可降解材料的科研垦荒之旅

  近日,东华工程科技股份有限公司(以下简称东华科技)和新疆天业(集团)有限公司共同投资成立的东华天业新材料有限公司(以下简称东华天业)开发出以全生物降解新材料聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)为主要原料的新型环保防尘网,而PBAT的研发则是东华科技积极进军白色污染治理新领域的重要举措。

  作为国资央企的一份子,“十四五”期间,东华科技把新材料产业作为战略布局和科技创新的重点方向,积极投身白色污染治理事业,布局上下游产业链。2021年,东华天业成立,建设生物降解材料PBAT项目。同年,中国化学环保研究院(以下简称研究院)落户安徽合肥,把环保绿色新材料作为研发的重要方向之一。至此,该院研发团队开启了PBAT高效催化剂的研发之路。

  自主探索 研发出东华人的催化剂

  2021年3月,研究院接到一项看起来不可能但必须完成的任务——在1年内完成PBAT高效催化剂的合成工艺改进,实现东华天业全生物降解材料PBAT项目顺利投产。

  PBAT属于热塑性全生物降解塑料,是目前生物降解塑料研究中非常活跃和市场应用前景最好的降解材料之一,可广泛应用于包装材料、餐饮用具、卫生用品、地膜等一次性塑料用品。开发和使用新型高效的工业催化剂是提高产品质量、降低成本、实现环境友好工艺的有效举措,但在工业化应用时,PBAT高效催化剂成为最棘手的问题。当时市场上已有的PBAT催化剂要么转让费用过高,要么技术不对外转让,同时也无法验证催化剂的活性和稳定性。

  “没有现成的,我们就自主探索,研发出东华人自己的催化剂。”研究院副院长钱俊说,一年的时间期限,超高的标准让整个研发团队备感压力。从催化剂研发到小试、中试,再到最终应用于工业化装置生产、成功开车产出合格产品是一系列极为复杂的过程,真正预留给研发团队的时间只有6个月。同时,催化剂的研发与项目建设同步开展,必须在项目建设工期内完成PBAT高效催化剂的开发及工业化应用。一旦时间耽误,建设好之后如果无法开工,企业将面临巨大的经济损失。

  开弓没有回头箭,既然决定接受挑战,那就要破釜沉舟。通过大量调研和阅读技术文献,在与市面上的各类PBAT催化剂进行大量的对比试验、并消化吸收行业现有各类催化剂的优点后,东华科技PBAT绿色高效催化剂正式诞生。

  “与别的催化剂相比,我们自主研制的催化剂有2个优点,一是活性高,二是配置工艺简单,极大地降低了生产成本。”钱俊说。

  锲而不舍 “咖啡豆”变“雪白珍珠”

  工业催化剂的开发和实验室的科学实验存在巨大区别。在完成了PBAT绿色高效催化剂设计与聚合工艺的探索后,能否成功应用于工程实践、实现顺利开车的目标,成为研发团队面对的另一个挑战。

  2021年6月,东华科技与天业集团在新疆共同建立生物全降解新材料技术创新中心,作为PBAT的中试基地。

  当时刚从合肥工业大学材料化学工程专业毕业的孙祥斌博士仍然记得首次中试时的场景。PBAT中试是2021年12月1日上午9点开始,从酯化到聚合,一切在紧张有序地进行。每个人的内心都是忐忑的:催化剂有没有效果?工艺流程能不能打通?最终能不能形成PBAT粒子?一切都是未知。等待产出的过程犹如“开盲盒”,你永远也不知道产出的粒子是什么样的。

  当天晚上11点,历经了12个小时的等待,当研发团队看到装置传送出一颗颗红彤彤像“咖啡豆”一样的颗粒时,心凉了半截。因为优质PBAT粒子最显著的特征就是通体雪白,显然这次产出的PBAT粒子并不符合标准。

  但是对项目负责人刘征来说,这种看起来不尽如人意的结果才是常态,因为它标志着研发团队首次打通了PBAT中试流程。

  中试是枯燥的,需要极大的耐心和毅力,随时可能面临挫折、失败及各种风险。从设计方案、正式模拟到经验总结,一次完整的中试至少需要2到3天。在新疆的6个多月里,研发团队先后完成了20余次完整的中试。

  “那段时间令我刻骨铭心。我们每天不断地调整实验中各种细微的数据,一次又一次观察粒子的颜色、测试粒子的性能。”刘征说。

  研发团队从零开始,自己设计方案、自己与设备厂家沟通,自主研发出一套包含冷冻水站和冷水机组的循环水系统,有效地对冷凝器循环水进行了控制,保证了中试的稳定性。

  2022年3月,经过无数次的聚合试验,装置终于成功产出犹如一颗颗椭圆形“雪白珍珠”的PBAT粒子。

  勇于攀登 迎来荣耀高光时刻

  2022年6月20日,全生物降解材料PBAT项目一次性开车成功,研发团队终于迎来了属于他们的荣耀高光时刻。经过第三方的权威认证检测,东华科技生产的PBAT粒子无论是色泽还是性能都优于国家标准。

  “企业的研发和高校研发目标并不一致,高校研发以科技论文和机理研究为导向,而科技公司是以研究出符合预期的产品为目标。”研究院院长、东华科技资深技术总监汪炎说。面对新疆的极端恶劣天气,研发团队以创新求实的态度迎战试验中出现的各类问题,协调高校、设计、采购等多方资源,自己跑工地、跑项目、跑供应商。

  目前,东华科技研制的PBAT高效绿色催化剂已获得一项安徽省科技成果鉴定和一项发明专利授权,同时通过下游改性开发出独有配方和技术,应用于生活用购物袋和垃圾袋。东华科技一个兼具经济价值和社会价值的产业发展初现雏形。


  作者:东华工程科技股份有限公司 刘茜玥 王颖

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