□ 喬金樑/口述 劉 濤/整理

中國(guó)石化確立了打造世界領(lǐng)先潔凈能源化工公司的愿景目標(biāo)，構(gòu)建“一基兩翼三新”產(chǎn)業(yè)格局，實(shí)施世界領(lǐng)先發(fā)展方略。一個(gè)領(lǐng)先公司，應(yīng)該擁有大批原創(chuàng)技術(shù)和產(chǎn)品。中國(guó)石化能否在高分子材料產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出有全球影響力的原創(chuàng)技術(shù)？以史為鑒，我們?cè)噲D從高分子材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的歷史中找到答案。

高分子材料循環(huán)發(fā)展中的創(chuàng)新機(jī)遇

1920年，德國(guó)著名化學(xué)家赫爾曼·施陶丁格（HermannStaudinger）發(fā)表了題為《論聚合》的論文，提出高分子的概念，高分子科學(xué)由此誕生。隨后的100年間，共有8位高分子科學(xué)家獲得5次諾貝爾獎(jiǎng)，高分子材料產(chǎn)業(yè)也在科學(xué)研究的推動(dòng)下在1970年之前創(chuàng)造了聚合物世界。包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚苯乙烯（PS）五大家族在內(nèi)的塑料、橡膠和纖維等數(shù)十種高分子材料，均實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，被稱為高分子材料產(chǎn)業(yè)的第一次革命。之后，高分子材料科學(xué)和技術(shù)鮮有使人類受益的重大突破。

2020年12月16日下午，巴陵石化特種環(huán)氧樹(shù)脂在岳陽(yáng)城陵磯國(guó)際集裝箱碼頭裝柜，出口歐洲市場(chǎng)。彭展 攝

1997年，海洋中的塑料漂浮物對(duì)環(huán)境的破壞被發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，這嚴(yán)重影響了高分子材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，成為高分子材料行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。目前，高分子材料科學(xué)和產(chǎn)業(yè)的第二次革命正在興起。這次革命將使高分子材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，為我們實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展、成為領(lǐng)先的合成材料生產(chǎn)商提供了機(jī)遇。

高分子材料的循環(huán)發(fā)展，包括“生物循環(huán)”和“技術(shù)循環(huán)”兩種模式。

“生物循環(huán)”是指可降解的生物基高分子材料在使用后降解為二氧化碳和水，再通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為可制備高分子材料的生物質(zhì)。令人遺憾的是，相關(guān)材料的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題尚未得到解決。聚乳酸等生物基高分子由于玻璃化溫度太高，難以在自然環(huán)境下降解，只能在60攝氏度堆肥條件下降解，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用，不是解決白色污染的根本之道；PBAT和PBST等低玻璃化溫度的材料可以在25攝氏度堆肥條件下降解，但難以采用生物基單體制備，且力學(xué)性能差和成本高的問(wèn)題使其應(yīng)用受限。這些科學(xué)和技術(shù)的挑戰(zhàn)正是我們實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的機(jī)遇。中國(guó)石化在可降解高分子材料方面已進(jìn)行多年的研究，有一定技術(shù)積累，應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)，爭(zhēng)取率先開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異、在非堆肥條件下可降解的生物基高分子材料，成為該領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先者。

“技術(shù)循環(huán)”主要指回收利用，包括物理回用和化學(xué)回用兩個(gè)發(fā)展方向。世界大型高分子材料公司普遍將技術(shù)循環(huán)作為解決白色污染問(wèn)題的主要方式。

物理循環(huán)是指將同一類高分子材料回收后重新加工利用，是目前廣泛應(yīng)用的一種方式，該方法回收量不到高分子材料消費(fèi)量的9%，需要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)。面對(duì)多組分高分子材料回收時(shí)遇到的分類困難難題，中國(guó)石化北京化工研究院在“相容劑”方面進(jìn)行了一些創(chuàng)新性探索，希望在高分子制品回用時(shí)解決多種組分高分子材料的相容性問(wèn)題，使廢舊高分子材料回收時(shí)不分類，且回收材料的力學(xué)性能不降反升。我們發(fā)明了一種新的聚合物接枝方法，稱之為“高溫固相接枝法”。采用該方法，可在微波作用下，使馬來(lái)酸酐接枝到聚丙烯上，制備出馬來(lái)酸或馬來(lái)酸鈉接枝聚丙烯。試驗(yàn)結(jié)果顯示接枝物的機(jī)械強(qiáng)度和熱性能均優(yōu)于接枝前的聚丙烯。結(jié)構(gòu)表征結(jié)果表明，制備的接枝聚丙烯是一種高熔體強(qiáng)度極性聚丙烯。這類樹(shù)脂作為“特殊的相容劑”，可應(yīng)用于具有多組分制品的直接回收利用中。利用固相接枝法在聚丙烯微孔中接枝，還可以制成超親水材料，應(yīng)用于水利工程和涼水塔等方面有望大幅度減少水的蒸發(fā)；超親水聚丙烯制品還可以用“膠水”實(shí)現(xiàn)粘結(jié)；聚丙烯超親水中空纖維也有望用于制作污水處理用超濾膜。

化學(xué)回用是將廢舊高分子材料降解為單體，再聚合成新的高分子材料，是高分子材料循環(huán)發(fā)展的未來(lái)?；瘜W(xué)回用主要包括兩個(gè)發(fā)展方向，高溫降解和催化降解。傳統(tǒng)高溫降解在800攝氏度以下進(jìn)行，只能得到油品，經(jīng)濟(jì)上不合理。催化降解可以在較低溫度下將高分子材料降解為單體，但反應(yīng)條件十分苛刻，還沒(méi)有達(dá)到可工業(yè)化的程度。我們發(fā)明的微波輔助熱解法在無(wú)氧化條件下可以將高分子材料加熱到1000攝氏度以上，使之在非催化條件下降解為單體，有很好的工業(yè)化前景。經(jīng)過(guò)對(duì)聚烯烴材料、棕櫚油、廢塑料油，以及多種危廢品進(jìn)行微波熱解，均得到了以乙烯、丙烯為主的混合氣體。該方法還適用于秸稈、樹(shù)枝等廢棄生物質(zhì)的高溫裂解，可以得到富氫合成氣，該氣體可以制備碳?xì)浠衔锘蚣状?，進(jìn)一步制烯烴后聚合可得到高分子材料?？梢栽O(shè)想，在乙烯裂解裝置前增加微波裂解系統(tǒng)，就可以把目前傳統(tǒng)的石油化工或煤化工變?yōu)閺U舊塑料回收或生物化工裝置，可以實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”，形成新的循環(huán)。

催化技術(shù)是中國(guó)石化的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，我們?cè)趶U舊高分子材料化學(xué)回收方面取得重大突破的希望很大。一旦廢舊高分子材料化學(xué)回用取得突破性進(jìn)展，化石基高分子材料將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

聚烯烴產(chǎn)業(yè)仍存在許多創(chuàng)新機(jī)遇

目前，全球聚烯烴消費(fèi)量近2億噸，已占到塑料消費(fèi)量的71%、三大合成材料消費(fèi)量的52%。我國(guó)的聚烯烴產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，已成為世界最大的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，中國(guó)石化也已成為全球最大的聚烯烴生產(chǎn)商，產(chǎn)能即將超過(guò)2000萬(wàn)噸。因此，持續(xù)強(qiáng)化聚烯烴的創(chuàng)新對(duì)中國(guó)石化的發(fā)展至關(guān)重要。

中國(guó)石化已對(duì)聚烯烴的核心技術(shù)和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究，取得了一批創(chuàng)新成果。在聚丙烯方面還開(kāi)發(fā)出低可溶出物透明聚丙烯樹(shù)脂、高熔體強(qiáng)度抗沖聚丙烯樹(shù)脂、耐高擊穿電壓膜用聚丙烯樹(shù)脂、抗菌防霉聚丙烯樹(shù)脂等一批原始創(chuàng)新產(chǎn)品。目前，我國(guó)聚丙烯對(duì)外依存度不到18%，但聚乙烯進(jìn)口量仍超40%，一些關(guān)鍵技術(shù)仍依賴進(jìn)口，許多高性能產(chǎn)品還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。其中，部分高壓聚乙烯產(chǎn)品和POE等溶液聚合產(chǎn)品完全依賴進(jìn)口。因此，在聚乙烯技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新方面中國(guó)石化有很多創(chuàng)新機(jī)遇。

回顧聚烯烴產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程可以深切地體會(huì)到，對(duì)于原創(chuàng)發(fā)明，加工應(yīng)用、工藝開(kāi)發(fā)必不可少。1931年，聚異丁烯（PIB）實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，由此揭開(kāi)聚烯烴的發(fā)展歷史。聚乙烯從發(fā)明、工業(yè)化到商業(yè)化的過(guò)程頗為曲折，在杜邦、英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)集團(tuán)（ICI）、聯(lián)碳等多家公司的努力下，通過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)、工藝開(kāi)發(fā)、加工應(yīng)用等方面的突破后，高壓聚乙烯率先實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化。隨后，低壓聚乙烯和線型低密度聚乙烯也相繼實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

放眼當(dāng)前的聚烯烴領(lǐng)域，可從三方面謀求創(chuàng)新機(jī)遇。

第一是通過(guò)顛覆性創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。主要包括用沉淀聚合替代溶液聚合，實(shí)現(xiàn)POE（乙烯辛烯共聚物）、超高分子量聚乙烯、薩林（乙烯與丙烯酸鹽的共聚物）等的工業(yè)化；用低壓聚合替代高壓聚合，實(shí)現(xiàn)特種EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）、EVOH（乙烯-乙烯醇共聚物）、薩林（乙烯-不飽和酯共聚物）等的工業(yè)化；聚丙烯“木材”等的制備和應(yīng)用。

儀征化纖生物可降解塑料新品PBSA實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。劉玉福攝

第二是研究開(kāi)發(fā)高端合成樹(shù)脂產(chǎn)品。重點(diǎn)之一是聚烯烴的工程塑料，主要有PMP（聚4甲基1戊烯）、COP（熱固性環(huán)烯烴聚合物）、COC（環(huán)烯烴共聚物）和薩林等4類材料。重點(diǎn)之二是將中國(guó)石化已擁有原創(chuàng)技術(shù)的產(chǎn)品做強(qiáng)做大，例如尼龍6、PET工程塑料等。

第三是通過(guò)合作將中國(guó)石化已有研發(fā)基礎(chǔ)的新材料商業(yè)化。主要包括三方面，一是馬來(lái)酸酐與烯烴的共聚微球；二是對(duì)尼龍6進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，擴(kuò)大尼龍6的應(yīng)用領(lǐng)域，例如農(nóng)用大棚膜、食品包裝膜等方面；三是通過(guò)協(xié)同創(chuàng)新，降低人造“木材”的成本，研發(fā)超親水聚丙烯材料、軟質(zhì)透明醫(yī)用聚丙烯、抗病毒聚丙烯無(wú)紡布、超高壓聚丙烯電纜料等，防止聚丙烯產(chǎn)能過(guò)剩。

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，高分子新材料開(kāi)發(fā)是一個(gè)包含結(jié)構(gòu)性能表征、小試、中試、加工、工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)、市場(chǎng)開(kāi)發(fā)等多環(huán)節(jié)的工作鏈，技術(shù)創(chuàng)新需要高分子物理、催化、工藝、加工應(yīng)用等多學(xué)科的協(xié)同配合，必須建立團(tuán)隊(duì)文化和相應(yīng)的管理機(jī)制才能有越來(lái)越多的原始創(chuàng)新成果，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。