郭凱： “編織”綠色化工新材料

日前，何梁何利基金2024年度頒獎大會召開，郭凱獲得何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎。

“這幾天，我們正和幾家化工園區(qū)的中試基地談合作，希望能盡快進行小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。”南京工業(yè)大學教授、副校長郭凱在接受科技日報記者采訪時說。

近期，郭凱帶領團隊攻克生物基聚氨酯材料研制難題。他們要用棉籽油、蓖麻油等非糧生物基制造氨綸、尼龍等高端紡織面料，并讓面料擁有絲綢一般的手感和棉一般的吸水性。

自2010年以來，郭凱和團隊圍繞綠色化工，重點開展微流場技術研究和生物基材料新產(chǎn)品開發(fā)。通過校企合作，多家企業(yè)生物基材料年產(chǎn)能達到40萬噸，多個精細化學品年產(chǎn)能達到千噸級、萬噸級，郭凱團隊為化工產(chǎn)業(yè)綠色化轉型升級探索了新路徑。

日前，何梁何利基金2024年度頒獎大會召開，郭凱獲得何梁何利基金科學與技術創(chuàng)新獎。

“我將繼續(xù)尋找真問題、解決真問題，把國家所需、行業(yè)所期、人民所盼牢記在心，不斷推動科技成果在綠色化工領域的落地。”郭凱說。

走進南京工業(yè)大學生物與制藥工程學院實驗室，一張面積約一平方米的桌子上，放著一個小型反應器。

“別看‘個頭小’，它可是一個微縮版的‘桌面工廠’。”郭凱介紹，“我們團隊利用微流場技術，通過微尺度效應將化工反應過程傳質(zhì)傳熱效率及反應速率提升100倍到1000倍，以‘桌面工廠’生產(chǎn)模式實現(xiàn)傳統(tǒng)大型化工生產(chǎn)，讓化工反應時間由十幾個小時縮至數(shù)十秒。”

憑借微流場技術，郭凱和團隊獲得2017年度國家技術發(fā)明獎二等獎。而郭凱與微流場技術結緣，和中國工程院院士、南京工業(yè)大學教授歐陽平凱密不可分。

2008年郭凱獲得博士學位后，曾在一家公司從事藥物開發(fā)研究。“當時，我在企業(yè)工作很單調(diào)，想回高校做創(chuàng)新性研究。”郭凱說，迷茫中的他遇到了歐陽平凱，并作出了影響一生的決定。

“歐陽院士認為，科研人員應該做‘頂天立地’的科研，一方面要滿足國家需求，另一方面要解決產(chǎn)業(yè)問題。”郭凱回憶，2010年他選擇入職南京工業(yè)大學，跟隨歐陽平凱開展研究，致力于解決國內(nèi)化工生產(chǎn)中的難題。

對科研人員來說，選擇合適的科研方向至關重要。那時，郭凱將目光聚焦在檸檬酸酯類增塑劑的改良上。

“傳統(tǒng)的鄰苯二甲酸酯增塑劑毒性較大，嚴重影響了下游塑料、黏合劑、油墨等產(chǎn)品的安全性。而國產(chǎn)無毒增塑劑中的主要品種——檸檬酸酯類增塑劑由于技術原因，純度、色澤等核心質(zhì)量指標都低于國外同類產(chǎn)品，嚴重影響相關產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略安全。”郭凱回憶，他在廣泛了解了檸檬酸酯類增塑劑的行業(yè)現(xiàn)狀后，聯(lián)合江蘇雷蒙新材料有限公司開展科研攻關。

“想提高檸檬酸酯類增塑劑的純度，就要優(yōu)化原材料轉化率，改善催化效果。而要使它透明無色，就要進行溫度控制。”郭凱說。

談起那段攻關經(jīng)歷，郭凱顯得云淡風輕。但2010年考取郭凱碩士研究生的佘鵬偉，記得當年科研攻關的艱難。

“化工試驗一旦開始就不能中斷，否則會影響數(shù)據(jù)的精準性。郭老師跟我們一起待在實驗室做試驗，經(jīng)常做到凌晨三四點。”佘鵬偉說。

經(jīng)過五六年的持續(xù)攻關，郭凱帶領團隊革新了傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)模式，突破了檸檬酸酯類生物基無毒增塑劑生產(chǎn)中多項關鍵核心技術瓶頸。他們聯(lián)合企業(yè)研制的高品質(zhì)乙酰檸檬酸三丁酯占據(jù)國內(nèi)90%以上高端市場，實現(xiàn)生物基增塑劑及衍生產(chǎn)品8萬噸的年產(chǎn)能，為生物質(zhì)資源高值利用提供綠色方案。

2011年起，郭凱帶領團隊以棉籽油、蓖麻油等非食用性植物油替代石油，研制生物基聚氨酯新材料。聚氨酯是一類功能性材料，被廣泛應用在基建、家電、汽車、醫(yī)護等領域。然而，傳統(tǒng)聚氨酯材料對石化資源依賴度高，產(chǎn)品的綠色環(huán)保性較差。

郭凱坦言，在研制過程中，他很多次都想放棄。最讓他抓狂的是，在研究初期，已經(jīng)調(diào)試好的聚氨酯配方，由于使用大量植物油，一到冬天樣品就凝固。“后來，我們歷時一年，融合化學、化工等領域的知識，對配方進行上百次調(diào)整，最終將產(chǎn)品的凝固點從零攝氏度附近降至零下10攝氏度。”郭凱介紹，在試驗過程中，團隊加強與企業(yè)交流，做出原型產(chǎn)品后就交給企業(yè)評價，隨后吸納企業(yè)的意見再改進。

念念不忘，必有回響。經(jīng)過近10年攻關，郭凱團隊發(fā)明了5種新型生物基多元醇單體料并完成了年產(chǎn)5萬噸的產(chǎn)業(yè)轉化，在此基礎上開發(fā)了生物基防腐涂料、軟泡等5種高性能生物基聚氨酯新材料。憑借這些成果，郭凱團隊獲得2023年度江蘇省科學技術獎一等獎。

“未來，我們希望開發(fā)出更多高端生物基材料，助推化工產(chǎn)業(yè)轉型升級，為解決環(huán)境污染和資源短缺等問題提供科學解決方案。”郭凱說。