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Wiley人物专访——北京化工大学张立群教授

发布日期:2020-05-15

本周末WILEY人物访谈我们对话的是在新冠肺炎疫情期间带领团队成功研发可重复使用的口罩的北京 化工大学张立群教授。

他在访谈中给我们详细介绍了团队主要围绕能源、资源、环境、生命健康等领域的重大需求与弹性体高分子材料间的重大交叉,围绕传统橡胶产业的技术升级,从基础科学研究、关键技术创新和重大工程应用等方面展开全链条研究,并对橡胶科学与工程的未来进行了展望。

他认为对于科研人员而言,发现重要的有价值的问题以及解决疑难问题的能力是最重要的能力,专注、耐心、勤奋、合作是最重要的品质,建议从事科学研究的青年学生树立正确的崇高的科学研究观,通过多种渠道向高手和大师学习,感恩社会和他人。

张立群,北京化工大学材料科学与工程学院院长,教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者。现任北京市普通高校重点实验室“新型高分子材料的制备及成型加工”实验室主任,教育部弹性体材料节能与资源化工程中心主任,中国合成橡胶工业协会、中国轮胎产业技术创新联盟、中国先进橡胶产业联盟、中国蒲公英橡胶产业技术创新联盟的技术委员会主任。担任Science BulletinComposites Science and Technology、高分子通报、高分子材料科学与工程、合成橡胶工业等10余个SCI收录期刊和中文核心期刊的副主编和编委。

立足高分子材料和橡胶材料科学与工程研究,张立群作为第一作者或通讯联系人发表SCI文章300余篇,Google Scholar 学术引用22000余次,2014~2019年连续入选Elsevier中国高被引学者名单;主编国内著作2部;100余次被邀在大型国际会议上做大会报告、邀请报告、大会共同主席和分会主席。第一获奖人获得国家技术发明二等奖2项,国家科技进步二等奖1项,省部级科技奖励10余项。荣获美国化学会橡胶分会Sparks-Thomas科技奖、日本化学工学会SCEJ亚洲研究奖、国际聚合物加工学会Morand Lambla Award、国际橡胶会议组织奖章IRCO Medal。还荣获全国优秀科技工作者、第九届中国青年科技奖、何梁何利基金青年创新奖、光华工程科技奖等荣誉。

Introduction

MVC: 能否请您先简单介绍一下您团队的科研工作?

Z我们团队主要是围绕能源、资源、环境、生命健康等领域的重大需求与弹性体高分子材料间的重大交叉,围绕传统橡胶产业的技术升级,从基础科学研究、关键技术创新和重大工程应用等方面展开全链条研究,既推动弹性体材料领域基础科学和技术水平的提高,又为橡胶行业和相关产业的发展提供重要支撑。

MVC:如果您没有走科研这条路,您现在会干什么?如果重新选择,您还会继续做学术研究吗?

Z我长期以来的理想就是成为能够通过发明创造来解决一些问题的人,包括工程师、科学家等。现在虽说岗位在高校,也算是很好地实现了理想,并且多了培养青年人的工作。如果没有走科研这条路,我可能更愿意做一名能够救死扶伤的医生,也许会创办一个高技术企业。但是如果要重新选择的话,我还是会优先选择做科学研究。作为一名科研工作者,在所属的专业领域不断的发现问题、解决问题、探索未知、促进技术进步,给我很多的成就感和服务社会的幸福感,很踏实。在高校做科研和教学,还多了一份难得的自主与自由,以及与青年学生一起奋斗成长的快乐。

MVC:您对您的研究领域有何展望?

Z橡胶科学与工程是一个传统领域,橡胶制品生产已经有近200年的历史。我已经在这个领域工作30年了。橡胶曾被称为继石油、铁矿和有色金属之后,工业、科技和人类生活不可或缺的第四大战略资源,其应用领域非常广泛,从航空航天、高铁汽车,到建筑桥梁,从衣食住行到生命健康,从电子通讯再到机器人和人工智能…… 中国橡胶工业总产值超过万亿元已经多年。橡胶材料及制品的高性能化、功能化和绿色化是当前世界橡胶工业的重大主题,橡胶材料科学与工程与资源、环境、能源、生命健康、体育娱乐、人工智能与机器人等诸多事关人类未来重大发展的主题都有着很高的交叉性和关联性,因此未来的发展仍然生机无限。譬如,生物医疗领域和健康监测领域的水凝胶弹性体及其功能复合材料、可生物降解的轮胎弹性体材料、可节省化石资源的生物基弹性体材料、可以高度节省行驶油耗以及电耗的橡胶材料、可以抗滑高弹的鞋类弹性体材料、可以像金属一样导电导热的弹性体材料、机器人用人工肌肉弹性体材料、跨尺度的弹性体材料基因组设计与制备技术等等。

Mainfield of interest

MVC:我们最近在北京卫视的新闻里看到您研发的可重复使用的口罩。能跟我们详细介绍一下吗?

Z可重复使用口罩的研发动力源自解决疫情期间民用口罩的供需矛盾。在深入分析可重复使用民用口罩的性能要求后,我们团队联合了道恩高分子材料股份有限公司田洪池博士团队研发了一种集高荷载电荷(高抗静电衰减)、抑菌、抗老化三种功能为一身的新型熔喷级聚丙烯。这种新材料是通过可控自由基降解技术制备的,其流动性是普通聚丙烯材料的百倍以上。采用双螺杆加工改性挤出机分步骤地加入驻极剂、降解剂、防老化助剂、抗菌剂等,使得这种材料最终具有长期储存稳定性、较高的流动性和抗菌性能。在此基础上,我们也联合下游的聚丙烯熔喷纤维生产厂家,在纤维细度、纤维结晶度、单位面积纤维堆砌密度和厚度、驻极工艺等上进行调控。最终生产出的熔喷纤维布不仅纤维细度小,直径均匀,静电吸附效应强,对细菌和病毒的阻隔率很高,抑菌性能和抗老化性能也非常好。用新材料做成的口罩,按照卫健委推荐的病毒消杀方式进行消杀和洗涤,发现按照一天佩戴8个小时来计算,这种口罩至少可以使用3天,相当于把一次性口罩的寿命延长36倍。目前该项技术已经申请了3项发明专利,形成了万吨级规模生产能力,为聚丙烯基可重复使用民用口罩的生产提供了材料支撑。还主持编写了国际首个“可重复使用民用口罩”团体标准, 解决了口罩重复使用无规可依的困窘,并具有重大疫情应急防护契合性。上述工作受到了北京市的信件表扬,被北京新闻台报导,合作企业道恩高分子材料股份有限公司受到了国务院的信件表扬。可重复使用民用口罩技术有助于解决目前的口罩危机,从长期来看,也有助于节约资源、减少环境污染,它将进一步支持我国公共卫生安全机构实施口罩等关键防疫物资的战略存储。

MVC:能否跟我们简单介绍一下您为何想到这样做吗?

Z新冠肺炎疫情来势汹汹,近期在全球呈蔓延态势,疫情防控工作是当前最重要的任务。作为科研工作者,立足专业优势,做防控疫情需要的科研攻关,是我们的责任和应有的担当。我们很敬佩和羡慕白衣天使冲在了抗疫一线,做出了巨大牺牲。口罩作为新冠肺炎疫情期间不可或缺的防控利器,其关键材料是熔喷级聚丙烯,受限于我国和世界熔喷级聚丙烯和熔喷布的产能,医用和民用口罩的产能无法满足成倍增长的需求量,特别是在疫情初期,出现了“一罩难求”的紧急情况。而我们团队和合作企业有高性能聚丙烯熔喷无纺布专用料的研发基础,我们当时就在想,民用口罩为何不能多次使用呢?怎样才能多次使用呢?如果赋予口罩原材料新性能、高性能,从而使口罩可多次重复使用,使口罩的“产能”实现几倍以上的增长,那不是很好的一件事吗?应该说,当时我国不少科技工作者甚至民间都产生了这种想法,北京市政府和北京市科委、国家科技部等更是敢为人先,大力支持和资助了有工作基础的研究团队,我们有幸被选中,有幸与其他团队一起为伟大抗疫战斗贡献了一份力量。

MVC:除了可重复使用的口罩之外,您课题组的工作还有哪些在进行科研转化呢?

Z迄今为止,我们团队与国内外百余家橡胶材料与制品领域的企业进行了合作,建立了30余家产学研联合研究中心,支撑和服务于近10家上市公司,并促成近40家企业在北京化工大学设立了专项奖学金,已经获得授权发明专利300余项,绝大部分已经实现了成果转化或者正在进行成果转化中。

一般传统的橡胶在回收再利用时,需要将交联键打断,才可以重新再加工。但传统技术VOC排放很高,污染大,质量不稳定,已经被多部委联合发文逐步取缔。已经创新开发出新一代的多阶螺杆连续动态脱硫技术,具有自动化连续化程度高、产品质量稳定和VOC排放很低的特点,已被多部委列为绿色先进技术推广目录。目前,该技术在全国6家企业推广运用,也已出口到斯洛伐克和签约美国。未来,这套技术将为我国每年400多万吨再生橡胶的绿色化、连续化、智能化生产提供解决方案。

我国是合成橡胶生产的第一大国,但没有一个橡胶材料的结构是中国原创的。我们团队在国际上原创了生物基聚酯合成橡胶和衣康酸酯合成橡胶,目前正在进行千吨级工程化和应用开发。这些新结构新性能的橡胶材料力图使橡胶制品的应用领域进一步扩大,并大幅度减少环境污染,实现全寿命周期的绿色化。

我们在国际上率先提出了“纳米弹簧”增强弹性体概念、自组装超级弹性体概念等,还率先建立了分子模拟研究和设计新型弹性体的方向,与同行合作制备了碳纳米管橡胶复合材料抗静电轮胎、石墨烯橡胶复合材料节能轮胎以及摩擦效应产电轮胎等。这些成果有很好的创新性和应用价值,国际知名轮胎企业如美国固特异、法国米其林、中化倍耐力和日本普利司通等前来进行深度交流,并给予高度评价。

针对天然橡胶加工生产过程中步骤多污染大的百年现状,团队创制了无污染连续化的电化学絮凝法,与海胶集团合作放大,渴望引起一场天然橡胶生产的革命;针对纳米二氧化硅生产过程容易产生水污染的问题,团队原创了二氧化碳法制备纳米二氧化硅技术,目前正在安徽阜阳进行中试放大;针对纳米二氧化硅在与橡胶复合时传统偶联剂容易产生VOC排放的问题,与合作伙伴以及团队又发明了硅烷伴侣以及低VOC排放硅烷偶联剂,原创了环氧类无VOC排放偶联剂技术,受到了中石化以及相关企业的大力支持,进行放大和应用研究;针对炭黑难于分散的挑战,团队发明了炭黑偶联剂(不是分散剂),目前正在与黑猫集团进行放大研究;针对橡胶用防老剂容易析出的问题,团队原创了新结构的大分子防老剂,力图解决这一难题;为了解决困扰橡胶工业界100多年的硫化烟气污染的难题,团队创新地大胆地提出了原创新型结构橡胶,创制新型非硫磺交联体系的技术思路;为了解决橡胶工业界提出的减少氧化锌的用量以减少其环境危害的难题,团队原创了核壳结构氧化锌的思想,并成功实现了批量制造,目前正在进行中试放大;为了迎合电动汽车发展的需要,团队率先提出了高轻量化的全芳纶轮胎概念,目前正在与两大轮胎企业进行合作开发;为了解决橡胶材料用加工油的不可持续的问题,团队开发了改性植物油,不但实现了绿色化和可持续化,而且成本显著下降,正在合作企业进行推广应用。这样的创新案例还在不断地被团队提出并研发推广,受到了国内外业界的广泛赞誉。

Work lifebalance

MVC:科学工作之余,您最大的爱好是什么?

Z科学工作之余,我会看看新闻和历史,工作相关的、社会的、时政的,要知道这个世界发生了什么和正在发生什么。如果再有时间,我会选择打打羽毛球或者走走路。

Advice to youth

MVC:您认为科研人员最重要的品质是什么?

Z最重要的能力是发现重要的有价值的问题以及解决疑难问题的能力,最重要的品质是专注、耐心、勤奋、合作。

MVC:您认为什么是科学家们崇高的志向?您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

Z为人类社会的科技进步,为人类社会的和平和谐,为人类生存重大危机,为人类社会的可持续发展而进行科学研究,应该是科学家们崇高的志向。

建议:树立正确的崇高的科学研究观,不骄不躁,不弃不馁,幸福科研;万丈高楼平地起,要打好底子;要有大志向,要敢于仰望星空;要善于学习,要通过多种渠道向高手和大师学习;不忘初心,砥砺前行,没有大成,也有小成。

MVC:最后,您能否用简单的几个词形容下拥有快乐的实验室生活的关键?( “the key to a happy lab life”)

Z为科研工作自豪,认知自己的成长与贡献,感知自己的独特,感恩社会和他人,敢于和善于及时沟通,永不言弃,多锻炼。