2024年10月17日-19日，2024全国绿碳科学会议在青岛召开。中国科学院院士、中国科学院上海有机化学研究所唐勇研究员应邀出席，并作题为“乙烯聚合物材料的创制与产业化应用”的主旨报告。
乙烯聚合物材料的创制与产业化应用
背景介绍
聚烯烃材料全球年产量超过4亿吨（2022年），以其为代表的塑料改变了人类的生产生活方式，广泛应用于工业、农业、国防安全以及人们的日常生活，已成为不能不用、不会不用的重要基础材料。唐勇研究员从催化剂的设计出发，精准调控聚合物结构，发展高性能的聚烯烃材料，并实现了相关材料在不同场景的应用。唐勇研究员介绍了其团队创制的类单活性中心Ziegler-Natta （Z-N）催化剂，研制的易加工、耐磨性能优异的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）树脂及其在管材、纺丝、人工关节、过滤专用料等方面的应用；另外，针对高端合成润滑油短缺问题，另辟蹊径实现了乙烯直接高效转化为高枝化聚乙烯油（ETO），并将其作为基础油在齿轮油、铝管拉拨油、真空泵油、金属加工液等方面进行了应用探索。最后，唐勇研究员展望了烯烃聚合物材料未来发展的方向，提出要立足应用场景发展专用化、系列化和高性能化的聚烯烃材料。。
中国科学院院士、中国科学院上海有机化学研究所唐勇研究员应邀在“2024全国绿碳科学会议”作主旨报告
报告内容介绍
1 聚烯烃材料的背景介绍与绿色生产以及使用的理念与思路
2022年，聚烯烃材料全球年产量超过4亿吨，以其为代表的塑料制品作为管材、包装材料、减震材料、医疗装备等广泛应用于工业、农业、国防安全以及人们的日常生活，已成为不能不用、不会不用的重要基础材料。
在此背景下，唐勇研究员提出了聚烯烃材料高效创制和应用场景拓展的理念与思路，即从催化剂的设计出发，精准调控聚合物结构，发展高性能的聚烯烃材料，并实现相关材料在不同场景的应用。他进一步强调新催化剂的设计、发展是精确控制聚合物结构、实现聚烯烃材料高性能与新应用的关键。
2 探索与进展
在介绍了聚烯烃领域的背景后，唐勇研究员详细介绍了其团队在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）树脂以及润滑基础油两类材料创制上取得的成果。
● 类单活性中心Z-N催化剂的创制用于UHMWPE生产及其产业化应用
单活性中心催化剂主要有均相的茂金属、非茂金属催化剂，一般需要负载化后用于高性能聚烯烃的生产，但成本高等因素限制了其发展。而Z-N催化剂是多活性中心的非均相催化剂，主要用于通用树脂的生产，由于价格便宜，与单活性中心催化剂相比有很大的竞争优势。唐勇研究员团队创制了新型类单活性中心Z-N催化剂，成功采用廉价易得的三烷基铝作为助催化剂，实现了乙烯的高活性聚合，催化剂活性最高达到25000倍，同时实现了聚烯烃结构的精准控制，分子量分布为1.8-3.0，长支链少于十万分之一，与己烯的共聚在常规条件下达到了2.1 mol%的插入率。
UHMWPE树脂抗冲击性能居塑料之首，可部分取代钢材、青铜用于纺织、医疗、运输等领域，而UHMWPE纤维与碳纤维、芳纶纤维并称三大高性能纤维，它的比强度是优质钢丝的15倍以及芳纶的2倍。然而，市售的UHMWPE存在难以加工等问题。针对这一问题，唐勇研究员团队通过类单活性Z-N催化剂实现了UHMWPE低支化结构以及窄分子量分布降低熔体强度，使得UHMWPE挤出专用料加工性能优异，且耐磨性能比在线油井管材料明显更优异。
同时，唐勇团队发现类单活性Z-N催化剂生产的UHMWPE缠结较少，在十氢萘和溶剂油中均更容易溶胀，可以实现高浓度纺丝，有望突破UHMWPE纤维制备成本高的技术瓶颈。另外，基于其团队催化技术获得的UHMWPE拉伸模量和强度均很高，可以作为人工关节料以及过滤专用料进一步拓展应用。
唐勇团队通过与上海工程公司合作，形成完整的基于类单活性中心Z-N催化剂高效生产UHMWPE成套技术工艺包，已实现了多套工艺技术的转移转化。
● 乙烯直接制备高枝化合成润滑基础油（ETO）的原创技术及其产业化研究
除了UHMWPE材料的创制以及产业化应用，唐勇研究员介绍了其团队近年发展的乙烯直接高效制备全合成润滑油基础油（ETO）的原创技术。
国际摩擦学理事会数据表明，摩损导致80%设备损坏或故障，摩擦和磨损造成的损失通常占一个国家GDP的2%-7%。因此，润滑油市场规模巨大且具有重要经济社会价值。基础油是润滑油的关键材料，聚α-烯烃（PAO）由于黏温特性、稳定性、低温流动性等优异性能成为高端润滑油首选/必选的基础油。但因PAO合成受制于其原料α-烯烃制备技术的局限（α-烯烃制备存在缺乏选择性的问题，乙烯的利用率低于40%），80余年工业界和学术界一直致力于相关研究但无重大突破。
针对以上问题，唐勇研究员另辟蹊径，设想用低分子量的枝化聚乙烯结构替代PAO，通过创制新型镍系催化剂，实现了乙烯一步法高效制备低分子量的高枝化聚乙烯油（ETO），催化剂对乙烯聚合活性高达14750倍，C4以上的长支链达到59 mol%，每1000个聚乙烯碳中甲基数高达150个。通过设计催化剂结构，还可以精准调控聚乙烯分子量以及聚乙烯油的粘度。得到的枝化聚乙烯油ETO，具有优异的热稳定性、剪切稳定性和氧化稳定性以及高粘度指数，低倾点等物理性能；流变特性研究证实ETO与PAO相当，其粘度不随剪切速率的变化而变化，表现出非牛顿流体特性；在同等粘度的润滑性能对比中，发现ETO具有更宽的高效润滑区（摩擦系数COF在0.01–0.1的区域），且相同工况下ETO的摩擦系数COF更低，表明相同工况下ETO减摩擦效果可能更优；同时，ETO的抗氧化、抗腐蚀性能与PAO相当，抗乳化、抗泡沫性能优于PAO。
唐勇团队进一步基于ETO研发了重负荷工业齿轮油、冷锻油、铝管拉拨油、真空泵泵油、环保型金属加工液等，均表现出优异的综合性能。目前，ETO技术已在南京建成了3000吨/年的生产示范线，乙烯的利用率达到98%、废固量0.55%、无工业废水产生，二期5万吨/年已经立项在建设中。未来，唐勇团队将进行系列粘度牌号ETO开发、与之相匹配的添加剂技术、润滑油配方优化以及应用场景开拓等系统工作。
3 展望与未来
报告最后，唐勇研究员展望了烯烃聚合物材料未来发展的方向，他提出要在立足应用场景的基础上，创制聚烯烃新结构，关注聚烯烃材料的专用化、系列化和高性能化。催化剂创新以及成套工艺技术开发是核心，同时还需要密切关注聚烯烃材料的加工应用、生产成本控制以及市场接受度。
唐勇研究员在报告中指出了乙烯聚合物新材料创制和产业化应用的难点、痛点和堵点，技术突破的关键点，为该领域未来的发展提出了他的见解和观点，和广大青年科技工作者分享了其团队基础研究以及材料产业化应用方面的宝贵经验。
专家介绍
唐勇 研究员
唐勇，男，1964年9月出生于四川省井研县，中国科学院院士。现任中国科学院上海有机化学研究所研究员、博士生导师、Green Carbon顾问委员会委员。唐勇研究员团队针对均相催化领域的选择性控制与催化等核心科学问题，发展了在催化剂的活性中心区域装载配位基团以调控催化行为的方法，提出了边臂策略设计金属有机催化剂的理念。运用该策略设计了系列手性配体并成功应用于十余类重要的不对称催化反应；发展了叶立德反应选择性调控的一些新方法；设计了新型单中心聚烯烃催化剂，为聚乙烯多样性链结构的选择性合成提供了高效的途径。多项研究成果实现转化，基于新型催化剂实现的易加工超高分子量聚乙烯实现商业化应用；在国际上首次实现高枝化聚乙烯油（ETO）成套技术开发。唐勇院士获国家自然科学二等奖（2002，第三完成人; 2012，第一完成人）、上海市科技进步一等奖（2001，第三完成人）、上海市自然科学一等奖（2011，第一完成人）、第九届中国青年科技奖、中国化学会手性化学奖（2019）等奖励。
原文链接
唐勇研究员与Green Carbon | 乙烯聚合物材料的创制与产业化应用
Green Carbon
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投稿网址：Green Carbon投稿
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