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成功当选院士!北京化工大学张立群:每吨生物基橡胶减少碳排放1.44吨

2021-11-24 13:39 1779 0 来自: 碳中和前沿CCUS
简介
【汽车碳中和】近日,中国工程院、科学院发布 2021年中国科学院、工程院增选当选院士名单,2021年中国科学院共选举产生了65名中国科学院院士和25名中国科学院外籍院士,中国工程院共选举产生了84位中国工程院院士和2 ...

【汽车碳中和】近日,中国工程院、科学院发布 2021年中国科学院、工程院增选当选院士名单,2021年中国科学院共选举产生了65名中国科学院院士和25名中国科学院外籍院士,中国工程院共选举产生了84位中国工程院院士和20位中国工程院外籍院士。


院士是国家所设立的科学技术方面的最高学术称号,一般为终身荣誉,是对个人在科技方面做出的突出贡献的肯定。在84位中国工程院院士当选人中,北京化工大学副校长张立群教授成功当选,作为生物基橡胶领域的资深专家,张立群及其团队的研究成果对我国橡胶事业的进步具有重要意义。


张立群教授汇报工作报告及科技报告


01
独创生物基橡胶技术


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。一架战机上的橡胶零部件超过千件,一艘核潜艇为了隐身其外表要敷设橡胶消声瓦,没有了橡胶轮胎就没有现代汽车工业。可以说,弹性体材料科学与工程与资源、环境、能源、生命健康和国家安全等领域均有重要的交叉关系。

天然橡胶是典型的绿色天然高分子材料,橡胶树每生产1吨天然橡胶能吸收17.5吨的二氧化碳,可说是负“碳足迹”绿色材料。

而在轮胎生产原材料中,用量占半壁江山的合成橡胶品类众多,其产量仅低于合成树脂(或塑料)、合成纤维,是三大合成材料之一。但其一方面依赖于化石资源,另一方面碳排放量高,每生产1吨合成橡胶要排放3.3吨二氧化碳,相比天然橡胶生产,每吨多出近20吨的二氧化碳排放。

我国每年橡胶消耗量近1000万吨,其中合成橡胶消耗量为500万吨左右。然而,我国天然橡胶产量不足,进口量超过80%;我国是合成橡胶生产的第一大国,但没有一个橡胶材料的结构是中国原创的。合成橡胶依赖于石化资源,且很多高性能合成橡胶还主要依赖国外进口。

世界首批官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶轮胎

为此,新型生物基橡胶的设计和开发,对于提高我国在橡胶领域的话语权,实现双碳目标,保障我国橡胶行业的高质量和可持续发展都具有重要意义。

北京化工大学先进弹性体材料研究中心于2008年开展生物基橡胶的研究工作,其研究成果官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶是我国原创的合成橡胶品种。

官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶胶乳及生胶

2021年5月25日,由中国石油和化学工业联合会组织,对北京化工大学先进弹性体材料研究中心为主完成的“官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶” 科技成果进行了鉴定评价。鉴定专家组在听取项目组汇报,审查了相关资料,经过质询和讨论后,一致认为官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶材料结构设计与合成居国际领先水平,同意通过鉴定,建议大力推广。

根据估算,生产每吨官能化生物基衣康酸酯-丁二烯橡胶相比传统石油基合成橡胶,能够减少碳排放1.44吨,可以为我国橡胶行业实施 “碳达峰”、“碳中和”战略提供积极支撑。

02
橡胶材料纳米增强


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。

03
产学研结合,受到国家“十三五”重点研发计划支持


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。

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。

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