我国是世界合成橡胶第一大生产和消费国,其中50%以上的合成橡胶用于制造轮胎,2004年我国轮胎总产量跃升至世界第一。然而我国高端轮胎产量不高,已经成为影响国内轮胎产业转型升级的一个重要因素。
由中国石油石油化工研究院、独山子石化和同济大学、大连理工大学合作开发的官能化溶聚丁苯橡胶SSBR72612F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,标志着拥有自主知识产权的国产高端新型轮胎胎面胶面世,打破了国外技术垄断,助力国产轮胎实现 “弯道超车”。
23年7月22日,独山子石化公司消息称,独山子石化公司年度重点提质增效项目——2.5万吨/年官能化溶聚丁苯橡胶项目生产的新产品SSBR 2055DF于7月18日连续两次分析合格改为正品包装,标志着该项目一次开工成功。独山子石化成为目前国内唯一能够连续稳定生产双端官能化溶聚丁苯橡胶(SSBR)产品的企业,在国内高性能橡胶材料领域实现新的突破。
当今世界,新材料产业是战略性产业,也是高技术竞争的关键领域。多年来,独山子石化公司始终坚持“低成本、差别化、树品牌、高端化”战略,以市场需求为导向,以推动行业发展为目标,积极进行官能化溶聚丁苯橡胶、稀土顺丁橡胶、苯乙烯热塑性弹性体等产品的研发及应用推广,涵盖轮胎制造、树脂改性橡胶、沥青改性SBS、黏合剂等应用领域,已在国内一些高端橡胶生产领域占据主导地位。
其中,2.5万吨/年官能化溶聚丁苯橡胶项目是独山子石化公司年度重点提质增效项目,也是中石油集团公司“十四五”新材料研发重点攻关课题。该项目通过引入官能团的方式,使橡胶在不同环境中表现出不同性质,具有节能、环保、高抗湿滑性和耐磨等性能特点,是高性能绿色环保轮胎的理想材料,能够进一步提升轮胎性能,使生产的轮胎更加高效、环保、节能。
点燃星星之火——官能化专利技术出现
我国SSBR的研究开发始于20世纪70年代,经过多年的发展,产能得到了较大的发展。
2019年世界前10的溶聚丁苯橡胶生产企业按产能排序分别为日本JSR、阿朗新科Arlanxeo、盛禧奥Trinseo、美国凡士通Firestone、日本瑞翁Zeon、米其林公司Michelin、固特异Goodyear、中石化、意大利维萨雷斯Versalis、美国Isp,其中除中石化外均为国外生产企业,这10大供应商的产能占全球总溶聚丁苯橡胶产能的56%。从战略布局、供应能力和技术水平上看,日本JSR、阿朗新科Arlanxeo、盛禧奥Trinseo这三家企业占据明显优势,其中JSR公司在日本、泰国、匈牙利的溶聚丁苯橡胶装置产能合计为22万吨/年,是全球最大的供应商。但从生产能力上看,除日本的JSR、Zeon两家公司外,溶聚丁苯橡胶产能超过10吨/年的装置均属于欧美企业。
在过去很长时间,我国的SSBR制备一度依赖进口。截至2021年6月,中国石化累计申请丁苯橡胶相关专利79项,其中包含《一种分子链中端官能化SSBR及其合成方法和在轮胎胎面胶中的应用》,该项目在2018年7月提出专利申请,并于2020年2月公开公告。
其合成方法是高乙烯基溶聚丁苯无规共聚物胶液与极性基团功能化烯烃通过过氧化物引发进行Diels-Alder反应,所得反应产物经过水解凝聚,即得分子链中端官能化SSBR。将子链中端官能化SSBR用于轮胎胎面胶配方,相对于通用型SSBR滚动阻力改善率可达40%~45%。
而官能化SSBR材料也被应用于电线电缆行业,2016年3月,江苏宝安电缆有限公司通过了一项官能SSBR材料的制备专利,该专利将SSBR官能化后提高拉伸强度及断裂伸长率,也使其带有极性,增加了应用领域。
截至2022年9月底,我国有6家企业生产SSBR,总产能为37.7万吨/年,是仅次于美国的世界第二大SSBR生产国家。
2022年,我国SSBR的生产企业主体主要是国营企业和合资企业,其中国营企业的产能为24.7万吨/年,约占总产能的65.52%;生产装置主要集中在中国石化集团公司所属企业和中国石油集团公司所属企业,其中中国石化集团公司的产能为12.7万吨/年,约占总产能的33.69%,生产厂家包括中国石化北京燕山石油化工公司(产能为3.0万吨/年)、中国石化上海高桥石油化工公司(产能为6.7万吨/年)以及中国石化巴陵石油化工公司(产能为3.0万吨/年);中国石油集团公司的产能为12.0万吨/年,约占总产能的31.83%,生产厂家为中国石油独山子石油化工公司(产能为12.0万吨/年)。合资企业的产能为13.0万吨/年,约占总产能的34.48%,生产厂家包括镇江奇美化工有限公司(产能为8.0万吨/年)和辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司(产能为5.0万吨/年)。
2022年,我国SSBR的生产装置主要集中在西北、华中、华北、华东和东北地区,其中华东地区是最大的生产地区,产能为14.7万吨/年,约占总产能的38.99%;其次是西北地区,产能为12.0万吨/年,约占总产能的31.83%。此外,华北地区的产能为3.0万吨/年,约占总产能的7.96%;东北地区的产能为5.0万吨/年,约占总产能的13.26%;华中地区的产能为3.0万吨/年,约占总产能的7.96%。中国石油独山子石油化工公司是我国SSBR最大的生产厂家,产能为12.0万吨/年,约占总产能的31.83 %;其次是镇江奇美化工有限公司,产能为8.0万吨/年,约占总产能的21.22%。
我国SSBR生产厂家采用的技术是国产技术和引进技术相结合,其中辽宁北方戴纳索合成橡胶有限公司采用的是西班牙戴纳索公司技术,中国石化上海高桥石油化工公司采用的是日本旭化成公司技术,镇江奇美化工有限公司采用的是中国台湾奇美公司技术,中国石油独山子石油化工公司一套6.0万吨/年装置采用的是意大利埃尼公司技术,另外一套6.0万吨/年装置采用的是中国石油集团公司自行开发的技术;中国石化北京燕山石油化工公司和中国石化巴陵石油化工公司采用的是中国石化集团公司自行开发的技术。
项目团队历时4年技术攻关,解决了官能化试剂的设计开发、官能化试剂的纯化、官能团种类及结构与轮胎“魔鬼三角”性能(滚动阻力、抗湿滑及耐磨性能)构效关联规律等技术难题,突破了官能化试剂制备的工程化放大、聚合工艺的稳定控制等关键技术,成功实现了官能化溶聚丁苯橡胶SSBR72612F的工业化。
官能化溶聚丁苯橡胶工业化产品的门尼黏度60左右,苯乙烯含量23.5%,乙烯基含量61%,主要性能指标均达到国际同类产品水平。该项目打破了国外对官能化溶聚丁苯橡胶的技术垄断,实现了在3.5万吨/年工业装置上的生产示范,彻底改变了我国高端胎面胶的“卡脖子”局面。
产品的测试情况表明,采用官能化溶聚丁苯制备的双B级轮胎相比D、E级轮胎,滚动阻力降低10%以上。统计显示,滚动阻力每降低10%,汽车油耗减少0.15升/100千米,这对于机动车降低油耗、节能减排有着非常重要的意义。
随着自主开发技术在高性能轮胎的全面应用,我国化石能源用量将大幅减少,助力碳达峰目标的完成。除节能减排的意义外,B级轮胎的抗湿滑性能较D、E级轮胎提高15%以上,刹车距离可缩短15%以上,可大幅减少交通事故的发生。
过去,受国外合成橡胶高端技术垄断的影响,我国的轮胎产品主要集中在中低端,与国外高性能轮胎相比差2至3个等级。国外相同类型的乘用车轮胎比国产轮胎售价高200元/条左右。造成这一被动局面的主要原因是生产高端轮胎所需要的合成橡胶材料国内不能生产,且研发难度极高。
近两年来,石油化工研究院的科研人员发挥“国家队”的作用,主动配合和协助轮胎生产企业做好官能化溶聚丁苯橡胶产品的加工应用,助力轮胎行业的高质量发展。2023年材料进口替代达到1万吨/年的阶段性目标。
高性能合成橡胶轮胎用胎面材料的研发及推广应用,表明我国已经掌握了合成橡胶最高端合成技术,弥补了制约国产轮胎产业升级急需的基础材料短板,对我国橡胶工业从大国走向强国、轮胎产品从中低端迈向高端提供坚实的材料基础。