在中國科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所（簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春應(yīng)化所）院內(nèi)，一棟紅頂白墻的二層實(shí)驗(yàn)樓并不起眼。
進(jìn)入樓內(nèi)，被各種儀器設(shè)備“霸占”的空間著實(shí)令人感到擁擠。除了實(shí)驗(yàn)儀器和工藝設(shè)備發(fā)出的轟鳴聲，這里并沒有多余的聲響。
這里就是中國科學(xué)院高性能合成橡膠及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。在這里，一代代應(yīng)化人在合成橡膠的科研道路上跋山涉水，突破艱難險(xiǎn)阻，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)個(gè)合成橡膠的“中國創(chuàng)造”。
吹響合成橡膠研發(fā)號(hào)角
橡膠是關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全的戰(zhàn)略資源，在軍用、民用眾多領(lǐng)域具有不可比擬的重要作用。
小到瓶蓋、橡皮、暖手袋，大到國防上使用的飛機(jī)、大炮、坦克，甚至尖端科技領(lǐng)域里的火箭、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航天飛機(jī)上都可以看到它的身影。
然而，這種關(guān)乎國家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略物資卻成為我國社會(huì)發(fā)展的一塊短板。
為此，長(zhǎng)春應(yīng)化所的前身——東北科學(xué)研究所于1949年便率先在全國開展合成橡膠的研究。
1950年12月28日，注定是被載入史冊(cè)的一天：在研究所的中間實(shí)驗(yàn)工廠，誕生了我國第一塊合成橡膠——氯丁橡膠，吹響了我國在合成橡膠領(lǐng)域科研與開發(fā)的號(hào)角，有力地支援了抗美援朝和國防建設(shè)的急需。隨后，各種通用和專用橡膠的研發(fā)工作有序進(jìn)行。
1958年8月，我國獨(dú)立自主建成首個(gè)合成橡膠裝置，成為世界上第三個(gè)能生產(chǎn)氯丁橡膠的國家。
此后，在這個(gè)中國合成橡膠的發(fā)祥地，在孫書棋、錢保功、歐陽均、沈之荃、王佛松、 黃葆同、程時(shí)、高國經(jīng)、 李斌才等老一輩科學(xué)家的努力下，長(zhǎng)春應(yīng)化所科研團(tuán)隊(duì)攻堅(jiān)克難，砥礪前行，讓中國合成橡膠技術(shù)在世界舞臺(tái)上“一路晉級(jí)”。
1958年，針對(duì)國家需求和任務(wù)，長(zhǎng)春應(yīng)化所開展了定向聚合和有規(guī)立構(gòu)橡膠研究工作。1962 年，長(zhǎng)春應(yīng)化所在世界上首次公開報(bào)道了以稀土催化體系合成雙烯烴橡膠；1964 年，又在國際上首次以論文形式公開發(fā)表了研究成果，使我國成為世界上最早發(fā)明以稀土催化劑合成順丁橡膠的國家。
此后，長(zhǎng)春應(yīng)化所在鎳系順丁橡膠基礎(chǔ)研究上取得了創(chuàng)新性進(jìn)展，發(fā)明硼劑單加技術(shù)，使毒性小、能耗低的脂肪烴能夠作為鎳系順丁橡膠的溶劑體系（至今國外鎳系順丁仍采用芳香烴溶劑體系），并經(jīng)過與國內(nèi)眾多單位的協(xié)力合作，在錦州石化完成了千噸級(jí)中試，在燕山石化完成萬噸級(jí)鎳系順丁橡膠產(chǎn)業(yè)化。1971年，第一套萬噸級(jí)鎳系順丁橡膠生產(chǎn)裝置開車成功，并先后在全國建立了7套生產(chǎn)裝置，使我國一躍成為順丁橡膠生產(chǎn)大國。鎳系順丁橡膠產(chǎn)業(yè)化奠定了我國溶液聚合合成橡膠的科研和工程化基礎(chǔ)。
緊隨其后，《稀土催化合成橡膠文獻(xiàn)》和《絡(luò)合催化聚合合成橡膠》兩部專著的出版，在世界范圍內(nèi)奠定了稀土催化體系應(yīng)用于合成橡膠工業(yè)的理論和工業(yè)化基礎(chǔ)。
艱辛的付出總會(huì)收獲豐碩的成果。長(zhǎng)春應(yīng)化所開發(fā)的具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鎳系順丁橡膠工業(yè)生產(chǎn)新技術(shù)獲得了1982 年國家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)、1985 年國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。
自主創(chuàng)新助力“中國創(chuàng)造”
榮譽(yù)既是肯定，更是責(zé)任。
其實(shí)，鎳系順丁橡膠并不完美。特別是在改革開放以后，隨著我國高速公路和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)高性能輪胎的需求越來越大，其弊端便日益凸顯。
彼時(shí)，國外自1987年起推出稀土順丁橡膠系列產(chǎn)品以來，德國、意大利等國得益于其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，不斷增加投入，強(qiáng)化研發(fā)，在之后的20年內(nèi)很快形成了50萬噸的生產(chǎn)能力，迅速占領(lǐng)和壟斷國際橡膠市場(chǎng)，并實(shí)行全面的技術(shù)封鎖。
為打破國外技術(shù)封鎖和市場(chǎng)壟斷，解決國家緊迫需求，1998年，長(zhǎng)春應(yīng)化所與中石油錦州石化公司再度聯(lián)手，共同組建“橡膠研究開發(fā)中心”，承擔(dān)了國家863計(jì)劃“稀土順丁橡膠的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，開始了艱辛的工業(yè)化之路。
“那時(shí)候，我們的科研人員通宵達(dá)旦地干活，生產(chǎn)線上出現(xiàn)任何問題都要隨時(shí)盯著解決。”回憶起當(dāng)年參與項(xiàng)目的情景，時(shí)任中國科學(xué)院合成橡膠重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、張學(xué)全研究員微笑著說。
正是這樣一步一個(gè)腳印摸索著前行，才使得科研團(tuán)隊(duì)在逆境中突破，在創(chuàng)新中發(fā)展，更在裂變中超越。
他們逐步攻克了稀土催化劑體系均相穩(wěn)定性、分子量分布寬、膠液黏度大、輸送困難等系列重大技術(shù)難題，開發(fā)出了高效、穩(wěn)定、均相、單體濃度達(dá)15克/100毫升以上、聚合活性達(dá)1620千克聚丁二烯/摩爾釹、可大幅降低成本的稀土催化劑體系，超過目前國外所報(bào)道的稀土催化體系的最高活性。
為了讓技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)自身價(jià)值，科研團(tuán)隊(duì)?wèi){借強(qiáng)烈的使命感，再次乘勢(shì)而上，爭(zhēng)分奪秒地投入到稀土順丁橡膠的工業(yè)化開拓之中 。
在對(duì)現(xiàn)有的鎳系順丁橡膠生產(chǎn)裝置進(jìn)行改造的同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)圍繞著打通生產(chǎn)工藝、降低能耗和生產(chǎn)成本，先后4次在錦州石化萬噸級(jí)鎳系順丁橡膠裝置上進(jìn)行了工業(yè)化試生產(chǎn)，解決了減黏工藝、新稀土催化體系聚合工藝等系列關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)問題，并創(chuàng)新性地研發(fā)出可連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)陳化、絕熱聚合、靈活切換合成不同分子量分布和門尼黏度的生產(chǎn)新工藝，建成了我國第一套全流程過程化的稀土順丁橡膠生產(chǎn)裝置，從而開拓出具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，適應(yīng)現(xiàn)代汽車輪胎低滾動(dòng)阻力和高抗?jié)窕砸蟮南盗邢⊥另樁∠鹉z。
稀土異戊橡膠獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷
作為天然橡膠資源匱乏的國家，我國自給率低于1/4。同時(shí)，我國還是天然橡膠第一消費(fèi)大國，每年進(jìn)口量已超過300萬噸。天然橡膠的對(duì)外依存度已上升到國家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“警戒線”。
科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，異戊橡膠具有與天然橡膠相似的分子結(jié)構(gòu)。其中，以稀土催化劑配位催化合成的稀土異戊橡膠與天然橡膠結(jié)構(gòu)和綜合性能最為接近，因此被稱為“合成天然橡膠”。這是替代天然橡膠最理想的大品種合成橡膠，也是我國20世紀(jì)大品種通用橡膠唯一未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的膠種。
為解決天然橡膠替代問題，滿足國家戰(zhàn)略資源的自給，科研團(tuán)隊(duì)又一次啃起了科研與開發(fā)道路上的“硬骨頭”。
縱觀國際，俄羅斯是最先實(shí)現(xiàn)稀土異戊橡膠規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的國家，并以20%替代天然橡膠進(jìn)入我國市場(chǎng)。而我國稀土異戊橡膠產(chǎn)業(yè)化雖已起步，但產(chǎn)品質(zhì)量、能耗、物耗與國外仍有差距。
“總的來說，異戊橡膠規(guī)模產(chǎn)業(yè)化有三大瓶頸。”中國科學(xué)院高性能合成橡膠及其復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員白晨曦坦言。
一是稀土催化劑活性較低，催化劑成本較高，致使生產(chǎn)成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)；二是缺乏根據(jù)稀土催化劑和稀土異戊橡膠特點(diǎn)對(duì)聚合、凝聚和后處理工藝進(jìn)行系統(tǒng)有針對(duì)性的研究，照搬鎳系順丁橡膠生產(chǎn)工藝，致使生產(chǎn)過程能耗、物耗偏高；三是缺乏對(duì)產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)、分子量及其分布的有效控制手段，致使產(chǎn)品性能與天然橡膠相比差距較大。
為突破這三大技術(shù)瓶頸，科研團(tuán)隊(duì)開展了合成橡膠生產(chǎn)技術(shù)所面臨的基礎(chǔ)科學(xué)問題與工程化關(guān)鍵問題的研究。進(jìn)行了合成橡膠新型催化劑、可控聚合技術(shù)、先進(jìn)工程技術(shù)、高性能化加工等基礎(chǔ)研究，攻克了生產(chǎn)流程與工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)、核心裝置研發(fā)與系統(tǒng)集成等重要工程問題，發(fā)展出基于化學(xué)工程原理及放大方法的高質(zhì)量低成本系列關(guān)鍵制備技術(shù)、綠色環(huán)保生產(chǎn)工藝和核心聚合反應(yīng)設(shè)備等，將小試、中試聚合技術(shù)與工業(yè)化技術(shù)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)向工業(yè)化技術(shù)的跨越發(fā)展，使高性能合成橡膠從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化、實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化。
同時(shí)，科研團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出了高活性、高順式定向性、分子量及其分布可控的稀土催化及其放大體系，每噸產(chǎn)品消耗催化劑成本僅人民幣300元左右，超過目前國際最高水平，大幅降低了催化劑成本，為加速我國稀土異戊橡膠的規(guī)模產(chǎn)業(yè)化奠定了重要基礎(chǔ)。
針對(duì)工業(yè)化中稀土催化體系合成橡膠具有高粘度這一技術(shù)難題，科研團(tuán)隊(duì)建立了基于化學(xué)工程熱力學(xué)分析和傳遞過程模型的聚合梯度理論和方法，解決了聚合過程中高粘度膠液三傳一反等工程問題，開發(fā)了溶液聚合多釜連續(xù)串聯(lián)的復(fù)合攪拌聚合聯(lián)動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)，采用階梯聚合、絕熱聚合、強(qiáng)化傳熱系數(shù)多層攪拌等新工藝技術(shù)，解決了高粘體系橡膠膠液熱平衡和傳輸工程技術(shù)問題，降低了聚合工藝能耗（低于國外同類技術(shù)20%）。
不僅如此，科研團(tuán)隊(duì)還成功開發(fā)出多功能溶劑和單體分離、回收精制一塔回收側(cè)線采出的物料回收新工藝技術(shù)，裝置溶劑回收率≥99%，降低了物耗，并結(jié)合以上整體技術(shù)開發(fā)出國內(nèi)首套3萬噸/年稀土異戊橡膠工藝技術(shù)軟件包。
“基礎(chǔ)研究很重要，缺乏基礎(chǔ)研究，技術(shù)創(chuàng)新就是無水之源。而技術(shù)創(chuàng)新同樣重要，如果技術(shù)創(chuàng)新沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，那就是無源之水。”深知科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的重要性，因此在推動(dòng)稀土異戊橡膠產(chǎn)業(yè)化上，白晨曦有著自己的思考。
“我們通過開展小試試驗(yàn)—工藝模擬計(jì)算—中試試驗(yàn)—工藝系統(tǒng)優(yōu)化—工藝包—工藝操作培訓(xùn)—開車服務(wù)—工藝裝置擴(kuò)產(chǎn)和節(jié)能改造等一整套成套工藝包設(shè)計(jì)體系和服務(wù)，最終打通了從基礎(chǔ)科研到產(chǎn)業(yè)化最后也是最關(guān)鍵的‘一公里’。”白晨曦表示。
2012年9月，山東神馳石化有限公司應(yīng)用該技術(shù)建成了3萬噸/年稀土異戊橡膠生產(chǎn)裝置，并一次投料開車成功，開創(chuàng)了我國萬噸級(jí)異戊橡膠生產(chǎn)裝置建設(shè)周期最短（僅僅9個(gè)月）、一次開車一次成功的先河。
在技術(shù)創(chuàng)新的道路上，長(zhǎng)春應(yīng)化所團(tuán)隊(duì)永不滿足�，F(xiàn)在，通過稀土催化異戊橡膠分子微觀結(jié)構(gòu)的可控性結(jié)合流變行為研究，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了硫化速率與天然橡膠同步，使“中國制造”稀土異戊橡膠在世界上首次實(shí)現(xiàn)100％替代天然橡膠。
如今，科研團(tuán)隊(duì)又投入到為合成天然橡膠提供豐富廉價(jià)的原料—化學(xué)一步法合成異戊二烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)開發(fā)過程中，完善了人工合成天然橡膠產(chǎn)業(yè)鏈，形成規(guī)劃化生產(chǎn)，徹底扭轉(zhuǎn)我國天然橡膠短缺問題。
“雄關(guān)漫道真如鐵，而今邁步從頭越。”站在時(shí)代的潮頭，面對(duì)新的形勢(shì)與挑戰(zhàn)，這支應(yīng)化國家橡膠隊(duì)將牢記使命、不負(fù)重托，用自主創(chuàng)新推動(dòng)我國早日實(shí)現(xiàn)合成橡膠強(qiáng)國之夢(mèng)。■