Metallocene Polyolefins so với Polyolefins Truyền thống: Từ Thiết kế Phân tử đến Cách mạng Công nghiệp

Polyolefin truyền thống dựa vào các chất xúc tác Ziegler-Natta, với các trung tâm hoạt động đa dạng dẫn đến phân bố trọng lượng phân tử rộng (PDI=5-10) và khó kiểm soát sự phân nhánh của chuỗi phân tử. Ví dụ, tính đồng cấu của polypropylene truyền thống phụ thuộc vào các chất cho electron bên ngoài, khiến việc cân bằng giữa khả năng chống va đập và độ cứng trở nên khó khăn. Ngược lại, các chất xúc tác metallocene (ví dụ, metallocene dựa trên zirconium) cho phép điều chỉnh cấu trúc chuỗi phân tử ở quy mô nano thông qua các trung tâm hoạt động đơn, với phân bố trọng lượng phân tử hẹp (PDI≈2) và sự chèn monomer copolymer đồng nhất. Lấy polyethylene metallocene (mPE) làm ví dụ: mật độ phân bố của α-olefin (ví dụ, 1-hexene) trong các chuỗi phân tử của nó có thể được kiểm soát chính xác ở mức 1.5-3.5 mol%, cân bằng giữa độ bền kéo của phim và tính linh hoạt.

Polyolefin truyền thống chủ yếu áp dụng các phương pháp slurry hoặc pha khí với việc điều chỉnh tham số quy trình hạn chế. Ví dụ, trong sản xuất LLDPE truyền thống, tỷ lệ chèn của comonomer 1-butene chỉ có thể được điều chỉnh một cách sơ bộ bằng áp suất và nhiệt độ. Tuy nhiên, polyolefin metallocene tiên phong trong các giải pháp chính xác cho quá trình polymer hóa dung dịch và pha khí:

Các phim polyolefin thông thường (ví dụ: LDPE) chỉ có 85% độ truyền sáng và khả năng chống đâm thủng không đủ, không đáp ứng được nhu cầu đóng gói thực phẩm cao cấp. Polyethylene metallocene (mPE), với 95% độ truyền sáng và độ bền kéo 35 MPa, trở thành vật liệu ưa thích cho các khay trái cây tươi nhập khẩu và túi đứng. Trong các túi đóng gói nặng, mPE có thể giảm độ dày từ 20%-30% trong khi vẫn duy trì khả năng chống ẩm và tính năng chống lão hóa, tăng số lượng túi sản xuất trên mỗi tấn nguyên liệu thô lên 30%.

PP thông thường không thể được sử dụng trong các thiết bị y tế chính xác do hàm lượng chất chiết xuất cao và độ trong suốt thấp. Polypropylene metallocene (mPP), thông qua các hệ thống xúc tác tối ưu hóa, có hàm lượng chất chiết xuất chỉ 20%-25% so với PP truyền thống và độ truyền sáng 92%, thay thế các vật liệu PC trong bình sữa trẻ em và ống thông y tế. Trong lĩnh vực các giá đỡ wafer bán dẫn, loại mPP MU4016 của Yanshan Petrochemical có hàm lượng ion dưới 0.1 ppm, đáp ứng yêu cầu in lithography EUV và phá vỡ các độc quyền nước ngoài.

Các bộ phận bảo vệ PP truyền thống yêu cầu sửa đổi gia cố để đáp ứng khả năng chống va đập, trong khi copolymer PP tác động metallocene (ví dụ: dòng sản phẩm Exact của ExxonMobil) duy trì độ bền tuyệt vời ở -30℃, giảm mật độ xuống 5% và trọng lượng xuống 15%. Trong các bể chứa nhiên liệu ô tô, mPE đồng đùn với EVOH giảm khả năng thẩm thấu nhiên liệu xuống 60% so với HDPE truyền thống, tuân thủ tiêu chuẩn phát thải Euro VI.

Nghiên cứu và phát triển metallocene polyolefins của Trung Quốc bắt đầu vào những năm 1990. Yanshan Petrochemical đã giới thiệu công nghệ pha khí của ExxonMobil để sản xuất mPE vào năm 2005, nhưng các chất xúc tác chính vẫn phụ thuộc vào nhập khẩu. Ở giai đoạn này, công suất nội địa chưa đạt 100.000 tấn/năm, và sự phụ thuộc vào nhập khẩu đối với các sản phẩm cao cấp vượt quá 80%.

Các tổ chức như Viện Nghiên cứu Hóa học Bắc Kinh 攻克 (broke through) công nghệ tải xúc tác metallocene. Petrochemical Yanshan lần đầu tiên đạt được sản xuất mPP liên tục vào năm 2018, với loại MU4016 có độ truyền sáng 92%, tương đương với sản phẩm của Mitsui Chemicals. Năm 2022, Petrochemical Yangzi sản xuất mPP loại y tế bằng cách sử dụng xúc tác tự phát triển, đánh dấu sự gia nhập của Trung Quốc vào ứng dụng công nghiệp của metallocene.

Với metallocene được liệt kê là một hướng nghiên cứu chính trong kế hoạch vật liệu mới "14 năm lần thứ 14" của Trung Quốc, công suất trong nước đã mở rộng nhanh chóng: tổng công suất dự kiến sẽ đạt 1,5 triệu tấn/năm vào năm 2025, với dự án Huizhou của ExxonMobil đóng góp 1,23 triệu tấn. Trong khi đó, các doanh nghiệp tư nhân như Wanhua Chemical và Hengli Petrochemical đang triển khai trong các lĩnh vực cao cấp, dần dần ra mắt các sản phẩm khác biệt như mPP cấp y tế và mPP chuyên dụng cho in 3D.

Metallocene polyolefins đang định hình lại ranh giới hiệu suất vật liệu thông qua thiết kế phân tử, thúc đẩy sự chuyển mình của ngành polyolefin từ "mục đích chung" sang "tùy chỉnh". Với những đột phá trong công nghệ xúc tác (ví dụ: xúc tác SMC-PL01 của Sinopec) và tối ưu hóa quy trình pha khí, Trung Quốc dự kiến sẽ chiếm hơn 60% thị phần xúc tác trong nước vào năm 2028. Cùng với việc địa phương hóa α-olefins (ví dụ: dự án PDH của Satellite Chemical) và nâng cấp công nghệ chế biến nóng chảy, vật liệu metallocene sẽ thâm nhập sâu hơn vào các lĩnh vực mới nổi như bao bì pin năng lượng mới và cáp truyền thông 5G, dẫn dắt ngành polyolefin toàn cầu hướng tới phát triển xanh và cao cấp.