橡膠被譽為“黑色黃金”。優質天然橡膠是航空航天、交通運輸、醫療衛生等領域重要的基礎原材料和戰略資源之一，具有不可替代的地位。但我國天然橡膠產量極少，性能較低，遠不能滿足市場需求。因此，研發出具有我國自主知識產權的合成橡膠品種，并加速實現其規模產業化，使我國從耗膠大國向橡膠工業生產強國轉變意義重大。基于此，由中國科學院長春應用化學研究所開發的專利技術“一種稀土催化劑的制備方法及其在雙烯烴聚合和共聚合中的應用”獲得了第24屆中國專利優秀獎。
開發稀土異戊橡膠替代天然膠
據長春應化所白晨曦研究員介紹，我國每年的天然橡膠產能較低，遠不能滿足行業需求。稀土異戊橡膠因其分子結構及性能與天然橡膠最為接近，又稱“人工合成天然橡膠”，是合成橡膠中能夠替代天然橡膠綜合性能最好的膠種，可應用于輪胎、膠帶、膠管等領域。
“很長一段時間，在合成橡膠膠種中，我國稀土異戊橡膠的工業化生產屬于空白。”白晨曦表示，稀土異戊橡膠具有許多與天然橡膠類似的特性，如優良的彈性、耐磨性、耐熱性和抗撕裂性等。其動態力學性能甚至優于天然橡膠，可部分甚至全部替代天然橡膠。
作為我國最早開展合成橡膠研發的單位之一，從上世紀50年代起，長春應化所就開始進行合成橡膠的研發和生產。1950年，新中國第一塊合成橡膠——氯丁橡膠就誕生于此。經過多年積累，長春應化所在該領域已經取得了多項重大成就，相繼開發了適合生產不同合成橡膠品種的多代稀土催化劑產品。此次獲獎的專利技術就是由白晨曦團隊研發的第五代稀土催化劑。
構建稀土催化體系和制備新技術
第五代催化劑產品采用了白晨曦研究團隊創新的多項技術。研究團隊從橡膠合成方法學基本原理出發，提出了雙烯烴配位聚合機理的新思路，建立了新型可控配位可逆鏈穿梭聚合新方法，發明了“陽離子稀土催化體系—烯醛氣相化學法合成異戊二烯單體—新型可控配位聚合—高性能稀土異戊橡膠”的全鏈條制備新技術。
研究團隊從上百種配體中篩選出價格低廉、易得的配體，開發出高效催化體系，可以實現分子序列的精準調控，提高聚合物的選擇性。最終，研究團隊成功搭建催化體系，并高效合成多種橡膠，如天然橡膠的替代品——稀土異戊橡膠、汽車綠色輪胎的必用橡膠——稀土順丁橡膠、高寒地帶必用的耐低溫橡膠——稀土丁異戊橡膠。
據白晨曦介紹，該催化體系搭建中遇到了重重難題，研發團隊一方面要攻克提高催化效率的基礎科學問題，先后嘗試了助催化劑的選擇、催化劑位阻和電子云的調控等不同方式。另一方面還要打通科技成果轉化“最后一公里”，即工藝全流程、解決工程化的問題。在實踐中，研究團隊從實驗室、小試、中試到產業化，再到市場開發和售后服務，集高分子化學、化學工程、儀表設計等各領域人才之長，成功研制出10萬噸級工藝包，實現了和設計院的無縫對接。
“我們就像在無人之地奔跑，有目標，路卻需要自己走。”白晨曦在談及催化劑的研究過程時說。
不斷迭代加快落地轉化
在落地轉化中，長春應化所堅持產學研合作，以市場需求為導向，根據產業發展不斷迭代。
長春應化所和山東神馳石化有限公司合作推進該項專利技術的工業化進程。采用該項專利技術，山東神馳石化有限公司建設的3萬噸/年稀土異戊橡膠生產裝置，實現了投料試車一次成功。利用稀土異戊橡膠試制的全鋼載重子午線樣胎經國家橡膠輪胎質量監督檢驗中心檢測，其磨耗性能、強度、耐久性均達到國標要求，高負荷下輪胎仍保持完好，可以實現稀土異戊橡膠100%替代天然橡膠用于高性能全鋼載重子午線輪胎的生產。
利用該專利技術開發的稀土催化體系和聚合方法，研究團隊又相繼開發了仿生橡膠、耐低溫丁異戊橡膠、稀土順丁橡膠、醫用異戊膠乳、液體聚丁二烯橡膠和液體聚異戊二烯橡膠等，制作的橡膠制品應用于航空輪胎、新能源汽車輪胎、非充氣輪胎、生物醫用材料、黏合劑等領域。其中，稀土順丁橡膠作為綠色輪胎必用膠種之一，已經形成5萬噸級基礎設計工藝包。