异戊橡胶(IR) 即顺式1,4-聚异戊二烯橡胶（因分子结构与天然橡胶(NR)相同,故俗称合成天然橡胶），IR可代替NR应用，广泛应用于轮胎、胶带、胶管、胶鞋等橡胶制品，是合成橡胶中综合性能最好的胶种之一。IR是异戊二烯单体在齐格勒-纳塔催化剂或锂系催化剂存在下，经溶液聚合制得。IR与NR一样，综合性能好，在未硫化胶料的撕裂强度、滞后现象和拉伸强度上，尤其是在高温下（100 ℃）的拉伸强度以及自粘性等方面均优于顺丁橡胶和丁苯橡胶。IR可以单独使用，也可以与NR和其他通用橡胶并用。IR主要用于制造轮胎，还可用来制作帘布胶、输送带、密封垫、胶管、胶板、胶带、胶丝、海绵、胶粘剂、电线电缆、运动器械、医疗用具和胶鞋等。
1、俄罗斯产能居首，中东欧需求过半
目前，全球异戊橡胶(IR)产能为62.4万t/a，占世界合成橡胶总生产能力的5%左右。其中，俄罗斯的生产能力为43.0万t/a、北美地区为9.0万t/a、亚太地区为7.6万t/a、欧洲地区为2.5万t/a、中东和非洲地区为0.3万t/a。俄罗斯、美国和日本是世界主要的IR生产国。其中，俄罗斯是世界最大的IR生产国家，其产能依次为为43.0万t/a、9.0万t/a和7.6万t/a。俄罗斯Nizhnekamskneftekhim公司是世界最大的IR生产厂家，生产能力为20.0万t/a，占世界IR总生产能力的32.05%（见表1）[1]。
表1 世界主要IR生产厂家
|
生 产 商 |
地 点 |
生产能力（万t/a） |
|
荷兰Kraton聚合物公司 |
Pernis，Rotterdam |
2.5 |
|
欧洲合计 |
|
2.5 |
|
南非Karbochem公司 |
Neweastle |
0.3 |
|
中东和非洲合计 |
|
0.3 |
|
美国固特异轮胎与橡胶公司 |
得克萨斯州Beaumout |
9.0 |
|
北美合计 |
. |
9.0 |
|
日本合成橡胶公司 |
Kashima |
3.6 |
|
日本瑞翁公司 |
Mizushima |
4.0 |
|
亚太地区合计 |
|
7.6 |
|
俄罗斯Togliattikauchuk公司 |
Toliatti |
13.0 |
|
俄罗斯Kauchuk公司 |
Sterlitamak |
10.0 |
|
俄罗斯Nizhnekamskneftekhim公司 |
Nizhenkamsk |
20.0 |
|
俄罗斯合计 |
|
43.0 |
|
世界总计 |
|
62.4 |
IR主要用于制造轮胎，约占其消费用量的70%，另外还可用来制作帘布胶、输送带、密封垫、胶管、胶板、胶带、胶丝、海绵、胶粘剂、电线电缆、运动器械、医疗用具和胶鞋等。其中，中东欧地区的消费量最高，约占全球总消费量的一半（见图1）。
图1 2009年全球异戊橡胶消费分布
预计2012年世界IR的消费量将达60.8万t。2007～2012年的年均消费增长率约为3.0%，其增长率主要依赖于轮胎类产品的产量及天然胶的价格和供应量。
2、国产化迎来发展新阶段
目前，我国NR的对外依存度高达70%以上，而且由于国内地理条件的限制，NR的产量增加幅度不会出现大的增长，使得NR的产量成为制约我国橡胶行业发展的重要因素。而IR的结构与性能与NR基本相近，具有优良的弹性、耐磨性、耐热性和低温屈挠性等，是合成橡胶中能够替代NR综合性能最好的胶种，被称为“合成天然橡胶”。在载重子午胎中，IR不仅可替代NR，还可大大改善胶料的挤出性能。半钢子午胎和轻卡子午胎的胎体骨架材料一般都采用聚酯帘线，与NR相比，IR在抑制聚酯帘线胺解方面更具优势，更适合在胎体中应用。近年来，国内全钢载重子午胎某些部件所需的IR均从俄罗斯引进，进口量已超过1万t，价格也在逐步攀升。在初期价格较低时，斜交胎也曾使用过进口IR，轮胎生产企业获得了较好效益。如果IR以20%的比例取代NR，配方工艺无需调整就可以顺利使用，仅以轮胎行业2010年消耗NR 250万t计，IR消耗量可达50万t，NR进口量即可减少50万t。目前，俄罗斯在轮胎生产中IR使用比例达到50%，如果国内达到这个比例，IR的需求量将会更大。可见，随着近年我国汽车工业的快速发展，IR在我国发展空间巨大[2]。
之前，IR一直是我国七大合成橡胶中唯一没有实现产业化的品种，国内所需IR完全依赖进口，2009年进口量达到了3.61万t，2010年1~8月进口量达到4.49万t（见表2）。
表2 2004~2009年我国IR进口量 万t
|
|
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010.1-8 |
|
初级形状的异戊二烯橡胶 |
3.18 |
1.133 |
1.11 |
1.46 |
1.22 |
1.14 |
1.21 |
|
异戊二烯橡胶板、片、带 |
0.536 |
0.51 |
1.075 |
3.856 |
2.09 |
2.47 |
3.28 |
|
合计 |
3.176 |
1.643 |
2.185 |
5.316 |
3.31 |
3.61 |
4.49 |
近年来进口IR的价格也是逐年提高。2004~2010年1~8月初级形状IR的平均进口价格见表3。
表3 近年来初级形状IR的平均进口价格（美元/t）
|
|
2004 |
2005 |
2006 |
2007 |
2008 |
2009 |
2010.1-8 |
|
初级形状的IR |
1239.0 |
1584.0 |
1922.9 |
2121.6 |
2926.8 |
2364.9 |
2991.9 |
2010年4月，国内第一套异戊橡胶工业化装置1.5万t/a IR项目在茂名鲁华化工有限公司顺利投产，于4月26日生产出了合格的IR工业化产品。该公司是利用自身异戊二烯产业链条的资源优势，在8万t/a碳五综合利用项目的基础上建成了1.5万t/a的异戊橡胶生产装置，对鲁华泓锦茂名分公司生产的聚合级异戊二烯进行深加工。该项目的投产，改变了国内对橡胶进口过度依赖的局面，满足了国内轮胎、胶带、胶管等生产领域，特别是医用胶塞及聚异戊二烯橡胶垫片等医用行业的需求，预计年产值可达4亿元。该项目的投产填补了国内IR的空白，结束了中国不能生产IR的历史，从此我国合成胶七大基本胶种全部实现工业化。
2009年4月，青岛伊科思合成橡胶新材料产业基地奠基。该基地将投资24亿元，将分期建设，一期投资2.64亿元，建成3万t/a IR项目，二期项目完成后IR总产能将达到10万t/a[3]。此外，基地还将致力于研究开发其他高特性能橡胶新品种，实现科研成果产业化和工程化，5年内将实现合成橡胶的规模化生产。
2010年7月，吉林石化的“碳五综合利用-异戊橡胶生产技术开发”也顺利通过中期评估，目前正在开展轮胎制造及成品试验，5万吨IR工艺包开发已经启动。“十二五”期间，吉林石化将规划筹建第一期5万t/a IR装置，通过该项目的实施形成新的产业特色集群。 该项目一旦建成，不仅可将丰富的碳五资源由低价值燃料转化为高附加值化工原料，降低乙烯生产成本，还可提高我国橡胶资源自主供给能力。据悉，吉林石化在IR小试和中试均取得了巨大成功，在较高温度下成功合成出具有与NR结晶拉伸特点相似、顺式质量分数不小于98％、相对分子质量分布指数低于3.0的新型高品质稀土IR。该橡胶在应用性能上可以和国外同类产品相媲美，并形成了全套的研发生产技术。
此处，据悉中国石化也在其宏大的C5产业链规划中列入了IR的工业化发展计划，其300t/a异戊橡胶中试装置已开车，并生产出了批量产品；由盘锦和运实业集团、大连理工大学和俄联邦列别杰夫合成橡胶研究院、俄罗斯雅罗斯拉夫合成橡胶研究院共同建立的中俄合成橡胶研究中心在盘锦成立，承担国民经济重大需求以及国家安全战略需求的合成橡胶研发项目，在此基础上，和运实业集团将利用中俄合成橡胶研究中心的技术优势，投资62亿元，建成40万t/a万吨异戊橡胶生产基地。
3 IR生产技术不断改进
3.1异戊二烯聚合技术[4]
国外IR 的生产技术主要有：俄罗斯的雅罗斯拉夫工艺、美国固特里奇工艺、意大利的斯纳姆及荷兰的壳牌工艺。异戊橡胶按其催化体系基本分为三大系列:即锂系、钛系、稀土体系。
目前工业上IR 主要采用Ziegler-Natta 催化剂体系的溶液聚合法来生产，一般以TiCl4-AlR3 ( R 多为异丁基) 钛系催化体系为主。主要工艺流程包括原料精制、溶液聚合、胶液分离、干燥及溶剂和单体回收。该胶顺式结构含量高，分子量较低分布较宽，有一定的支化度，门尼黏度高。采用钛系催化剂合成Ti-IR 要严格控制Al/Ti比值(0.9~1.0) , 单体浓度12%~20% ,在较低温度(0~40℃) 聚合2~4h ,转化率可达70%~90%。
除了钛系IR 外，锂系和稀土IR 也曾实现小规模生产，但因性能、成本及市场等原因没有形成规模生产。在Li-IR 生产中，一般采用间歇式聚合方法。Li-IR 顺式结构含量较低，强度性能也较低；Ln-IR 是采用稀土催化体系生产的，可使生胶顺式1,4-异戊二烯的含量提高，不含凝胶和低聚物，生胶的平均分子量大，分布窄，硫化加工时间短，具有很高的物理机械性能和良好的加工性能，其粘接性能不次于NR。该催化剂用量少，但费用较贵。用环烷酸钕为主催化剂试制的Ln-IR 的性能达到了Ti-IR 的水平。IR的最大生产国俄罗斯在20 世纪80 年代已批量生产了Ln-IR。Ln-IR 所用催化剂的配制和使用均比锂系和钛系的简便，对聚合系统中杂质的抗干扰能力强，在生产上可进行连续聚合。
3.2 IR生产技术进展[5]
（1）聚合技术进展
工业上，IR 溶液聚合生产技术已基本成熟，其进展除了进一步改进催化剂体系外，主要是稳定控制生产和节能，从而产生了本体聚合技术。
为了实现节能目的，不使用溶剂，可节能70%~80%的本体聚合技术受到广泛重视。采用本体聚合技术，Ln-IR 和Li-IR 因无需脱除胶中残留的引发剂而具有优势。本体聚合技术核心是采用一个多段螺杆挤压式反应器，其内有单体和引发剂加料混合段、反应汽化冷凝段、防老剂加入段、真空脱单体段及挤出段。中国、俄罗斯、美国和法国等对此技术均有研究。此外还采用尽量提高单体浓度减少溶剂在系统内的循环量、在凝聚前利用聚合后的物料温度和压力进行闪蒸等方法达到一定的节能目的。
（2）改性技术
IR 改性主要目的，一是针对天然橡胶的差异，改进其生胶、混炼胶和硫化胶的性能以便替代天然橡胶；二是通过卤化、氢化和环化等进行化学改性。
通过向聚合链段上引入各种极性官能团；称为合成阶段的改性；另外，在IR的加工过程中向胶料中加入各种化学活性剂、各种硫化促进剂或者加入结晶性和含极性基团的聚合物也是工业上有意义的改性方法，称为加工阶段的改性。
将IR与其他合成橡胶并用，或添加各种结晶性聚合物也是很有意义的改性方法。除了与顺丁橡胶、丁苯橡胶并用制造性能优良四季适用的轮胎外，与卤化丁基橡胶、氯磺化聚乙烯、丁苯吡共聚物等并用都能达到改性的效果。
在IR中加入适量的反式聚异戊二烯、反式聚戊烯、低压聚乙烯和热塑性弹性体等也能改进某些性能。如乙烯基丁二烯类的热塑性弹性体与IR共混制得适宜制作轮胎的新型材料，具有良好的耐湿滑和低滚动阻力性能。
4 机遇成熟仍需谨慎扩张
实现IR产业化一直是我国合成橡胶人的梦想，我国已经连续多年成为全球第一耗胶大国，但橡胶原料特别是NR资源严重不足，对外依存度不断上升，“无米之炊”已成为中国橡胶工业发展的头号问题，IR产业的发展可在一定程度上弥补上述不足。此外，发展IR对于发展循环经济、延伸产业链也益处颇多。但在发展IR方面，仍有很多因素需要冷静考虑：
1.区域集中、规模化生产以应对C5资源分离成本问题。单体异戊二烯成本约占IR总生产成本的60%以上，因此能否有廉价稳定的单体来源是决定其发展的关键因素。由于在裂解过程中异戊二烯的产率远低于丁二烯（如1套30万t/a乙烯装置可回收的异戊二烯约为0.65万t/a左右、丁二烯为4.8万t/a左右），再加上裂解C5的组成远较裂解C4的组成复杂，分离难度相对较大。为此，国外异戊二烯的分离绝大多数是将几套乙烯副产C5集中后进行规模分离。因此国内的布局要借鉴国外经验，充分考虑在国内乙烯能力较大的东北、华东或西北地区，集中区域内乙烯装置副产的C5资源建设加工基地，以现有的C5分离装置为依托，其他区域内的C5资源也可向加工区内集中或在当地经过简单分离后再集中，这样达既达到了经济规模，资源利用率又可以得到提高。
2．采用多种措施，提高IR的价格优势。IR市场的关键是对天然橡胶的市场价格定位。确保IR售价低于NR或持平,将有利于IR的推广应用。目前对于IR替代NR的估计量也是基于IR价格略低于NR，用户更有积极性，所以在考虑选用技术路线和建设规模上，应尽量降低生产成本，必要时应争取国家对IR的税收采取优惠政策，鼓励使用IR。鉴于在我国IR合成技术已基本达到工业化水平，IR 原料来源也可以得到保证的前提下，有条件的生产企业应抓住这个机遇，建设万吨级IR 生产装置,满足不断发展的市场需求，但仍要统筹考虑，谨慎布局，切忌一哄而上，盲目扩张。
