作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2023/3/7 23:56:28
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塑钞膜、跑鞋底……玩“塑料”,她们行!

 

“我现在要开始煮一锅,先给它们炖上!”“注意火候!”中国科学院化学研究所(以下简称化学所)工程塑料实验室里,研究人员之间的日常对话像是在厨房,充满生活气息。他们把不同的单体聚合得到高分子材料,做出高科技的塑料钞基膜、高档跑鞋鞋底。

“这些产品成功出炉,离不开团队多年以来在聚烯烃和长链聚酰胺材料方面的深耕。”该实验室副主任董侠研究员向《中国科学报》记者介绍。

2023年三八妇女节前夕,这支以女性科研人员为主的科研团队获得全国巾帼文明岗荣誉称号。

塑料钞不“塑料”

2022年北京冬奥会期间,中国人民银行发行了奥运会历史上第一枚塑料钞——20元面值冰上运动塑料钞。这是第一枚中国完全自主知识产权的塑料钞,特别是它的塑料基材科技含量高,一点也不“塑料”。

冰上运动纪念钞外观(图片来源:“中国人民银行”微信公众号)

顾名思义,塑料钞就是用塑料薄膜印制的钞票,比传统纸钞更难以伪造仿制。“虽然塑料薄膜在生活中很常见,但要做成钞票,就必须要克服材料软塌、油墨难以附着、容易热变形、静电严重等缺点。”董侠介绍。

因此,研制和生产塑料钞基膜的高分子薄膜困难重重。在中国取得成功之前,世界上只有澳大利亚和英国拥有这一关键技术。

2011年起,实验室主任王笃金研究员带领工程塑料实验室的科研团队在科技部“863计划”重点项目和中科院“弘光专项”的支持下,对塑料钞基材“卡脖子”难题进行了10多年的持续攻关,最终实现工业化稳定生产。

作为该项目的核心骨干,董侠喜欢用“做饼”来类比制作塑料钞基膜的过程:“面粉”是他们创制的高分子原料配方,“多层饼”是主体与表面结构设计,“擀饼”是双向拉伸加工工艺,随后作为“大饼”的薄膜会变得刚柔平衡,“烤饼”是进行表面极性处理。经过上述步骤,一张适合印刷的透明薄膜“大饼”就做好了。

“从配方开始,到实验室吹出来40厘米宽的薄膜,再到车间里工业上放大到接近9米的薄膜,全过程都是从我们实验室走出的创新成果。”看到冬奥会塑料纪念钞上独特的变幻冰雪效果,董侠深感自豪。

这几间面积并不大的实验室似乎成了“撬起地球”的那个支点。除了塑料钞,他们还撬起了国产高端跑鞋的世界。该团队青年科研人员朱平博士介绍,自2014年起,面向高端跑鞋对塑料鞋底超轻、高弹的需求,研究人员从分子设计开始,创新长链聚酰胺的排列方式得到全新的配方,再通过类似爆米花的“超临界发泡”形成蜂窝状材料,供进一步加工应用。

经过8年攻关,实验室已经在合作企业建成百吨级生产线,目前已实现稳定供货,整体技术达到国际先进水平。“‘国潮’高端跑鞋已经用上了!”朱平透露。

从科学中来,到产品中去

化学创造美好生活,是整个团队始终怀揣的理想。多年来,他们一直努力探索让基础科学研究的成果既上“书架”又上“货架”。

带着实验室做出来的高分子配方、生产线放大方案,科研人员常年奔走在全国各地的生产车间。他们时常会遇到一些“怪事”。比如,早在2002年,团队正在攻克用来纺织土工布的聚丙烯高强丝制造难题,正在做博士后的董侠参与了这项工作。生产高强丝的快速取向和结晶过程经常不稳定,就像“靠天吃饭”。在场的科研人员和工程师把技术上可能的因素都排查之后,仍然百思不得其解。

当时,在课题组创始人、中国工程院院士徐端夫先生的指导下,科研人员又回到科学问题中去。“最后,我们从高分子化学与物理的基本问题出发,证实结晶过程与温度和速度之间的关系,才从根本上解决了这个问题。”董侠说。

令董侠感受更深的一次经验来自攻克生物发酵法二元酸为原料的长碳链聚酰胺工业化制备难题。多年来,团队面向国家重大需求,设计合成全新结构的长碳链聚酰胺材料及其弹性体,系统研究了其聚合反应动力学、聚合工艺条件和树脂特性,为这一新材料实现工业化提供了理论依据。在此基础上,他们协助企业建成国内最先进的万吨级聚合装置,打破了我国一直以来98%以上依赖进口长碳链聚酰胺材料的局面。

“成功的‘秘诀’就在我们实验室自主设计发明的200毫升的聚合釜上。”董侠表示,“我们通过这个小小的聚合釜,把化学反应中的传质传热机理,也就是反应动力学的基础科学问题搞清楚了。”


用于生物发酵法二元酸为原料的长碳链聚酰胺聚合的聚合釜及相关装置(化学所供图)

“基础研究创新为基,关键技术突破为用。”作为中国科学院大学授课教师,董侠在课堂上和学术报告中,常常把这句话放在PPT显眼的位置上,这是她多年科研生涯的真切体会。

不分男女都奉献

董侠和团队成员合影(前排从左至右依次为刘学新、董侠、赵莹,后排从左至右依次为刘国明、乌兰、朱平、苏允兰,化学所供图)

“董老师,我要去接孩子了。”采访进行到一半,团队中为数不多的男成员朱平向董侠请假。

“我们团队的确一直是女老师比较多,但是带孩子从来都不只是妈妈的专利。”董侠说,“生活上,男老师、女老师都是小能手,既管孩子又顾工作。”

在团队的年轻成员看来,这得益于前辈们带了一个好头。就拿徐端夫先生来说,他热爱做饭,每年春节的年夜饭都是他亲自下厨,就连家里保姆的厨艺也是他培养出来的。

做起科研来的奉献精神,团队中更没有传统意义上的性别之分。王笃金经常在实验室忙到后半夜;董侠则总在实验室和企业之间连轴转;研发任务紧急时,团队成员也都会坚守岗位,不分节假日。

在女将居多的团队中工作,朱平的感受是:“不管男老师、女老师,和我同龄的‘80后’老师们都有两个孩子,也都同时面临着科研和家庭的双重压力,团队氛围既轻松活泼,又严肃认真,给了我们很大的支持。”

对科学事业的热爱是他们共同的初心。“有人开玩笑说羡慕我们在印钞票,但我们眼里那只是科学,不是钱啊!”董侠说。

她表示,研究团队将继续秉承原始创新和关键核心技术攻关协同发展的科研理念,在高分子科学和材料领域奋勇前进。

 
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