隨著“以塑代鋼”的推進(jìn)及塑料生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，塑料管材因具有自重輕、耐腐蝕、耐壓強(qiáng)度高、衛(wèi)生安全、使用壽命長等優(yōu)點，在市政工程、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、建筑、石油化工等領(lǐng)域成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬管材的主要材料。尤其是聚烯烴管材料因性能優(yōu)于其他塑料管材料，逐漸成為管材應(yīng)用領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。

　　近年來，我國塑料承壓管道市場逐漸成熟，PE100級管材料已成為主流。然而，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，為滿足“非開挖”“大口徑”“高通量”“節(jié)能環(huán)保”等新的工程應(yīng)用要求，對高端管材料的需求量持續(xù)增加。因此，我國迫切需要加快高端聚烯烴管材料的國產(chǎn)化步伐。這意味著，耐開裂聚乙烯(PE100-RC)、耐熱聚乙烯(PE-RT II型)、聚1-丁烯(PB-1)成為我國聚烯烴管材料的高端產(chǎn)品。目前，我國上述三種高端聚烯烴管材料消費量持續(xù)增多，而供應(yīng)則主要依賴進(jìn)口。基于我國石化產(chǎn)品高端化發(fā)展需求，高端聚烯烴管材料市場需求旺盛，受到業(yè)界高度重視，已成為當(dāng)前石化行業(yè)研發(fā)熱點之一。

　　三大高端聚烯烴管材料依賴進(jìn)口

　　目前，我國聚烯烴管材料以通用為主，PE100-RC、PE-RT II型、PB-1等高端管材料產(chǎn)量很少，產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。

　　1、耐開裂PE100-RC管材料

　　耐開裂PE100-RC管材料是中/高密度聚乙烯管道材料的第4代，也是最新一代，其代表產(chǎn)品為相對分子質(zhì)量雙峰分布的乙烯己烯共聚物。PE100-RC屬于PE100級材料，但其慢速裂紋增長性能明顯優(yōu)于PE100管材料。采用PE100-RC管材料鋪設(shè)的管道可以在有外部劃傷和點載荷的作用下，仍能達(dá)到100年的設(shè)計使用壽命，所以特別適用于管道更新、非開挖安裝和管道快速敷設(shè)技術(shù)，在城市管道施工中具有明顯優(yōu)勢，在國外已廣泛應(yīng)用。

　　目前，PE100-RC管材料工業(yè)化生產(chǎn)以國外公司為主，如利安德巴塞爾工業(yè)、道達(dá)爾、北歐化工、英力士等，各公司均采用自主知識產(chǎn)權(quán)聚乙烯成套技術(shù)，產(chǎn)品各有特點且牌號豐富，并形成了系列化。表1為國外典型的PE100-RC管材料主要性能指標(biāo)。

　　目前，我國僅中國石化的中沙石化和中韓石化開發(fā)的專用料通過了北京化工研究院(國家唯一建材測試權(quán)威機(jī)構(gòu))8760h的專業(yè)測試。其中，中沙石化開發(fā)的PE100-RC超韌聚乙烯塑料管道專用料PN049RC，于2017年5月通過8760h測試，該產(chǎn)品各項性能指標(biāo)完全可與進(jìn)口產(chǎn)品媲美，目前正在下游客戶進(jìn)行推廣試用；中韓石化的PRC100于2018年12月通過8670h測試，產(chǎn)品正在推廣試用。

　　2、耐熱PE-RT II型管材料

　　PE-RT是乙烯與α-烯烴共聚物，通過控制支鏈數(shù)量及其分布得到具有特殊分子結(jié)構(gòu)的聚乙烯。PE-RT是新型耐高溫、非交聯(lián)的聚乙烯管材，既保留了聚乙烯的耐低溫特性，又提升了其在高溫條件下的抗蠕變性能和強(qiáng)度，具有較好的柔韌性和熱傳導(dǎo)性，易加工、可回收、可焊接，適用于民用建筑冷熱水管路系統(tǒng)、工業(yè)熱介質(zhì)輸送系統(tǒng)、地板輻射采暖系統(tǒng)等。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 22391—2:2009根據(jù)耐高溫靜液壓強(qiáng)度等級不同，將PE-RT管材料分為Ⅰ型和Ⅱ型，其中Ⅱ型管材料的耐溫耐壓性能好于Ⅰ型，且因具有更高的耐靜液壓強(qiáng)度，近年來已成為城市二級供暖管網(wǎng)的首選材料。

　　PE-RT II型管材料最早由美國陶氏公司實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，2001年陶氏公司以1-辛烯為共聚單體，采用茂金屬催化劑，通過其Insite溶液法工藝聚合而成，命名為DOWLEX 2388，相較于I型管材料，該產(chǎn)品在高溫下能表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐靜液壓強(qiáng)度，以及更優(yōu)越的柔韌性、光澤度、氣味及加工性能。隨后，韓國SK能源、韓國LG化學(xué)、韓國大林產(chǎn)業(yè)、利安德巴塞爾工業(yè)、道達(dá)爾等公司相繼開發(fā)出各自的PE-RT II型管材料，均通過了瑞典BODYCOTE的認(rèn)證，產(chǎn)品各有特點。表2為國外典型PE-RT II型管材料的主要性能指標(biāo)。

　　目前，我國已經(jīng)工業(yè)化的PE-RTⅡ型管材樹脂主要有中國石化揚子石化的YEM4705T、中國石化齊魯石化的QHM22F和中國石油大慶石化的DQDN3712。其中，中國石化揚子石化的YEM4705T于2011年8月成功實現(xiàn)工業(yè)化試生產(chǎn)，其以1-丁烯為共聚單體，采用Z-N催化劑，通過低壓淤漿聚合而成，分子量呈雙峰分布；中國石化齊魯石化的QHM22F于2011年11月成功實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，以1-己烯為共聚單體，采用自主研發(fā)的茂金屬催化劑，通過Unipol氣相法工藝聚合而成；中國石油大慶石化的DQDN3712于2017年11月成功工業(yè)試生產(chǎn)190噸，以1-己烯為共聚單體，采用進(jìn)口的茂金屬催化劑，通過Unipol氣相法工藝聚合而成，目前正在進(jìn)行國家認(rèn)證，并在下游用戶進(jìn)行試應(yīng)用。表3為齊魯石化和大慶石化產(chǎn)品的典型物性。

　　3、聚1-丁烯(PB-1)管材料

　　PB-1是以1-丁烯為單體，經(jīng)催化劑在反應(yīng)器中催化聚合而成的熱塑性樹脂。PB-1的屈服值是低密度聚乙烯的2倍，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別是低密度聚乙烯的6～10倍和3～4倍。因此，PB-1管材料具有良好的機(jī)械性能，優(yōu)良的韌性、耐熱蠕變性和耐環(huán)境應(yīng)力開裂性。因PB-1具有5種不同晶型，熔融后冷卻生成不穩(wěn)定的II型，必須在室溫下靜置7天變成穩(wěn)定的I型才能使用，目前主要用于熱水管。世界主要PB-1生產(chǎn)企業(yè)見表4。

　　目前，我國PB-1工業(yè)化裝置僅山東東方宏業(yè)化工有限公司一套，產(chǎn)能為5萬噸/年，于2013年12月在山東壽光建成。該裝置采用青島科技大學(xué)技術(shù)，主要生產(chǎn)用于建筑和地暖的管材產(chǎn)品，年平均開工率為60%~70%。目前，第二套裝置正在建設(shè)中，是2015年山東瑞達(dá)化工公司在滕州開工建設(shè)產(chǎn)能為6萬噸/年的裝置。

　　急需開發(fā)管材料快速表征檢測技術(shù)

　　2019年，我國聚烯烴管材料消費量約408萬噸。其中，聚乙烯管材料消費量為290萬噸、聚丙烯管材料消費量約112萬噸。聚乙烯管材料主要用于生產(chǎn)給水管、燃?xì)夤堋⒌嘏芎头情_挖管道，以PE100級管材料消費為主，消費量為250萬噸，約占總消費量的86%。聚丙烯管材料分為嵌段共聚聚丙烯(PPB)管材料和無規(guī)共聚聚丙烯(PPR)管材料，PPB主要用于排水管和工業(yè)排污管，PPR主要應(yīng)用于家用供水、地板采暖和融雪系統(tǒng)等領(lǐng)域。

　　在高端管材料中，PE100-RC消費量約14萬噸、PE-RT II消費量約12萬噸、聚1-丁烯管材料消費量約6萬噸，目前主要依賴進(jìn)口。表5為我國高端聚烯烴管材料主要進(jìn)口牌號及生產(chǎn)廠家。

　　目前，聚烯烴管材料已由僅提高承壓向高耐慢速應(yīng)力開裂、高耐熱等級和高承壓能力的平衡轉(zhuǎn)變。要實現(xiàn)管材料的剛韌平衡性發(fā)展，需要催化劑、聚合工藝、管材加工等技術(shù)的持續(xù)不斷升級與突破。

　　就催化劑而言，新型催化劑需要具有更優(yōu)的共聚性能、更高的氫調(diào)敏感性和更好的催化活性。此外，催化劑種類也由傳統(tǒng)的Z-N催化劑向其他高活性、單活性中心及復(fù)配催化劑體系拓展。就聚合工藝而言，研發(fā)主要集中在新型反應(yīng)器的開發(fā)、不同工藝的組合，聚合工藝已由單反應(yīng)器單峰向多反應(yīng)器串聯(lián)、單反應(yīng)器多峰方向發(fā)展。在管材加工技術(shù)方面，低溫高速擠出生產(chǎn)技術(shù)、熔體過濾技術(shù)、自動變徑技術(shù)、多層共擠復(fù)合管材加工技術(shù)、纖維增強(qiáng)復(fù)合管制備技術(shù)、固相口模拉伸技術(shù)等新的管材加工技術(shù)和裝備不斷涌現(xiàn)，管材料的加工性能和力學(xué)性能不斷改善。

　　此外，開發(fā)高端聚烯烴管材料一般用時較久。以PE100-RC為例，除了PE100管材料所需的100~500h檢測常規(guī)物性之外，還需要對耐慢速開裂性能的管材切口試驗(NPT)、管材點載荷試驗(PLT)和全切口蠕變試驗(FNCT)等指標(biāo)進(jìn)行表征，檢測時間一般都超過8760h。因此，急需開發(fā)管材料快速表征檢測技術(shù)，縮短高端聚烯烴管材料開發(fā)周期。

　　迫切需要加快國產(chǎn)化步伐

　　當(dāng)前，我國經(jīng)濟(jì)社會已步入高質(zhì)量發(fā)展階段，各產(chǎn)業(yè)正逐步向高質(zhì)量邁進(jìn)。隨著我國市政建設(shè)的逐步完善、現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程的推進(jìn)和城鎮(zhèn)化步伐的持續(xù)，產(chǎn)生了新的工程應(yīng)用需求，如“非開挖”“大口徑”“高通量”“節(jié)能環(huán)保”等，進(jìn)而對管材料的性能提出了新要求，即承壓管材料還要具備優(yōu)異的耐慢速開裂性能，耐熱管材料在節(jié)能的同時耐熱等級和承壓能力進(jìn)一步提升。因此，我國迫切需要加快高端聚烯烴管材料的國產(chǎn)化步伐。

　　我國PE100-RC管材料國產(chǎn)化步伐的關(guān)鍵制約因素是是高碳a-烯烴、催化劑、聚合工藝，因此應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)具有更優(yōu)氫調(diào)敏感性和更高共聚性能催化劑的開發(fā)、聚合工藝的優(yōu)化與研發(fā)，以及1-辛烯等高碳a-烯烴的攻關(guān)及工業(yè)化應(yīng)用步伐。此外，PE100-RC管材料的關(guān)鍵指標(biāo)檢測FNCT、PLT、NPT檢測都要超過8760h，極大地限制了PE100-RC管材料的開發(fā)。為縮短開發(fā)周期，需要加快快速表征檢測技術(shù)的開發(fā)。

　　盡管中國石油和中國石化都有相應(yīng)的PE-RT II型管材料產(chǎn)品，但從預(yù)測靜液壓強(qiáng)度、相對分子質(zhì)量及其分布、共聚單體種類及含量等關(guān)鍵指標(biāo)看，國產(chǎn)料與國外料相比，在產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性以及性能上仍有一定差距，其根本原因是催化劑和聚合工藝。因此，要加快先進(jìn)催化劑的研發(fā)，提高催化劑的氫調(diào)敏感性和共聚性能；不斷優(yōu)化現(xiàn)有聚合反應(yīng)工藝條件，開發(fā)新型聚合技術(shù)；持續(xù)強(qiáng)化1-辛烯等高碳a-烯烴的研發(fā)，盡快實現(xiàn)國產(chǎn)化。

　　PB-1管材料性能的提高，關(guān)鍵是提高PB-1由晶型Ⅱ轉(zhuǎn)變?yōu)榫廷竦霓D(zhuǎn)變速率，歸根到底是提高全同含量，目前主要采用聚合、添加成核劑和共混等方法實現(xiàn)。因此，要持續(xù)加強(qiáng)現(xiàn)有聚合工藝的優(yōu)化及新型聚合技術(shù)的開發(fā)，同時持續(xù)優(yōu)化成核劑加入的種類、質(zhì)量等，并研發(fā)新型成核劑，以及共混工藝的優(yōu)化、新型高效催化劑的開發(fā)等。

　　 轉(zhuǎn)自：中國化工信息周刊