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朱锦:生物基高分子材料的研发应用,是未来可持续性发展必须要走的路

更新时间:2021-08-04 17:07:16 点击次数:392 次

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2009年8月,在美国学习工作12年后,朱锦加入中国科学院宁波材料技术与工程研究所,创建生物基高分子材料研究团队。开始研究环境友好的生物基高分子材料,形成了一套利用生物质原料解决环境问题的研发思路。这些思考随着时间的推移继续深化积淀,他带领团队先后开发出大豆基无醛木材胶黏剂技术、耐热聚乳酸发泡材料技术、秸秆禾塑复合材料技术并已完成产业化。


2021年初,科技部下发了“十四五”国家重点研发计划,低成本生物基工程塑料的制备与产业化、面向高端应用的阻燃高分子材料关键技术开发、 可反复化学循环生物降解高分子材料入选。毋庸置疑,发展生物基材料是未来不容忽视的主流。其中,生物基呋喃二甲酸及聚酯技术正是朱锦近年最重要的研究课题之一。

可降解材料面面观:技术、市场和应用


2020年1月,国家发改委、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》,被称为我国的“禁塑令”。新闻中频现“可降解”一词,关于产品种类、行业标准、应用规范、回收处理等方面的争议从未停止。应当说,政策出台推动了行业变革,引发了市场大潮。

 

近一年来,关键技术突破频传捷报。PBAT激量增长,PLA技术取得了突破,主要归因于安徽丰原集团在丙交酯技术上的突破。这些都是可喜的进步。

 

“总的来说,降解材料目前的状态还是上不去下不来,为什么说上不去?因为每种材料性能都有待提高。PLA力学性能好但耐热性不够好;PBS力学性能和耐热性都很好,但目前的技术稳定性还有待提高;PBAT具有成膜性能好、吹膜方便,但模量过低和阻隔性能有待提高;PHA可在生物体内完全降解,生物降解速度比较快,但韧性较差。这些材料都需要我们研究单位、企业继续去努力研究,改进提高。”

 

“目前生物降解概念炒作过热,产能无序扩大。过度炒作,会造成盲目跟风。原材料价格飞涨,降解塑料价格也跟着飞涨,这无形中给老百姓增加了成本,这是我们不愿意看到的。”

 

生物降解塑料目前还处在起步阶段,产量不到50万吨,市场情况尚不明朗。生物降解塑料只占普通塑料消耗量的很小部分,所以不能盲目跟风。据传有企业甚至要上几千万吨的装置,这是不理性的做法。朱锦建议企业界、投资者能够理性对待,生物降解材料需要良性发展。

 

降解材料应用是有特定场景的,只适合替代一次性、短寿命、不易回收的食品包装、快餐餐具、地膜、塑料袋、吸管、酒店消耗品、不能回收的医用材料等。用到真正需要的地方,而不是替代所有塑料。“切忌一刀切,因为不同的应用场景有不同的要求,没有哪一种材料是万能的。”朱锦说,“生物可降解塑料哪怕再环保,如果没有采取合适的处理方式也是起不到环保的要求,甚至有可能造成资源浪费。”

 

“我认为回收是对塑料最好的利用。我们团队就有一个方向在研究易回收热固性树脂制备技术,回收的碳纤维品质保持很高。而且回收条件温和,设备要求也很简单,有望解决了热固性树脂不宜回收问题。”

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正是因为难做,才值得科研人员去做


《生物基呋喃聚酯》是朱锦回国后出版的第二本书,结集了朱锦和团队成员关于呋喃二甲酸及其聚酯的合成、结构表征及性能研究思考结晶。

 

早在2004年,美国能源部筛选出十二种目前认为最有可能实现石油基替代的生物基平台化合物。呋喃二甲酸(FDCA)是十二种平台化合物中的唯一一个具有芳香环、刚性结构的生物基平台化合物,其主要用于替代石油基聚酯如PET的合成单体---对苯二甲酸(PTA)。自此之后,国内外无论研究机构还是大型公司,开始加大了FDCA的研究力度。

 

相对于石油基的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)而言,基于FDCA的聚呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)具有更高的玻璃化转变温度(87oC)和更好的气体阻隔性(对CO2和O2的阻隔性比PET提高了十几倍),这使得生物基PEF被认为是PET理想的替代品之一,尤其是在塑料包装领域。

朱锦团队从2012年就开始了FDCA及PEF的研究,目前已经打通了FDCA制备、PEF合成、加工改性整个技术链条。突破了以非粮生物质为原材料化学制备FDCA技术;通过催化剂的选择和聚合动力学调控,解决了FDCA聚合过程中容易脱羧造成聚脂颜色发黑的问题,得到了近无色的高分子量PEF;研究了PEF的加工性能,实现了PEF的吹塑、注塑、纺丝和拉膜。

 

“比如说,塑料啤酒瓶用PET制作,传统巴斯滕消毒温度下会变形。而PEF的玻璃化温度则达到87度,消毒的过程中不会变形,这是PEF的优势。”由于其良好的材料性能,PEF还可取代难于回收的高阻隔多层材料。

 

从降解后的产物来分析,呋喃二甲酸可以直接分解,不存在潜在危害。人体每天都有大概两毫克的呋喃二甲酸产生,所以呋喃二甲酸对人类更友好。

 

目前,包括国际知名企业ADM、杜邦、BASF、Avantium等都在进行生物基FDCA或PEF的商业化研发,尤其是最近Avantium宣布建设年产5万吨的FDCA生产线之后,有关生物基FDCA和PEF的研究更是成为普遍关注的焦点。朱锦团队在这项技术的研发能力上和国外处于同一水平。

 

“我们期望尽快打通最后一步,在这个方向上引领行业发展。呋喃二甲酸吨级成本有望降到低于2万元,我判断未来的年产量应该是百万吨量级。当然,前面还有很多艰难的事情要做,但正是因为难,才值得我们科研人员去做。”


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全面布局生物基高分子材料,

发挥从科研到产业的系统价值


作为生物基高分子材料的资深专家, 在为团队选择科研课题方向上,也展现出国际视野、创新思维和洞见。朱锦带领的生物基高分子团队,一直致力于突破制约材料规模化应用的三大瓶颈,从原材料、转化、聚合、聚合再加工等方面都有布局。

 

生物基高分子目前的原材料主要是淀粉、植物油,“与人争粮”的状态不利于可持续发展。“如果未来大面积推广使用,原材料存在供应不足的问题。我们提出了非粮原材料——纤维素、木质素、半纤维素三素为研究对象,打破困局。”

 

朱锦团队坚持十几年在做的化学法催化纤维素高效水解成糖技术,就是要把纤维素低成本、高效率地转化为葡萄糖。这一步很难,其他国家的研究团队目前也没有突破。“我个人认为目前以秸秆为原材料适用于小规模的功能性化学品生产。如果用于大宗化学品生产,没有政策支持很难有经济效益。”

 

朱锦本人经过近十年的研究,开发出了具有纤维状高填充的植物纤维复合材料,将其命名为“禾塑复合材料”。这项技术具有极大的包容性,各类富含植物纤维的粮食作物的秸秆经过简单粉碎,就可以作为原材料使用,各类塑料均可作为树脂基体与之混合,人工合成了可与天然木材媲美的人造木材。“禾塑复合材料源于自然,回归自然,我觉得这是最理想的。”

 

“从目前可降解塑料的实际情况出发,即便是具备可降解的属性,但是降解需要一定的条件和时间。如果仍然需要回收、焚烧,而降解时间不可控,那这个材料的优势何在?未来要实现碳中和,这也是必须要攻克的难题。所以我们在研究含有功能开关的生物降解高分子材料。”

 

“我们生物基高分子材料团队共60多人,其中40多名学生在做基础研究。我鼓励学生放开手脚去做,不要过多考虑成本问题。作为老师,我会对开展哪些课题深入思考并做出判断。所有思考的出发点就是要为社会解决什么问题?”

 

科技推动着社会发展。应用技术水平的提升确实需要基础研究做支撑,也需要强大的科技转化能力。朱锦团队的思路一直是为技术找应用。“研究的方向要从社会上发现问题,然后提炼成科学问题,然后再去解决。这才是科研到产业的整个系统的价值。”

科技要创新,基础研究必须能跟上。

 

朱锦的观点是,虽然中国基础研究的全面超越尚需时日,但紧跟国际学术前沿还是做得到的。但是研究单位的实验室技术有了产业界有可能接不住,需要科研人员继续帮助实现产业化。科研人员对产业不熟悉,所以衔接上出现问题。所以说,科技成果转移转化一直都是痛点。


由于制度及待遇的原因,国内优秀科技人才多在科研机构,企业在人才储备上明显不足。

 

“最好能够打通学术界和产业界的通道,科研单位接纳企业家兼职,科研人员到企业任职,联合开发的模式可以把研究理念传给企业,而科研人员经历了产品开发全过程,熟悉了企业的运作,再做研发就会有针对性,技术的成熟度与产业的相容性会更好。

 

“我们的产业界包括投资界的投机心态居多。这种状态造成好多技术不敢做,有点风险就不敢投,大家都输不起。我们不仅需要懂行的企业家,也需要懂行的投资人。对技术和风险有正确的理解和判断。如果一个企业长期扶持一个团队,而不是单一技术,回报率可能会提高,风险会降低。也使科研人员有宽松的创新环境,相当于企业科研外包的形式,也是一种有益尝试。”


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