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郑大故事:三代人,四十余年,铸就“强韧耐磨”的尼龙科研精神——记永利皇宫4773app_总站工程塑料实验室团队

发布时间:2022年02月19日 信息来源:党委宣传部

郑大故事:三代人,四十余年,铸就“强韧耐磨”的尼龙科研精神——记永利皇宫4773app_总站工程塑料实验室团队

临近春节,寒假中的永利皇宫4773app_总站一片宁静。然而在南校区的永利皇宫4773app_总站工程塑料实验室里,晚上十点依然灯火通明,团队成员日复一日地专注地工作着,处处洋溢着科研热情,仿佛寒冷、假期都与之无关。“与上海中能集团签定技术转让合同之后,团队多年的科技成果转化落地,同时国家急需的关键新材料也将实现工业化、国产化,我们团队很高兴,也很有压力。目前我们正在配合企业进行项目的安全评估和环境评估工作,并已经与设计院对接开始进行项目的工程设计。作为目前国内产能最大的长碳链尼龙和耐高温尼龙生产线建设项目,我们要配合好企业让技术成果顺利落地。”项目主持人、河南省先进尼龙材料及应用重点实验室主任刘民英说。

去年9月份,该团队研发的“长碳链及耐高温尼龙生产技术”与上海中能企业发展集团山西恒力新材料有限公司签订专利技术转移合同,技术使用费达4000万元。上海中能企业发展集团将采用该科技成果,计划投资100亿元左右,在“十四五”期间建成年产20万吨长碳链尼龙和耐高温尼龙生产线。

尼龙绳、尼龙袜、尼龙袋……尼龙材料发展历史悠久,使用范围广泛,以至于很多人感觉这个材料档次不高、价值不大。这次郑大的高性能尼龙技术转让再次刷新了人们对尼龙的认识。然而,高性能尼龙的研发历程,攻坚克难背后的不易,目前还鲜为人知。

以需求为导向,三代人坚守初心四十余年

“尼龙是五大通用工程塑料之一,已成为日常生活与成产中不可或缺的基础树脂品种,特别是随着航空航天、舰船制造、核能发电、电子电器、石油化工、公路及轨道交通等国防军工和高技术产业的快速发展,先进尼龙材料的市场需求越来越大。”团队成员付鹏说。

这次转让的专利技术,主要用于生产长碳链尼龙和耐高温尼龙。这两种尼龙前者有突出的柔韧性和耐低温性,后者则有突出的耐高温性能,都是国家急需的特种工程塑料战略性材料。长碳链尼龙是服装热熔胶、汽车管材等特殊材科的不可替代品种,国内年需求量为3万吨左右。耐高温尼龙主要用于轨道交通、电子电器接插件和汽车发动机周边部件等领域,国内年需求量为5万吨左右。这两种材料的国产化率不足15%,高性能品种被国外企业长期垄断,并进行技术封锁,我国每年需从国外进口7万吨以上,进口价值超过百亿元。

高性能尼龙工程塑料生产技术,是团队成立以来三代人、40年余来坚持国家战略导向,持之以恒辛勤耕耘的结果。1980年,在李相魁教授的领导下,永利皇宫4773app_总站工程塑料研究室正式成立,这是(原)永利皇宫4773app_总站最早的两个研究机构之一。而事实上,自上世纪60年代开始,把握工程塑料前沿方向,李相魁教授就开始了长碳链尼龙的研究开发工作,并以蓖麻油为主要原料合成长碳链尼龙11,且于1965年在校办工厂建成了年产10吨的中试装置。

良师益友,薪火相传,李相魁的两位研究生赵清香和刘民英接过老师的接力棒,相继作为实验室带头人带领团队在传承不断发展,深耕新型特种工程塑料的开发与应用研究。

80年代,国内汽车的刹车管、输油管等各种管子都是紫铜管,紫铜管不好加工,而且容易锈蚀。大雪之后国内外都是用盐来融化公路上的积雪,紫铜管做的汽车管路就锈蚀得很厉害,而进口汽车主要采用耐低温、耐油、耐磨、尺寸稳定的长碳链尼龙11和尼龙12。但我们国家没有这个材料,需要大量进口。同时服装热熔胶领域长碳链尼龙的比例也占到50%以上,用量很大,因此长碳链尼龙的进口价格在80年代一度超过20万/吨。面对汽车、服装行业的巨大需求,团队开始了长碳链尼龙国产化替代的研究开发。在1998年首个长碳链双号码尼龙——尼龙1212实现工业化生产后,长碳链尼龙的价格目前已降至10万/吨以下,而国外企业也早已退出了国内热熔胶市场,尼龙服装热熔胶由国外垄断变成了国内自足,并出口至海外市场。

50余载研究岁月倏忽而过。工业应用研究容易受市场因素影响,由于尼龙市场行情变化,很多实验室都改变了研究方向。但不管市场如何,永利皇宫4773app_总站工程塑料团队坚持高性能尼龙工程塑料的研究方向,以打破国外垄断,创造国内亟需的材料为己任,三代人、四十余年甘坐冷板凳,坚持到今天。

科研能够实际应用于祖国大地上才有价值。“我们的研究宗旨是瞄准国家的战略需求,围绕河南省的区域经济发展的重大需求。”赵清香说。“从基础研究、到实验室、到中试、到产业化,我们都是以国家需求为导向来开展研究工作的。”

目前该团队已拥有90人左右的研究队伍,核心队员包括赵清香、刘民英、庞新厂、付鹏、崔喆等十余人,并取得硕果累累:获得过国家发明奖、科技部-杜邦科技创新奖、“九五”科技攻关表彰奖、河南省科技进步一等奖、河南省创优争先奖牌等奖励,承担了国家重点科技攻关、国家“863计划”和重点研发及大型横向等科研项目20余项。成功研发出以PA1212为代表的长碳链尼龙和以PA12T为代表的耐高温尼龙等高性能工程塑料系列新品种,并在国内形成了万吨级生产规模,已在轨道交通、汽车、太阳能、航空航天、电子电气等方面应用,为我国该战略材料的研究开发作出了突出贡献。

做科研要像尼龙一样强韧耐磨

尼龙类工程塑料的特点是强度高、有韧性而且特别耐磨,即强韧耐磨,是高分子材料里最耐磨的材料之一。强韧耐磨是尼龙的特性,也是工程塑料实验室精神的最好写照。

自李相魁率团队开始工程塑料的研发之路,漫漫征程中遇到了数不清的难题。长碳链尼龙PA1212的研制采用当时比较新颖的概念——生物发酵长链二元酸为原料,由于理论新颖,研发难度较高,且应用领域尚不明确,学界存在很大的疑议。

在这项研究最不被看好的时期,团队几乎被断绝了资金供给,团队成员一度兑钱出差,就是为了给研究找来经费让研究继续下去。同时期研究这一课题的不少团队都不堪压力而解散。

没有休假,不见进展……但团队仍坚持了下来。对那段回忆起条件艰苦的研发岁月,刘民英并没有过多提及,反而用一种乐观幽默的语言调侃道:“这就是我们尼龙人的强韧耐磨啊!”苦尽甘来,艰难也成了难忘的怀念。那一时期整个团队彻夜不眠地思考解决方案、兴奋地相互交流过程,实验室变得比家还要熟悉。在咬牙坚守中,研究室最终开发成功了采用生物发酵二元酸合成长碳链尼龙1212的新技术。1998年,永利皇宫4773app_总站工程塑料实现了长碳链尼龙的工业生产,开创了尼龙生产新时代。目前我国长碳链尼龙已有万吨级的生产规模,形成了完整的产业链,拥有全部知识产权,而且技术路线更经济,效率更高,性能更好,完全可以替代美国、德国、日本、瑞士的尼龙11和尼龙12,迫使海外尼龙材料价格断崖式下跌。

在研究开发过程中总会遇到很多问题,技术问题、基础理论问题、应用问题等,差一点点解决不了,就过不去一个坎。从技术突破到产业化发展,科技创新成果转化中高校和企业的衔接就是个重要关卡。企业以盈利为目的,很难相信一个实验室产品能带来可观效益。刘民英深刻地记得,实验室合成尼龙之后,要找企业投产,很多企业因没有先例而不愿意合作。第一次找企业合作,团队在全国各地找了几十家才有一家企业愿意一试。

2017年,在工程塑料研究室组织的毕业生交流会上,前来参会的每位师生校友都获赠了一份特别的礼物——一件印有团队开创的尼龙1212化学结构式和“强韧耐磨”字样的衬衫。“科研攻关意味着一往无前的热情、攻坚克难的勇气和矢志不渝的意志,不管顺心不顺心、顺利不顺利,都要坚持。正是具有‘强韧耐磨’这样气质精神的人才能坚持下来,做出同样品质的产品。”课题组成员、材料科学与工程学院执行院长庞新厂教授说。

突破“卡脖子”技术 走在世界前列

现在,该团队的发展从原先四处碰壁变成了业内自发找来的良好局面,永利皇宫4773app_总站特种尼龙研究在国际上占有一席之地,已成为业内共识。2021年国庆前夕的一个学术会议上,刘民英与几位学者谈及高性能尼龙的反应原理时说:“我们通过固体与固体反应,一步就聚合成了高性能尼龙。”有人还觉得不可思议,这怎么可能?“怎么不可能?人家郑大已经做出来了。”其他专家说。

谈起技术突破,刘民英极其自豪。团队开发出了全世界第一套直接固相聚合工业装置,从技术、原料、装备全部自主可控,完全实现国产化。“我们既做面粉,还做面包、还轧面条、炸油条……从原材料的合成到成型、加工、应用,我们基本上全覆盖。”刘民英说。

尼龙合成工艺是郑大工程塑料团队的关键性创新点。用对苯二甲酸和二元胺发生反应,就得到耐高温尼龙单体,再将单体聚合,就得到了耐高温尼龙。这样看似简单的步骤,实则蕴含了高深的科技。

团队从2000年到2005年,历时五年,才解决了高品质尼龙单体制备的技术难题。合成单体的制备解决了,但由于这种尼龙聚合物的熔体粘度很大,反应过程中总是在反应器壁上粘厚厚一层,工业上没法实施。为了解决这个问题,国际上通常采用两步法,先把它做成低粘度的预聚物,然后通过固相后聚合几十个小时把分子量提上去。工程塑料团队独辟蹊径,用尼龙盐直接进行固相聚合,从盐粉末到聚合物粉末,这种固体到固体的聚合反应,投入是尼龙单体,产出就是尼龙聚合体,彻底解决了工业上的大难题,而且把两步反应变成了一步反应。

从两步法到一步法,耐高温半芳香尼龙生产工艺显示出极为显著的优越性。一种高粘度耐高温尼龙,如果用之前的技术方法做,从原料投进去到产品产出需要100多个小时,用新技术做只需12个小时,而且效率更高、能耗更低,强度更高、品质更好。而在研发过程中,把两步改成一步,仅仅这一步跨域就历时16年——2000年开始研发,2016年投产。不过,一产出就是千吨级。

在“六五”和“九五”国家重点攻关项目、“十二五”国家863、“十三五”国家重点研发计划、河南省重大科技专项等项目的支持下,永利皇宫4773app_总站工程塑料研究团队面向国家重大需求,坚持不懈、持之以恒,解决了长碳链尼龙和耐高温尼龙工程化过程中的一系列重大技术难题,开发了耐高温尼龙“水溶液成盐”“直接固相聚合”、长碳链尼龙“氨气循环利用”“水溶液连续聚合”、尼龙612万吨级连续化生产等原创性技术,获国家发明专利40余项,授权专利20余项。

对于如何支撑着走到今天,刘民英用朴实的话语说:“除了科研人员进行前沿研究的原始动力外,学校浓厚的学术氛围熏陶,学校、河南省和国家在科研平台、科研项目等方面的大力投入和支持提供了重要保障。”

不忘初心,方得始终。如今,永利皇宫4773app_总站工程塑料团队已经打响品牌,除了此次与上海中能集团的合作,工程塑料研究团队还先后在平煤神马集团、河南能源化工集团、河南君恒实业等省内大型企业进行了科技项目合作,为中国工程塑料行业的自主自强提供了强有力的技术支持。

立足当下,放眼未来,团队不断编织多彩“尼龙绳”,团队正在做具有耐高温、耐紫外辐射等苛刻的条件下可以工作的新型特种尼龙材料,尼龙弹性体、尼龙3D打印材料、高导热尼龙等一批郑大品牌的高性能尼龙原创性技术和材料,将源源不断地走向市场,投入运用。团队每一位每一个成员也正坚守“强韧耐磨”的尼龙精神,淡泊名利、胸怀家国,在国家急需战略领域默默地进行科技攻关,努力在高性能尼龙领域再攀高峰。(李艳丽)

 


工程塑料实验室团队

实验室科研成果

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