构、转方式、推动产业转型升级的重要途径。

03高性能合成树脂技术发展趋势

(一)高性能聚烯烃材料1.开发原料多元化技术原料多元化是未来我国聚烯烃行业发展的重要特征。目前我国聚烯烃产业已经从石脑油裂解工艺独占鳌头的时代,进入煤油竞争阶段。伴随着诸多轻烃资源的进入,烯烃类原料将以低成本优势在聚烯烃行业赢得一席之地。以聚乙烯为例,尽管油制聚乙烯产能占比高达77%,煤化工工艺产能占比快速提高至19%,成为聚乙烯扩能的主要方向;外购甲醇占比仅为4%,后期仍将继续下降。相较而言,聚丙烯原料多元化进程更为迅速,尤其是煤制工艺和丙烷脱氢(PDH)工艺呈快速增长趋势。目前煤制工艺产能占比为23%,PDH工艺产能占比为8%,而传统的油制聚丙烯工艺产能则下降至55%。利用多元化原料制备高性能聚烯烃的技术关键在于优化进料控制和保障原料品质,通过工艺优化来灵活采用多种原料进行生产。2.提升催化剂技术聚烯烃催化剂研究已从最初的注重提高催化剂效率转向改进产品综合性能,主要目标是提高催化剂对聚合物性能的控制能力。茂金属催化剂实现了聚合链长度、分支度和立构规整性的精细调节。相比传统的齐格勒/纳塔催化剂,采用茂金属催化剂制备的聚烯烃产品结构具有更好的规整性、可调控性、产品性能。年,国内自主开发的载体型茂金属聚丙烯催化剂在间歇式液相本体聚丙烯装置(8×t/a)首次投入使用,填补了国内技术空白。茂金属催化剂凭借其活性高、单一活性中心、共聚能力强等优点仍将不断发展,进而更加精确控制聚合物分子构型、定制生产满足最终用途的产品。相关技术的研究重点在于进一步改善茂聚烯烃的形态,加宽其相对分子质量分布范围,降低昂贵的助催化剂甲基铝氧烷(MAO)用量,进一步降低茂金属催化剂成本。此外,二亚胺钯、水杨醛亚胺镍、膦磺酸钯催化等催化体系的开发,实现了极性单体与烯烃的共聚反应,显著提高了聚合物的表面性能、黏附力、柔韧性、耐溶剂性、流变性,以及与其他聚合物、高分子材料助剂的共溶和共混性,这也是未来发展的趋势之一。3.多种聚合工艺共存长期以来,在聚烯烃工艺技术领域,一直是多种工艺并存,各展其长,同时新技术不断涌现。聚丙烯聚合工艺数量超过20种,其中溶液法和浆液法逐渐被淘汰,本体法和气相法保持优势,尤其以Unipol、Novolen、Innovene等为代表的气相法工艺近10年来发展很快;多区循环反应器技术也正在兴起。聚烯烃弹性体(POE)聚合工艺以美国陶氏化学公司开发的Insite溶液法聚合工艺、埃克森美孚公司开发的Exxpol高压聚合技术为主。近年来,基于Insite催化剂技术成功发展了新型链穿梭聚合技术,获得了高性能烯烃嵌段共聚物。4.装置趋于大型化伴随着乙烯装置大型化发展、聚烯烃工艺及工程技术进步,聚烯烃生产装置亦趋向大型化,相关装置的单线生产规模从20世纪末的2×t/a发展到当前的4×~5×t/a,生产经济性明显提高。我国在建的聚丙烯项目总产能超过1×t/a,单线装置产能大都超过3×t/a;大型聚烯烃生产设备研发进展显著,国产首台2×t/a聚丙烯大型挤压造粒机组打破了国外垄断;国产规模最大的聚乙烯大型挤压造粒机组的研发与应用通过了成果鉴定,即将投入工业应用。5.涌现高端牌号产品聚烯烃产品技术以提高产品综合性能为目标,致力于开发新品种,提高产品附加值,扩大产品应用领域。在聚乙烯方面,改进共聚单体开发出的耐热聚乙烯(PE-RT)已用于建筑物采暖,通过优化聚乙烯双峰聚合工艺开发出具有更好低熔垂和耐开裂性能的大口径聚乙烯管材用于油田和物流运输,开发了茂金属聚乙烯新产品以及能够用于锂电池隔膜的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)产品。此外,包括医疗器械/医用防护用品用聚丙烯材料、抗菌聚丙烯材料、低可溶出物的丙丁共聚聚丙烯、低VOC聚丙烯材料在内的新产品新牌号也在不断涌现。6.重视废旧塑料的回收利用在自然环境下,塑料制品应用后难以自然分解,加之聚烯烃塑料制品应用分散、使用周期短,因此构成了环境负担,回收利用成为世界



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