郭凱:“編織”綠色化工新材料
郭凱在實驗室。 受訪者供圖
“這幾天,我們正和幾家化工園區的中試基地談合作,希望能盡快進行小規模工業化生產。”南京工業大學教授、副校長郭凱在接受科技日報記者採訪時說。
近期,郭凱帶領團隊攻克生物基聚氨酯材料研制難題。他們要用棉籽油、蓖麻油等非糧生物基制造氨綸、尼龍等高端紡織面料,並讓面料擁有絲綢一般的手感和棉一般的吸水性。
自2010年以來,郭凱和團隊圍繞綠色化工,重點開展微流場技術研究和生物基材料新產品開發。通過校企合作,多家企業生物基材料年產能達到40萬噸,多個精細化學品年產能達到千噸級、萬噸級,郭凱團隊為化工產業綠色化轉型升級探索了新路徑。
日前,何梁何利基金2024年度頒獎大會召開,郭凱獲得何梁何利基金科學與技術創新獎。
“我將繼續尋找真問題、解決真問題,把國家所需、行業所期、人民所盼牢記在心,不斷推動科技成果在綠色化工領域的落地。”郭凱說。
做“頂天立地”的科研
走進南京工業大學生物與制藥工程學院實驗室,一張面積約一平方米的桌子上,放著一個小型反應器。
“別看‘個頭小’,它可是一個微縮版的‘桌面工廠’。”郭凱介紹,“他們團隊利用微流場技術,通過微尺度效應將化工反應過程傳質傳熱效率及反應速率提升100倍到1000倍,以‘桌面工廠’生產模式實現傳統大型化工生產,讓化工反應時間由十幾個小時縮至數十秒。”
憑借微流場技術,郭凱和團隊獲得2017年度國家技術發明獎二等獎。而郭凱與微流場技術結緣,和中國工程院院士、南京工業大學教授歐陽平凱密不可分。
2008年郭凱獲得博士學位后,曾在一家公司從事藥物開發研究。“當時,我在企業工作很單調,想回高校做創新性研究。”郭凱說,迷茫中的他遇到了歐陽平凱,並作出了影響一生的決定。
“歐陽院士認為,科研人員應該做‘頂天立地’的科研,一方面要滿足國家需求,另一方面要解決產業問題。”郭凱回憶,2010年他選擇入職南京工業大學,跟隨歐陽平凱開展研究,致力於解決國內化工生產中的難題。
提升國產增塑劑質量
對科研人員來說,選擇合適的科研方向至關重要。那時,郭凱將目光聚焦在檸檬酸酯類增塑劑的改良上。
“傳統的鄰苯二甲酸酯增塑劑毒性較大,嚴重影響了下游塑料、粘合劑、油墨等產品的安全性。而國產無毒增塑劑中的主要品種——檸檬酸酯類增塑劑由於技術原因,純度、色澤等核心質量指標都低於國外同類產品,嚴重影響相關產業的戰略安全。”郭凱回憶,他在廣泛了解檸檬酸酯類增塑劑的行業現狀后,聯合江蘇雷蒙新材料有限公司開展科研攻關。
“想提高檸檬酸酯類增塑劑的純度,就要優化原材料轉化率,改善催化效果。而要使它透明無色,就要進行溫度控制。”郭凱說。
談起那段攻關經歷,郭凱顯得雲淡風輕。但2010年考取郭凱碩士研究生的佘鵬偉,記得當年科研攻關的艱難。
“化工試驗一旦開始就不能中斷,否則會影響數據的精准性。郭老師跟我們一起待在實驗室做試驗,經常做到凌晨三四點。”佘鵬偉說。
經過五六年的持續攻關,郭凱帶領團隊革新了傳統釜式生產模式,突破了檸檬酸酯類生物基無毒增塑劑生產中多項關鍵核心技術瓶頸。他們聯合企業研制的高品質乙酰檸檬酸三丁酯佔據國內90%以上高端市場,實現生物基增塑劑及衍生產品8萬噸的年產能,為生物質資源高值利用提供綠色方案。
研制生物基新材料
2011年起,郭凱帶領團隊以棉籽油、蓖麻油等非食用性植物油替代石油,研制生物基聚氨酯新材料。聚氨酯是一類功能性材料,被廣泛應用在基建、家電、汽車、醫護等領域。然而,傳統聚氨酯材料對石化資源依賴度高,產品的綠色環保性較差。
郭凱坦言,在研制過程中,他很多次都想放棄。最讓他抓狂的是,在研究初期,已經調試好的聚氨酯配方,由於使用大量植物油,一到冬天樣品就凝固。“后來,我們歷時一年,融合化學、化工等領域的知識,對配方進行上百次調整,最終將產品的凝固點從零攝氏度附近降至零下10攝氏度。”郭凱介紹,在試驗過程中,團隊加強與企業交流,做出原型產品后就交給企業評價,隨后吸納企業的意見再改進。
念念不忘,必有回響。經過近十年攻關,郭凱團隊發明了5種新型生物基多元醇單體料並完成了年產5萬噸的產業轉化,在此基礎上開發了生物基防腐涂料、軟泡等5種高性能生物基聚氨酯新材料。憑借這些成果,郭凱團隊獲得2023年度江蘇省科學技術獎一等獎。
“未來,我們希望開發出更多高端生物基材料,助推化工產業轉型升級,為解決環境污染和資源短缺等問題提供科學解決方案。”郭凱說。(記者 金 鳳)
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