作者:温才妃 来源:中国科学报微信公众号 发布时间:2022/8/21 9:22:52
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送出500双能消失的鞋子后,张立群院士的电话被打爆了……

 

文 | 《中国科学报》记者 温才妃

这几天,中国工程院院士、北京化工大学副校长张立群的电话快被打爆了。前来找他要“小白鞋”的人实在太多了。

张立群院士 北京化工大学供图

这可不是普通的“小白鞋”。

8月16日,由其团队开发的全生物基可降解鞋(以下简称可降解鞋),全球首批500双全部作为“礼物”,送给了北京化工大学学生、员工。

与会嘉宾为北化学子赠送全生物基可降解鞋 北京化工大学供图

白色板鞋、绿色走线,鞋舌上绣了棵椰子树,清新简约。别看它在外观上与普通的小白鞋并无二致,但是鞋底却藏着“黑科技”——把鞋底填埋在堆肥的土里,大半年后它便消失得无影无踪。

全球首批全生物基可降解鞋成品 北京化工大学供图

“你去试试普通的鞋底,埋在土里大半年后,鞋底肯定还是鞋底。中国每年产生多达近10亿双废弃鞋,如此大面积的鞋底污染不可视而不见。”张立群解释可降解鞋子的功用。

这就难怪前来要鞋的人接踵而来了。

是什么样的鞋子,让人争相追捧

“黑科技”里的秘密不简单。

该款可降解鞋的鞋底利用北京化工大学自主开发的生物基可降解聚酯橡胶材料,鞋面和鞋垫则采用大麻纤维、竹纤维材料、玉米杆乳胶材料等。

“它有两大特点——目前世界上唯一可降解的橡胶材料、取材自然。”张立群说。普通的鞋子,棉、麻、皮革等鞋面可以在自然环境中降解,但橡胶鞋底却无法实现。过去多采用热解、高分子两种方式处理废鞋,但需要像石油一样重新炼制,多产生二次污染。

按照国家标准GB/T19277.1-2011,通过国家塑料制品质量监督检验中心检测,可降解鞋底橡胶在130天内可实现70%以上完全变成水和二氧化碳,不会对环境产生污染。

穿着这样一双科技感十足的鞋子爬山涉水,会不会穿着穿着,鞋底一点点消失呢?很多人问过北京化工大学材料科学与工程学院教授王朝这样一个问题。

他笑了笑解释道,微生物降解高分子材料需要一定的微生物环境。如塑料袋要埋到土里才能降解,若扔到海水里是不能降解的。

“可降解鞋子也需要一定的环境,即便全部埋在堆肥的土里,也需要大半年时间才能完全降解,平时穿鞋的过程影响几乎可以忽略。”

他还亲身做过测试,穿着可降解鞋子踩雨水、踩泥土,甚至沾染到化学试剂,但是一个多月过去,鞋底仍然是那个鞋底,完全没有变形。

“未来鞋业发展的方向是全降解。”张立群告诉《中国科学报》,目前国外采用海藻酸钠聚氨酯小规模开发可降解鞋子,既有技术上的困难,而且大多还停留在概念层面,尚未量产。

如今,“我们可以拍着胸脯说,采用生物基可降解聚酯橡胶材料制作的可降解鞋完全可以实现量产了!”张立群兴奋地说。

据介绍,该项目突破了高分子量聚酯橡胶连续化生产工艺难题,完成了千吨连续化中试试验。而且,可降解鞋鞋底取材于自然,造价与市场现有的鞋子相差不大。

正因如此,这款可降解鞋子不仅受到校内师生追捧,还备受李宁、阿迪达斯等知名厂商青睐。

“终于有一个拥有自主知识产权的橡胶材料,实现了从0到1突破,可以让国外来追踪中国技术。”这让团队感到无比自豪。

用最便宜的原料,做性能最好的产品

2009年,王朝还是张立群博士生的时候,张立群就给学生提了一个“特别有挑战性”的要求——用最便宜的原料、最简单的方法,做出性能最好的产品。

当时,王朝接手的任务是“把大豆油变成橡胶”,把大豆油做成黏黏糊糊类似果冻的状态。这一听起来略带科幻色彩的项目,着实让他挠头,一不小心就做成了改变不了形状的网状结构。

而早在前一年,张立群就在国际橡胶会议上提出了一个概念——生物基工程弹性体,把生物应用在工程材料上。

我国的天然橡胶产能不足,80%依赖进口。合成橡胶依赖石油资源,而我国又是一个石油资源相对不充足的国家。本世纪初,环境污染较为严重,公众的环保意识普遍不高。三重难题汇成一个点,张立群决定把团队的科研重心转向生物基聚酯橡胶材料。

“我们所有的原料都是大自然的资源通过生物发酵而来的。比如,土豆、玉米、淀粉,通过发酵可以得到一些化学品,不同于传统从石油中提炼化学品。我们就是利用生物质的化学品,再去做合成聚合,得到生物基的橡胶材料。”王朝解释了原理。

14年过去,在王朝及其团队的努力下,技术越做越熟稔。大豆油不仅可制成橡胶,他们还能给橡胶制品“加料”,需要强调耐磨性或抗静电,就添加相应的填料,“就像炒白菜,有的醋溜,有的清炒,原材料相同,加的配料不同,又是一道不同的菜”。王朝打了个比方。

除了做鞋,生物基可降解聚酯橡胶材料还有很多妙用。

据王朝介绍,1986年美国“挑战者”号航天飞机因密封圈耐低温失效,一升空便发生爆炸。耐油密封圈广泛应用于工程领域,国外一吨耐油丙烯酸酯橡胶进口价格高达8.5万元。

生物基可降解聚酯橡胶材料耐低温、耐高温性能好,未来有希望取代丙烯酸酯类的橡胶材料。

口香糖被乱吐在地上,无法降解,清洁工每每用铲子清理,过程麻烦还难以清理干净。生物基可降解聚酯橡胶材料可开发可降解的口香糖。

“原材料来自植物而不是石油,嚼在嘴里,第一就是放心。就算是吐在地上,过了100天左右,也会完全分化为水和二氧化碳。”王朝说。

除此之外,生物基可降解聚酯橡胶材料还适用于口罩耳带、手套、手机壳等生活中大量使用的物品中,以及轮胎、聚乳酸增韧剂、热塑性硫化胶等工程应用领域。

做得好一篇论文,未必做得好一双鞋

自从参加了这个项目,北京化工大学材料科学与工程博士生徐昊舒笑称,最大的好处是“再也没买过鞋”。每制成一双新鞋,他们都要上脚试试脚感,有时发现鞋底不跟脚、穿了一阵子磨破脚等情况,就再脱下来重新改进工艺技术。

由于采用全新的橡胶材料,市场上没有现成的聚合方法,所用设备也不同,他们需要研究新的生产工艺路线。怎么把橡胶材料加工成一双鞋子,也不是科研人员擅长。

种种挑战,让徐昊舒感到,“相比在实验室测数据、写论文,做好一双鞋更不容易”。

十多年过去,轮到王朝带领学生科研攻关,他也有同样的感觉,“最大的难点是,怎样由实验室产品变为工业产品”。

为了做好可降解鞋,他们还顺便开发了一款新的鞋胶。一开始团队用的是汽油制胶,搅拌好的成品第二天就挥发干了。好不容易解决了稳定的问题,在量上却始终难以突破。

一双鞋子需要500克的胶,学生做了一个月实验只能产出1000克,两双鞋子就用完了。有厂商来向王朝要这种胶,对方一开口,要100公斤。

“我们听了眼都绿了。”王朝回忆道。直到他们用上了合作单位彤成新材集团的100升反应釜,才逐渐解决了量产问题。

就是这般努力,学生们都炼成了“行家里手”。原料中的残次品,徐昊舒上手一摸就知道有问题。有一回,材料上的标牌放错了,炼胶一开始学生马上就从声音、软硬度中反应过来,立刻撤下了材料。

在那个酯香似酒香的实验室里,有着他们的大梦想——

据团队不完全统计,每年耐油密封圈领域约有10万吨开发空间,鞋子有30万吨,轮胎200万吨。“未来预计一年内,我们的合作单位至少达到千吨产能,3至5年达到万吨级产能。我们希望可降解产品,走进更多消费者心中。”张立群激动地说。

 
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