茂金屬聚丙烯催化劑：為中國茂金屬聚丙烯穩產“添力”

編者按 化工新材料是世界化工強國和跨國公司競爭的戰略高地之一。我國新材料產業市場規模到2035年有望超過2萬億元，是支撐國民經濟高速增長和高質量發展的重要引擎之一。在近日召開的2024石化產業發展大會上，中國石油和化學工業聯合會發布了2023年度化工新材料創新產品名單，遴選出化工新材料領域在近年來取得創新突破的20項產品。這些產品的攻關突圍過程少則延續數十年，多則凝結著幾代科研人的青春與熱血。

　　從今日起推出《2023化工新材料創新產品巡禮》系列報道，遴選此次入選的部分產品，通過講述這些創新產品的攻關過程與核心價值，鼓勵更多的創新型科研企業“問征夫以前路”、更多的科研人員骨干力量“知來者之可追”，以更大的勇氣和毅力迎接化工新材料的創新潮頭，一起面向新質生產力的嶄新未來。

　　說起高端聚丙烯，不得不提茂金屬聚丙烯。由于具有可溶物含量低、透明度高、光澤度高等特點，其被廣泛應用于纖維、高端包裝、醫療器械、高端車用材料等領域，是聚丙烯產業轉型的重要方向。然而，目前國內大多數企業尚不具備茂金屬聚丙烯的生產能力。

　　茂金屬聚丙烯生產的最大掣肘在哪兒?答案是：催化劑。

　　與茂金屬聚丙烯產品類似，國內相關催化劑的生產此前也一直依賴進口。令人欣慰的是，近年來我國在這一領域實現了突破——由中石化(北京)化工研究院有限公司(以下簡稱北化院)自主開發的茂金屬聚丙烯催化劑已完成工業應用試驗，生產出性能優異的均聚和無規共聚茂金屬聚丙烯樹脂。這一催化劑產品因此獲評中國石油和化學工業聯合會2023年度化工新材料創新產品。

　　近日，《中國化工報》記者采訪了北化院聚乙烯研究所的范國強博士，聽他聊一聊研發茂金屬聚丙烯催化劑的那些事兒。

　　解決結塊和堵塞問題——國內首次用于連續聚丙烯裝置

　　茂金屬聚丙烯催化劑的研發為什么難?

　　“茂金屬聚丙烯的熔點比傳統聚丙烯要低，聚合過程中很容易發生結塊或堵塞，成為影響裝置連續運行的‘攔路虎’。因此，茂金屬聚丙烯的生產對催化劑性能要求很高?！狈秶鴱娊榻B說，“在我們的催化劑開發成功之前，國內有幾家企業使用進口催化劑試生產茂金屬聚丙烯，也有部分研究機構開發的催化劑在間歇本體聚丙烯裝置上進行過工業試驗。但進口催化劑在連續聚丙烯裝置上的應用效果并不理想，存在聚合過程中易結塊、堵塞，以及生產的聚丙烯顆粒不均勻、細粉含量高等問題?！?/p>

　　據了解，該催化劑是國內首個成功應用于連續聚丙烯生產裝置的茂金屬催化劑，使中國石化成為國內首家具有催化劑制備、生產工藝及新產品開發全流程茂金屬聚丙烯自主技術的企業。

　　“據我們了解，該催化劑的技術水平同國際水平相當，主要體現在催化劑的形態和工藝適應性上。良好的形態避免了聚合反應過程中結塊和堵塞，生產的聚合物細粉含量低，也有利于生產過程的平穩進行?！狈秶鴱娬f。

　　獨特的負載與活化工藝——促進國內聚丙烯產品高端化

　　那么，這種茂金屬聚丙烯催化劑是如何解決結塊和堵塞問題的?范國強告訴記者，主要是采用了獨特的負載技術與活化工藝。他們通過自主開發的茂金屬負載工藝技術，解決了催化劑結構設計、制備工藝、催化活性優化、工業應用適配等難題，獲得多項中國發明專利授權，制備技術也通過了中國石化的專有技術認定。

　　“在催化劑研發過程中，我們要把起到催化作用的分子吸附到顆粒狀的載體上。這個過程不純粹是化學鍵的結合，還有一定的物理吸附作用。與傳統催化劑相比，它面臨的技術難題是：如果吸附得不那么牢，在生產過程中聚合物會掉下來，導致產生細粉或結塊；如果形狀不好，顆粒之間會粘在一起，也會導致生產過程中出現結塊?！狈秶鴱姳硎荆诤笃诘呢撦d工藝上，他們找到了比較好的工藝條件，讓活性中心能牢固地吸附在載體上；還通過控制催化劑形態，在適應現有聚合反應溫度等方面作出調整。這樣開發出來的茂金屬聚丙烯催化劑形態好，能避免聚合反應過程中結塊堵塞、聚合物細粉含量低的問題。

　　此外，茂金屬聚丙烯催化劑的活性中心對雜質更為敏感，面臨失活難題。在催化劑制備過程中，他們從原料處理、催化劑的活化等方面作出技術創新，提高了活性中心對雜質的耐受性，保證了活性中心的穩定。

　　“我們通過改造催化劑加入系統和加氫控制系統，同時根據茂金屬催化劑的性能特點優化生產工藝參數，使環管聚丙烯裝置具備茂金屬聚丙烯生產條件，結合該催化劑形態好、氫調敏感的特點，開發了系列茂金屬聚丙烯產品。其中，mPPH-M110和mPPH-M150這兩款產品為國內首次生產?！狈秶鴱姳硎荆摯呋瘎┙鉀Q了國產茂金屬聚丙烯催化劑在環管聚丙烯裝置上的應用問題，促進了國內聚丙烯產品高端化。

　　產生較好經濟效益——將帶動相關產業國產化進程

　　記者了解到，從2012年研發立項到2022年研發成功，國產茂金屬聚丙烯催化劑的面世用了整整10年時間。漫長的10年研發之后，相關推廣應用正在鋪開。

　　據范國強介紹，目前該催化劑已實現中試規模生產，正在建設工業生產裝置，預計今年下半年可實現工業規模生產。該催化劑在揚子石化、中原石化已成功應用，還有幾家企業有意向試用。在經濟效益上，中原石化開發的茂金屬聚丙烯產品，每噸售價要比通用料高2000元左右。在聚丙烯裝置開工率低、市場低迷的當下，這樣的價格很難得。

　　除了經濟效益，范國強更期待的是能帶動相關產業的國產化進程。

　　“目前國內茂金屬聚丙烯絕大部分依賴進口，國內企業由于擔心供應穩定性，不愿擴大用量。該催化劑研發成功后，有望解決茂金屬聚丙烯的國產化穩定生產問題，消除下游客戶的顧慮，也將有力促進茂金屬聚丙烯的下游應用?！狈秶鴱娬f。

　　據了解，下游應用場景如汽車部件、高端包裝等，對聚丙烯樹脂的氣味、可揮發性有機物(VOCs)含量要求比較嚴格，茂金屬聚丙烯可以很好地滿足要求。此外，茂金屬聚丙烯鏈結構的特點使其收縮率較低，且更為均勻，更適合生產薄壁產品。用其生產的無紡布，強度和斷裂伸長都顯著提高；制備的流延膜霧度更低，透明性更好。

　　“目前，國內茂金屬聚丙烯年使用量在10萬噸左右，車用領域占較大比例，且仍處于增長階段。該催化劑已成功開發了用于汽車部件的茂金屬聚丙烯產品，隨著產品的國產化穩定供應，下游樹脂應用企業將會逐步擴大使用規模。隨著催化需求增加，催化劑制備所需的載體、助催化劑等上游產品需求也會相應增加，由此也會帶動相關產業加快國產化進程。”范國強表示，他們正在研發下一代催化劑，以進一步優化提升催化劑性能、降低聚丙烯生產成本、提高聚丙烯產品市場競爭力。此外，他們還將考慮拓展茂金屬聚丙烯的產品范圍，開發更多的無規共聚產品，用于醫用包裝、透明容器等領域。同時，適用于氣相聚丙烯生產工藝催化劑的工業化應用也在推進之中。