釹系稀土順丁橡膠工業(yè)化設計發(fā)展建議

林　海

[摘要]介紹釹系稀土順丁橡膠的發(fā)展，提出釹系稀土膠工業(yè)化設計的發(fā)展建議。

[關(guān)鍵詞]稀土順丁橡膠關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：T043文獻標識碼：A文章編號：1671—7597(2009)0620104-02

一、釹系稀土順丁橡膠的發(fā)展

順丁橡膠是1960年代我國自行研究開發(fā)的重要合成材料，1971年10月在北京石油化工總廠勝利化工廠(燕山石化)建成萬噸級合成橡膠廠投產(chǎn)形成了自主的成套技術(shù)，實現(xiàn)了鎳系順丁橡膠的工業(yè)化。

我國稀土資源豐富，稀土順丁橡膠也是1960年代中國科學院長春應用化學研究所研發(fā)的一個重要方向，稀土順丁橡膠的順式含量高，耐磨耗、耐疲勞、耐低溫、粘著性及拉伸性能均優(yōu)于普通鎳系順丁橡膠，用于輪胎可改善抗?jié)窕裕⒔档蜐L動阻力，適合制造高性能輪胎。我國在稀土順丁橡膠研發(fā)方面曾領(lǐng)先于世界，但是一直沒有實現(xiàn)真正的工業(yè)化。

近年來，稀土膠在世界輪胎企業(yè)備受關(guān)注，如輪胎巨頭米其林在國外的輪胎企業(yè)使用了大量的稀土膠。隨著市場的發(fā)展，世界上兩大稀土順丁橡膠生產(chǎn)企業(yè)拜耳公司和埃尼公司不斷擴大產(chǎn)能。如：拜耳公司已擁有一套8萬噸／年生產(chǎn)能力的稀土膠生產(chǎn)裝置，還計劃建設一套新的6萬噸／年釹系順丁橡膠生產(chǎn)裝置。

國內(nèi)已有不少輪胎企業(yè)(包括外資企業(yè))多次呼吁希望使用稀土膠，但目前只有錦州擁有千噸級的生產(chǎn)能力，1998年至2002年曾試生產(chǎn)了幾批，但是由于稀土順丁橡膠的特點非常粘，造成管線堵，后處理設備受到了諸多考驗，工業(yè)化進程受阻。此外，中試過程監(jiān)控的技術(shù)參數(shù)還有待進一步完善。

盡管如此，稀土順丁橡膠依然可以通過對現(xiàn)有的鎳系順丁橡膠裝置的稍加改造來組織生產(chǎn)，是適合我國工業(yè)水平現(xiàn)狀的高性能、低成本、有廣闊市場和發(fā)展前景的膠種。穩(wěn)定的釹系順丁橡膠產(chǎn)品也是國內(nèi)輪胎企業(yè)提高產(chǎn)品競爭能力的迫切需要。

二、釹系稀土順丁橡膠工業(yè)化設計的發(fā)展建議

(一)催化劑。稀土催化體系主要是環(huán)烷酸釹或新癸酸釹，以及一氫二異丁基鋁和一氯二乙基鋁。主催化劑有機酸釹的制備不難，相對不危險，指標可以受控。后兩種烷基鋁制造危險性大，也是核心技術(shù)，能夠穩(wěn)定供應產(chǎn)品的廠家國內(nèi)幾乎沒有，但能夠在美國或德國采購，技術(shù)指標基本可以受控。

(二)聚合受控。小試與中試的聚合結(jié)果表明[7]，釹系稀土順丁橡膠相對鎳系順丁橡膠而言聚合更容易，同樣的原料條件下得到順式結(jié)構(gòu)含量更高。產(chǎn)品分子量可以類似于鎳膠生產(chǎn)中的調(diào)節(jié)催化劑比例而受控[8]。影響聚合的因素如同一個多維變量導出的復雜方程。例如，來自多個乙烯裝置的丁二烯原料中的雜質(zhì)的變化會造成聚合小試的結(jié)果難以重合。工業(yè)化進程中還需要增加儀表與控制手段，如乙腈或D咿含量在線分析，含氧在線監(jiān)控，水值監(jiān)控，炔烴含量的在線數(shù)據(jù)，目前的門尼粘度的測試方法相對控制生產(chǎn)而言滯后，門尼粘度在線監(jiān)控和便攜式門尼粘度測定方法的研究是一個重要研究方向。在線門尼測試的核心是一個在線的傳感轉(zhuǎn)子傳輸出的扭矩及轉(zhuǎn)速，并通過溶劑和丁二烯在膠液中的含量測定數(shù)值，進料的丁油濃度、轉(zhuǎn)化率和來建立對應的門尼粘度的數(shù)學模型便課得到經(jīng)驗數(shù)據(jù)，通過算法和編程，計算機可得出門尼粘度，這樣會大大提高控制水平，也有利于將來建立整個聚合裝置的數(shù)學模型。當這些參數(shù)校準并受控后，窄分布控制將會實現(xiàn)，此后寬分布或分布曲線的控制會很容易實現(xiàn)。因此，工藝方面以及數(shù)模方面的專家會對整個研發(fā)以及工業(yè)化起關(guān)鍵作用。將以上的基礎研究和模型建立好后，開發(fā)不同門尼粘度，不同充油份數(shù)的稀土順丁橡膠將成為可能。

打個比方，一個射擊選手能夠穩(wěn)定射中三個10環(huán)，再分別射擊5.6，7環(huán)就很容易了。如果沒有細化影響因素，即便是一次試驗做出了窄分布的產(chǎn)品·長遠看來只是運氣，下一次試驗難以重合上，如同射擊手在不考慮風向和地球的引力的情況下射中了10環(huán)而興奮了一次。找出影響因素就是基礎研究。制取高分子可類比為遠程射擊。

(三)預混與聚合工藝。預混釜也可以設計成兩個串聯(lián)，第一預混釜體積盡量小，可增設體外循環(huán)管線，以便增加可控手段，有利于與小試、中試的陳化條件相一致。否則，在連續(xù)化的工業(yè)生產(chǎn)條件下再好的中試陳化結(jié)論也得不到實現(xiàn)，建議丁二烯和溶劑油在第二預混釜加入。第二預混釜的另一目的是分離催化劑殘渣，設備結(jié)構(gòu)設計中也需要有殘渣排放，這樣設計有利于控制分子結(jié)構(gòu)和減少凝膠。如果能夠在線監(jiān)測預混釜的混合物組成將是頂級的監(jiān)控手段。

第一聚合釜體積可以小些，這樣設計有利于充分攪拌和節(jié)能。

第三聚合釜出口較少一部分膠液可泵送回第二聚合釜，流量必須可控，這樣的設計可以調(diào)節(jié)分子量分布也有利于提高轉(zhuǎn)化率。

稀土順丁橡膠要實現(xiàn)工業(yè)化，建議采用低丁油濃度聚合，有利于管線輸送和凝聚處理，但是能耗會相對高。高活性催化劑能夠彌補能耗高的不利因素。

(四)聚合濃度與溫度。原則上，丁油濃度低，以及低一些的聚合溫度都有利于產(chǎn)品的高順式結(jié)構(gòu)和高分子量產(chǎn)品生成，也有利于膠液輸送。但很可能會影響聚合時間而使裝置產(chǎn)能降低。當催化劑活性優(yōu)良的時候，建議采用低溫和低濃度聚合工藝。

(五)提高設備性能。催化劑計量泵必須達到2％內(nèi)的精度，分析數(shù)據(jù)精準，產(chǎn)品質(zhì)量才能有效控制，選用世界級的隔膜計量泵是有必要的。例如采用德國的普羅蒙特或美國的米頓羅計量泵。

攪拌器是關(guān)鍵技術(shù)不能小看。在同樣的功耗下，優(yōu)秀的攪拌器可能會達到普通攪拌的幾倍的效果。特別是在預混釜中尤其重要。有研究表明：三層漿的攪拌結(jié)構(gòu)用于預混工藝效果理想。預混釜與聚合釜

(六)堵塞問題與膠液輸送。稀土順丁橡膠在國外已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)化，想辦法采購到能夠用于稀土順丁橡膠這樣高粘度流體輸送的噴膠泵和配膠泵不是難題。以前生產(chǎn)鎳膠的管線需要校核，用于生產(chǎn)稀土膠時可提出管壁內(nèi)部的處理要求，如能夠找到合適的減阻管線或襯里，會有利于節(jié)能降耗，同時減阻劑是個研究方向。工業(yè)化試生產(chǎn)曾經(jīng)出現(xiàn)過堵塞問題，因此聚合工藝中丁二烯的濃度不能像生產(chǎn)鎳膠時那么高。為了提高轉(zhuǎn)化率而強調(diào)聚合濃度而不管后處理設備的能力是不全面的考慮。

(七)門尼粘度。可以通過聚合工藝來受控，小試和中試研究表明，調(diào)節(jié)三元催化劑的配比是工業(yè)化產(chǎn)品的主要控制手段。另一個發(fā)展方向是通過膠液罐中的停留時間來控制，利用中試試驗中停留時間與門尼增值的曲線，以及在線門尼測試手段的完善，可通過混膠來提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。利用計算機優(yōu)化計算最佳的混合比例以及最少的能耗和資源占用，生產(chǎn)不同門尼值的產(chǎn)品滿足市場。

(八)凝聚節(jié)能。凝聚工藝是整個順丁橡膠生產(chǎn)中的能耗關(guān)鍵。在同樣的門尼粘度下，釹系稀土順丁膠在凝聚過程中比鎳膠消耗更多的蒸汽，解決的方法可以選用更好的分散劑或針對稀土膠的物性重新設計凝聚工藝，例如：提高蒸汽壓力，提高攪拌功率儲備。設備方面，雙釜凝聚是必

然的選擇，攪拌器的選擇也是個關(guān)鍵，蒸汽入口的選擇以及噴膠的噴嘴參數(shù)都很重要。建議噴膠泵要有足夠的功率儲備，甚至使膠液可以通過3mm直徑的噴嘴。在膠液與蒸汽的混合方面需要進一步完善設計，這里的一點小改進會都影響整體的節(jié)能。

(九)后處理設備。在后處理過程中，生產(chǎn)釹系順丁橡膠的能耗要高，設備要有足夠的功率儲各，即使是選擇降低產(chǎn)量，由于稀土順丁橡膠粘度高，擠壓脫水機的電機和主軸也需要增加功率儲備和扭矩，否則會有斷軸的危險。另外料斗給料的速度要能夠做到可控。

為避免橡膠塑化，膨脹干燥機應該依據(jù)稀土膠的超高粘度而重新設計。模頭的設計也是個關(guān)鍵點。可采用高沸點潤滑劑或固體潤滑劑，有助于稀土膠擠出模頭。

振動提升設備的表面處理必須光潔，另外雙質(zhì)體式的螺旋提升機由于功耗小，噪音低也可以考慮選擇。

壓塊機的處理量是整個后處理的瓶頸之一，其內(nèi)部需要光潔可靠，脫模容易。

以上四種后處理設備的處理能力會影響目順丁橡膠生產(chǎn)效率，國內(nèi)沒有合適的整體制造廠家，對于很多順丁橡膠生產(chǎn)廠家而言還需要同外商技術(shù)談判或改造或整體更新設備，否則就以降低產(chǎn)能為代價。一旦膨脹干燥機出現(xiàn)斷軸事故，將殃及丁二烯罐區(qū)的儲量。為了避免此類事件發(fā)生，就要在談判中和試生產(chǎn)時定制好備件。

(十)增加膠種。稀土充油順丁橡膠。相對而言，充油工藝相對容易一些，這樣可以增加順丁橡膠產(chǎn)品種類，降低成本。而聚合工藝流程基本無變動。

(十一)節(jié)能環(huán)保。采用熱泵技術(shù)回收凝聚過程中的熱量，現(xiàn)已成熟。

回收溶劑與回收丁二烯水值要實現(xiàn)在線測定，在水值合格的情況下，丁二烯與溶劑可一部分直接返回聚合工段，(可以根據(jù)聚合情況來受控)而不必經(jīng)過脫水塔以及以后的回收流程，有利于回收工段的節(jié)能。

(十)安全。稀土順丁橡膠與鎳系順丁橡膠的催化劑類似，危險性基本一致。其他工藝條件一致。

因稀土膠粘度高，在膨脹干燥機中更容易摩擦生熱，后處理部分更要注意防火。

相對于鎳膠生產(chǎn)中的氟離子腐蝕而言，稀土膠催化劑中氯離子的腐蝕也不能忽視，加緩釋劑、堿液以及采用高鎳鋼或者采用PTFE做村里。

三、展望

實現(xiàn)全裝置安全監(jiān)控。智能化生產(chǎn)，利用參數(shù)模擬與計算機量化實現(xiàn)裝置安全與效益最優(yōu)化。

未來研發(fā)方向：采用任意設定分子量的理想的催化劑釓金屬茂催化劑開發(fā)高性能合成橡膠，目前日本的研究小組正在開發(fā)這種釓金屬催化體系的高性能稀土膠。