作者:王敏 来源:中国科学报 发布时间:2023/2/22 15:38:26
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陈昶乐:做国际原创高端聚烯烃产品

 

提起聚烯烃,你可能没听过,但是在日常生活中肯定接触和使用过,比如塑料袋、矿泉水瓶盖、薄膜等。中国科学技术大学教授陈昶乐的研究工作就是如何让这种材料性能变得更好。

变得更好,意味着这是一条向上的路,注定不那么轻松。但他的回答是:“如果再选一遍,我一定还会选择化学。化学科研的道路虽然辛苦,但也乐在其中。我几乎每天都在工作,但是事实上不是在工作,而是在从事自己喜欢的事情。”

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陈昶乐(左二指导团队成员(课题组供图)

挑战最后的“圣杯”

聚烯烃是世界上产量最大的合成高分子材料之一,占全部塑料的一半左右,全球平均每人每年使用量超过30公斤。聚烯烃材料被广泛用于农用地膜、管道、日常包装、汽车部件、电气绝缘、军事、医疗防护等领域。

在科研工作上,有冷门课题与热门课题之分。在20世纪60年代,聚烯烃领域当属热门,当时全球多个团队都参与到烯烃聚合的开发中来。1963年,德国化学家齐格勒与意大利化学家纳塔就因为烯烃聚合催化剂方面的研究共同获得诺贝尔化学奖。

经过近80多年的发展,很多人认为,聚烯烃领域已经很古老、体系很成熟了,在学术界和工业界都有大量的研究积累。

换句话说,聚烯烃领域趋向于“冷门”了。“要知道,许多问题前人早已研究出来,而没有解决的问题,别人几十年都解决不了,一下子想要做出一些突破是非常困难的。”陈昶乐坦言。

比如难啃的“硬骨头”有:聚烯烃一般是非极性的,这导致其印刷性、染色性等很多性质比较差。为了改善其性质,人们可以在聚烯烃主链中引入少量的极性单体。然而,这一过程的实现非常具有挑战性,被认为是聚烯烃领域最后的“圣杯”之一。

我国是全球聚烯烃生产和消费的第一大国。但是,目前我国聚烯烃产业出现一个低端产品严重过剩、高端产品进口依赖度高的矛盾局面。比如我国光伏发电产业技术基本实现了自主创新,但是用于光伏组件封装的聚烯烃弹性体材料还完全依赖进口,并且国外的生产工艺技术对国内也是严密封锁的。

从在中国科大获学士学位,到前往美国芝加哥大学攻读博士(期间获得芝加哥大学化学系Nathan Sugarman教学奖,化学系历史第一个荣获此奖的中国人),一直到美国西北大学从事博士后研究阶段,陈昶乐始终聚焦于聚烯烃,并积累了10余年的研究经验。

他清晰地意识到,“我们唯有通过科技创新,攻克关键核心技术、打破垄断,才能有可能实现聚烯烃产业高质量发展。” 

2012年10月,当时正在福布斯500强的塞拉尼斯公司工作的陈昶乐做了一个决定:回国,加入中国科大,向聚烯烃领域最后的“圣杯”之一发起挑战。

他说,“我希望搭上我国高速发展的快车道,为我们国家做一些事情。在聚烯烃这个传统的领域,如果我们能够做出一些开创性的工作,将会起到推动与引领作用,意义重大。”

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陈昶乐(左二)指导团队成员 课题组供图

“试试,再试试”

就这样,2013年1月,正值30岁的陈昶乐放弃国外高薪回到中国科大,成为该校年轻的教授博导。

他将研究内容分为两块:一块是如何高效地在非极性聚烯烃里面引入极性官能团的基础研究,另一块是做应用导向研究,希望有可能实现高端聚烯烃工业化的应用。自此,一场“硬仗”开始了。

“聚烯烃的核心是催化剂,它可以把烯烃单体聚合起来。但是一旦引入极性官能团,催化剂可能‘死掉’,失去活性。”陈昶乐介绍,发展新型高性能催化剂是拿下最后“圣杯”的关键所在。

研究初期,他们进行了大量的催化剂试错与筛选工作。陈昶乐笑称自己做的是“劳动密集型产业”。

“当时,我们大概改了三四十种催化剂,仍然没有找到合适的。”陈昶乐有些犹豫了,如果放弃,之前花费的时间就白费了;但是继续坚持下去的话,有可能再花费一年两年的时间,还是不出结果怎么办?

实际上,这也代表了目前整个聚烯烃领域的研究现状:虽然有一定的理论指导,即文献报道了成千上万种烯烃聚合催化剂,但要从中得到高性能的催化剂,极其耗时耗力且成功率很低。

陈昶乐决定“试试、再试试”。“在实验室里,陈老师手把手指导我们做实验,不够好、再改;还不够好,再改;一直改到很好为止……所以经常是从早上8点到晚上12点,陈老师都与我们一起共同‘作战’”。陈昶乐的实验室成员邹陈回忆。

正是这种坚持不懈、坚定不移朝前走的精神,他们成功发展了一系列全新的催化剂设计策略并制备了全新的催化剂体系。

同时,针对催化剂设计领域主要基于试错法,效率低、成功率低的特点,陈昶乐课题组设计并发展出了一系列新型的、通用的调控手段,可以实现对烯烃聚合反应过程更好的调控,这在国际上都是具有引领性。

国际学术界认为,引入极性单体“好”,可以改善聚烯烃性质、提升性能。但是国际上从来没有人系统地研究过,会“好”到什么程度?怎么好?具体的性质又是什么?陈昶乐带领团队率先对功能化聚烯烃材料的一系列宏观性质以及可能的应用方向进行了“普查”。

在以上一系列工作的基础上,陈昶乐又开始新型催化剂以及功能化聚烯烃材料工程应放大方面的探索。

陈昶乐曾说,“在聚烯烃研究道路上遇到的最大挑战是如何将自己的研究与文献中大量的聚烯烃相关研究中区别开来,形成自己的学术标签。”

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陈昶乐在中科科乐指导工作 课题组供图

“勇敢走出舒适区挑战新研究方向”

2020年5月,科技部等9部门印发《赋予科研人员职务科技成果所有权或长期使用权试点实施方案》,这进一步激发了科研人员创新热情,促进科技成果转化。

在这一大背景下,原本就有意将科研成果推向工业化应用的陈昶乐,在2022年顺利成立了合肥中科科乐新材料有限公司,并且成功获得了2600万的风险投资,用于推进高端聚烯烃弹性体的工业化制备。

“目前,市场上聚烯烃弹性体都是由国外生产,国内没有生产商能够生产。它的主要用途是光伏封装,还有汽车车用塑料的改性,以及锂电池的隔膜等方面。”陈昶乐介绍,比如在光伏封装领域,聚烯烃弹性体可以把光伏的组件封装起来,这样光伏发电在野外恶劣的环境中,也能起到更好地阻隔和透光作用。

当真正和市场开始对接,陈昶乐和团队成员发现,市场的需求和自己的研究方向有很大的不同。“因为在大学里研究和关注的是更新更好,但是要到市场的话,还要考虑成本的问题、市场接受度的问题。不是你的产品越好,市场就会越买账。”陈昶乐说,真正要把我们原创的聚烯烃弹性体材料推向市场,还有很长一段路要走。

现如今,中科科乐新材料的发展逐渐步入正轨,正在做十吨级聚烯烃弹性体的放大实验。下一步,他们准备建设万吨级的生产线,进行批量的量产。

对于未来,陈昶乐充满信心且坚定,“我的目标是要用国际原创的催化剂做国际原创的高端聚烯烃产品,在一系列高端聚烯烃材料领域,比如聚烯烃弹性体、环烯烃共聚物、超高分子量聚乙烯等。”

谈及对青年学者的建议,陈昶乐表示:“我希望青年学者尽早找到自己真心热爱的领域并且坚定的坚持下去,同时也需要勇敢的走出自己的舒适区,去挑战新的研究方向。”

 
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