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张立群:弹性体新材料领航人

作者:张欢  2018年11月30日   来源:中化新网    

  我国橡胶工业产值已超万亿元,连续多年位居世界第一。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。有一位专家,在高性能橡胶纳米复合材料、绿色橡胶材料和特种功能橡胶材料等领域取得了重要成果,为发展我国橡胶工业作出了突出贡献。他就是北京化工大学材料科学与工程学院院长——张立群。

  不仅能“研”而且能“产”

  1986年9月,张立群考上了北京化工大学高分子系,就读橡塑工程专业。从这一年开始,张立群与橡胶结缘,并在此后的12年里,一路成长为北京化工大学教授,继而成为教育部长江学者特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家973项目首席专家。

  橡胶材料是三大高分子材料之一,由于其独特的高弹性和黏弹性而被广泛应用于国民经济和国防军工。橡胶制品易老化磨损、耐用性差,因此如何提高橡胶材料的耐用性和抗破坏性,一直是行业技术攻关的重点课题。

  针对这些问题,张立群提出了橡胶材料纳米增强必要性的观点,并将其演化为解决橡胶低强度难题的重要原则,进而提出了纳米强化的“逾渗”机理,包括临界粒子间距、最佳交联密度、最佳界面作用度等概念参数,并阐明纳米增强橡胶的本质是大分子与纳米颗粒共同构建的物理网络在外力作用下产生的演变耗能及分子取向强化。这套机理为高性能纳米复合材料的设计与制备提供了理论指导,并为国内外橡胶学者广为接受。

  此外,张立群在国际上还率先提出了“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。这些成果居于国际领先水平,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。

  橡胶的黏度高,与纳米颗粒的分散复合极为困难,混合能耗大。如何低成本、高效能地实现纳米颗粒在橡胶中的分散与界面调控,是橡胶行业一个重大需求。针对这一问题,张立群带领科研团队,发明了纳米颗粒水分散体—橡胶乳液共混共凝制备复合材料成套技术,实现了储量丰富且廉价的天然黏土在橡胶中的纳米剥离分散与界面调控,使橡胶与纳米粒子混合分散的综合能耗降低20%以上,使橡胶强度提高6~10倍,气密性提高50%以上。

  理论体系和实验室的成功并没有让张立群和他的团队满足,他们的目标是要把科研成果真正用到工业生产中去,得到工业化的产品。张立群团队分别与海南天然橡胶有限公司、云南天然橡胶有限公司和淄博东方化学有限公司合作,建成了黏土/天然橡胶纳米复合材料生产线、纳米二氧化硅/天然橡胶复合材料生产线、黏土/丁苯橡胶纳米复合材料生产线,使橡胶产品在大型工程轮胎、高性能子午线轮胎、高性能输送带上得到应用。

  针对无乳液形态的橡胶,基于深入的理论研究,张立群带领团队采用大型串联式密炼机作为高黏体系的分散—固相界面反应装备,开发了高反应效率的硅烷界面改性体系,突破了混合—反应体系难控温、固相反应效率低和VOC排放高的技术瓶颈,并与合作企业共同实现了高量填充纳米二氧化硅/溶聚丁苯橡胶复合材料的万吨级工业化生产。

  基于上述理论和技术成果,张立群带领团队成功开发了高性能轮胎胎面和气密层等用纳米复合材料,与合作企业共同制造出高耐磨、节油、安全的轮胎。仅玲珑轮胎就实现销售收入60亿元、2016年欧美出口达5.76亿美元,并实现了中国轮胎在大众、通用等国际品牌汽车上的原配,使我国轮胎提前达到欧盟“轮胎标签法”双B级水平,进入世界前列。近期,他们又与企业成功开发出了滚动阻力达到A级的轿车子午线轮胎和载重子午线轮胎,该级别的轮胎国际上尚未规模化投放市场。为了迎合我国大飞机发展战略,张立群教授又带领全国相关力量,在国家自然基金委重大项目的支持下,进行相关基础研究,支撑我国大飞机轮胎的自主开发。

  迄今为止,张立群教授带领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,仅校企联合奖学金就建立了近30项,在国内高校名列前茅。由于张立群教授在橡胶材料科学与工程领域的突出贡献,他获得多项相关领域重要国际奖项-美国化学会橡胶分会Sparks-Thomas Award 奖,国际聚合物加工学会Morand Lambla Award奖,日本化工学会Asia Research Award奖,国际橡胶会议组织奖章IRCO Medal。

  引领绿色橡胶材料发展

  目前,大部分橡胶材料在应用时必须进行交联,这也使橡胶材料的回收再利用极为困难。作为世界第一大橡胶制品生产国,我国的废橡胶产生量也位居世界第一。

  TPV是一类易回收再利用的高附加值的绿色橡胶材料,但制备技术难度很高,被几家国际大公司掌控。而很多国家在汽车零部件、建筑、电子等诸多领域正强制使用易回用的绿色橡胶材料,这也使我国橡胶产品的出口受到一定阻碍。

  针对这一难题,张立群带领团队创制了分步高/低温混合+助剂“定相”预分散—高温动态全硫化(交联)新工艺技术,同时开发了高黏橡胶体系动态交联反应适用的特种硫化体系,设计定制了高混合、高剪切、高控温能力的动态交联反应器,解决了橡胶相动态交联速率与微纳尺度破碎速率的匹配难题,成功实现了低比例塑料相作为连续相、高比例橡胶相作为微纳级分散相且高度交联的理想微观结构。与山东道恩集团联手,建立了我国第一家高性能万吨级TPV生产企业,可生产三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁基橡胶等系列TPV产品。这一自主技术的开发也使国产TPV在国内市场占有率达到近30%,国外产品因此降价50%以上,且国产密封用高流动品级TPV成为国际上性能最好的产品,医用密封TPV成为国内唯一、国际第二个开发成功的产品。合作企业在A板成功上市。

  “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。”张立群介绍,目前北化团队已研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。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。

  此外,张立群教授带领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,并引领成立了中国蒲公英橡胶产业技术创新联盟,大力推进我国蒲公英橡胶技术与产业的发展。这些研究均受到国家“十三五”重点研发计划的支持。

  创新发展国防特种橡胶材料

  军备水平的高低直接决定了我国国民的生活安稳水平,军备物品的国产化也是衡量一个国家国防水平的重要标志。

  除了在民用领域实现了一系列新产品的开发和工业化生产外,张立群同样在国防橡胶材料领域也呕心沥血贡献很多。他带领团队发明了高效选择性加氢催化剂,突破了加氢工艺和催化剂回收技术瓶颈,建立了我国唯一的军用耐油、耐老化氢化丁腈橡胶生产平台,首次实现了该特种橡胶的自主保障供应。这种材料被应用于大运飞机首飞和后续装机、水陆两栖AG600飞机、直8系列飞机,使飞机上的特种胶管寿命大大延长,有效提高了各类战机的技术水平,降低了维护成本。

  复杂重载荷下关键橡胶制件寿命短,一直困扰着重要武器装备的研发和使用。张立群带领项目团队,合成了具有超高抗切割、抗磨蚀以及低滚动阻力性能的新一代特种工程橡胶材料,创下了坦克负重轮胶胎台架寿命的历史最好水平,并已经装车试用;合作团队还开发了某直升机球面弹性轴承用低滞后高抗破坏橡胶材料,性能超过国外同类产品,提高了直升机综合台架寿命。

  针对潜艇在南北“两极”服役的战技性能新要求,张立群和团队还创制了氢键网络型橡胶材料,大幅度提高了相关性能,已经可以批量生产。

  北京化工大学材料学院院长 张立群

  张立群,北京化工大学材料科学与工程学院院长、博士生导师,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,第一届“万人计划”入选者和国家“973”项目首席科学家。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。

  主要研究方向为橡胶材料科学与工程、聚合物纳米复合材料、生物基高分子材料、聚合物加工工程等。发表文章400余篇,作为第一作者或通讯联系人的SCI收录文章200余篇,入选Elsevier 2014~2017年中国高被引学者名单;获得国家技术发明二等奖2项,省部级一等奖8项、二等奖4项,以及全国优秀科技工作者、国务院颁发的政府特殊津贴、第九届中国青年科技奖、中国橡胶工业协会优秀科技创新带头人、第十八届茅以升科技奖、何梁何利青年创新奖、工程院光华科技奖等。

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