聚氨酯新型化學發泡劑引熱議

2019-11-09 13:59:53 來源:中國建材報

這個項目靠什么以5.2億元創我國單項專利技術轉讓費紀錄——

聚氨酯新型化學發泡劑引熱議

 

圖為畢玉遂介紹聚氨酯發泡材料。

  地處山東淄博的山東理工大學最近有點“火”,原因是該校一位名叫畢玉遂的教授,發明的一項專利幾年前被一家企業買斷使用權,價格高達5.2億元,創我國單項專利轉讓最高紀錄;而山東理工大學又將其中的80%,即4億元歸教授團隊支配,再創我國高校科研團隊直接收益最高紀錄。

  日前,記者來到山東理工大學,采訪了該校化學工程學院教授、新型聚氨酯材料研究院院長畢玉遂。

  《蒙特利爾議定書》中的世界難題

  畢玉遂發明的這項專利名稱叫“無氯氟聚氨酯新型化學發泡劑”,發泡劑是生產聚氨酯泡沫材料的重要原料。

  在山東理工大學化學工程學院五樓的實驗室里,幾位學生正在埋頭做實驗,他們將發泡試劑和原料按一定比例調和,很快就能膨脹變成聚氨酯泡沫……畢玉遂帶記者一邊參觀實驗室,一邊作介紹。

  聚氨酯(PU)是最重要的六大合成材料之一,應用領域十分廣泛,大到建筑外墻保溫、天然氣管道保溫、汽車、高鐵、地鐵、航空、新能源、環保等產業,小到家電、家具、沙發、床墊等。資料顯示,2012年全球PU產品消費量為1870萬噸,中國消費了500萬噸,占比28.15%。

  聚氨酯面世80年來,發泡劑技術一直被西方發達國家壟斷。聚氨酯泡沫材料的生產目前全部使用物理發泡劑,歐美先后研發出四代聚氨酯物理發泡劑:第一代是氟利昂系列,第二代是141B,第三代是HFC-245fa和HFC-365mfc,第四代是LBA,環保性能一代比一代好,但使用性能卻越來越不理想,且價格也越來越高。為了防火阻燃,這類物理發泡劑中都含有氯和氟元素,因此生產聚氨酯泡沫材料,必然會消耗大量氯氟烴。

  而氯氟烴對大氣臭氧層具有極強的破壞作用。在太陽C波長紫外線作用下,氯氟烴會釋放氯原子,氯原子和臭氧分子發生反應消耗臭氧,通過連鎖反應,一個氯原子可以破壞千萬個臭氧分子,嚴重破壞臭氧層。因為氯氟烴的生產和使用,全球每年增加約數十億噸二氧化碳的排放當量。因此,替代和淘汰氯氟烴物質對保護大氣臭氧層意義重大。

  按照《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制議定書》約定,世界各國將逐步削減使用各種氯氟烴類物質,到2030年以前,世界各國將完全禁止使用。

  研究環保安全的無氯氟聚氨酯發泡劑十分必要和迫切,但這是一個世界級難題。自拜耳公司發明聚氨酯近80年來,歐美化學巨頭拜耳、杜邦、霍尼韋爾公司先后研發出四代聚氨酯物理發泡劑,技術和市場均被其壟斷。新型發泡劑的研發之路異常艱難漫長。

  理論拓荒,合成新物質

  畢玉遂對新型發泡劑的研究始于2003年。他們認為,基于鹵素不燃特性研究發泡劑的技術思想已經到了極限,按照這樣的思維,永遠也無法擺脫氯氟烴的問題,淘汰氯氟烴必須另辟蹊徑。

  挑戰世界級難題,能行嗎?畢玉遂認為,外國人解決不了的難題,中國人不一定做不到;著名大學做不了的事情,其他大學不一定做不了。他想試著研究新型化學發泡劑,淘汰氯氟烴類物理發泡劑。

  一開始,畢玉遂對化學發泡劑也是一無所知,在能夠查閱的數據庫中,關于聚氨酯化學發泡劑的資料一片空白。

  后來經過反復分析,畢玉遂團隊確認:世界上之所以沒有化學合成的聚氨酯化學發泡劑,是因為沒有理論支持,缺乏理論依據;突破這一技術的關鍵,就是要研究出新理論,找到新的化學反應,然后設計和合成新物質,而且合成的新物質能夠反應產生二氧化碳氣體,且必須是二氧化碳氣體。因為二氧化碳是人類和其他動物正常代謝的產物,無毒,它的導熱系數在所有無毒氣體中也是最低的。這一研究思想的確立,為后來的研發指明了方向。

  最初幾年,畢玉遂團隊做了大量拓荒性、探索性的研究:分子設計,合成工藝調整,優化、再調整……就這樣,反反復復,10多萬次的實驗,一點點從不可能到可能。

  因為研究的是新領域,沒有研究基礎,寫不了項目書,沒法申請科研經費,資金短缺一直是個難題。往往在研究、試驗一段時間后,沒錢買實驗材料了,畢玉遂就從家里拿出積蓄,或者是通過了解這個項目價值的朋友們得到幫助支持。

  在最艱苦的幾年里,在畢玉遂的生活中,除了做實驗還是做實驗,一年365天,除了出差和大年初一,他和他的團隊都泡在實驗室里。剛開始時,畢玉遂還是滿頭烏發,如今10多年過去了,他的頭發已經全白了。

  在困難中掙扎,在掙扎中堅持。2010年,畢玉遂團隊終于獲得了關鍵數據,在理論和合成技術上取得了重大突破,合成出了最初期的化學發泡劑產品。

  2011年3月,通過在華東理工大學第三方驗證和系列實驗,畢玉遂團隊取得了比較滿意的數據。該發泡劑是目前除水以外,唯一能反應產生二氧化碳氣體,又能用于聚氨酯發泡的有機化合物,不但綠色環保,而且成本很低。

  很快,項目成功的消息引起世界關注,國際上多家化學巨頭紛紛前來參觀考察,尋求合作。

  2013年2月25日,聚氨酯化學發泡劑項目在北京通過了技術鑒定,對外正式宣布新型聚氨酯化學發泡劑研發成功。

  學校助攻專利布局和產業化推廣

  畢玉遂十分清楚自己的研究成果所蘊含的巨大市場價值,而對于如何申報專利才能做到萬無一失,他沒有任何把握。

  2016年2月,出于對科研成果的有效保護和未來產業化推廣的慎重考慮,山東理工大學做出了一個大膽的舉措——以學校的名義組織撰寫了《推動無氯氟聚氨酯發泡材料產業化》的建議報告,直接呈報國務院;2月17日,國務院領導在建議報告上作出批示。

  2016年,由科技部、環保部、中國石油和化學聯合會、聚氨酯工業協會等聯合組成的專家組,對畢玉遂團隊的研究成果進行審查,通過審查和國內外檢索后,國家知識產權局專家確認:無氯氟聚氨酯化學發泡劑是一個革命性的、顛覆性的發明,是重大的理論創新和技術發明。

  中國石化聯合會原會長李勇武調研時評價說:“你們解決了一個世界性難題。”

  2016年5月,國家知識產權局派出微觀專利導航項目工作組進駐學校,指導開展國際專利的布局、撰寫、申請等工作,共申請了4件中國發明專利,3件PCT國際專利。2017年,“無氯氟聚氨酯新型化學發泡劑”的專利布局完成。它徹底打破了歐美對其他國家的技術壟斷。

  看看從專業的角度,如何評價“無氯氟聚氨酯新型化學發泡劑”研究——

  長期以來,在聚氨酯物理發泡劑的研發方面,科學家們習慣于低沸點、易氣化、采用氟氯元素阻燃的研究思路來設計分子結構,這禁錮了研發人員的創新思想。聚氨酯新型化學發泡劑的研究徹底顛覆了原有思路,它采用了全新的研發思路,實現了彎道超車。該研究以嶄新的思想和方法設計,合成出能與黑料發生反應產生二氧化碳氣體的新物質,新物質具有高沸點、不易氣化、生產過程和分子本身均不涉及氯氟元素的特點。新物質的合成和新反應的發現為化學發泡劑的研究提供了理論依據,與物理發泡劑相比,兩者無論是發泡原理還是分子結構特征都截然不同。新型化學發泡劑為人類在聚氨酯發泡劑的研究方面開拓出一條新路徑,不僅打破了歐美國家在這一技術領域的壟斷,其無與倫比的環保性能和良好的使用性能,必將引領世界聚氨酯工業和有機新材料工業的未來發展,涉及上下游產業萬億元級的產值。

  2017年4月,由山東理工大學出面與補天新材料技術有限公司簽訂了專利獨占20年的許可協議(美國、加拿大市場除外),企業需總計支付5.2億元人民幣。而根據山東理工大學的政策規定,收益的80%,即4億元歸項目研發團隊支配。

  統計數據顯示,2014年全球聚氨酯硬質泡沫材料需求量為570萬噸,預計2014年至2020年將以4.5%的復合年增長率上漲。發泡劑作為聚氨酯泡沫材料的生產原料之一,將擁有巨大的市場需求。未來幾年,聚氨酯發泡劑的用量將達60萬噸。

  目前,中國石油和化學工業聯合會已將“聚氨酯新型化學發泡劑制備技術”列為“十三五”重點突破的高端技術,山東理工大學還成立了“聚氨酯新型化學發泡劑研究院”,全力推動項目成果產業化。

  無氯無氟聚氨酯市場大有可為

  攻克技術難題后,畢玉遂又有了新的愿望和方向:“在我有生之年,要加快產業化進程,讓有機聚氨酯泡沫材料中的發泡劑換成中國制造,為我國和全世界提供最環保的產品,造福人類。”

  在實驗室旁邊畢玉遂簡陋的辦公室里,記者與他談起未來聚氨酯材料市場應用的相關話題。

  畢玉遂談道,總體來講,這種材料是一種聚氨酯泡沫材料,它的優勢很多,具有良好的保溫、封堵、填充等作用。比如對建筑外墻的保溫,用作冷庫、集裝箱的保溫,冷熱水管道包括液化天然氣管道輸送、原油管線輸送等,都要用到聚氨酯材料。有些領域不需要保溫,只要求用作填充材料,有一定的彈性和強度就可以,應用領域十分廣泛。

  而日常前來向畢玉遂咨詢請教的人也絡繹不絕。比如有需要給水上游艇的艙體內部作填充材料,要求輕質、防火、保溫、容易施工等;還有廢棄礦山坑道的填充,也可以使用聚氨酯發泡材料。

  畢玉遂特別指出,聚氨酯泡沫材料有一大特點,就是在施工時灌進去的是液體,很快便會發泡、體積慢慢膨脹起來,最后變成固體。產品具有極強的可塑性,成型后跟外圍是完全吻合一體的。

  用作封堵材料就是高分子防潮封堵材料,灌體一體化,現場施工方便快捷,不開裂,壽命不低于20年。還能制作仿木材料,可以進一步開發出密度和木頭一樣的材料,代替木材。

  目前來看,聚氨酯泡沫材料主要還是用作保溫和填充材料,要求性能一般是保溫、填充、阻燃等。如果有新的需求,畢玉遂團隊會根據需求進一步開發新的領域,用途應該是非常廣泛的。

  與補天公司的合作中,畢玉遂團隊負責技術服務,將根據補天公司的需要,在相關領域和產業進行開發研究,然后提供一個完備的技術方案,從實驗室到產業化,最終到用戶使用滿意。據了解,補天公司目前生產的產品涉及管道、保溫材料、液化天然氣保溫,冷柜保溫、門業保溫、外墻保溫等領域。

  總之,無氯氟新型聚氨酯化學發泡劑比氯氟烴物理發泡劑更加環保安全。這項技術的核心是發泡劑,其他都是下游產品。有了發泡劑,可以做很多東西。

  未來畢玉遂團隊將會協助補天公司一起做好產業化,把項目做好,在全世界推廣應用。據了解,補天公司已經在美國建立了分公司。

  在新型聚氨酯材料研究院的實驗室,記者現場看到實驗過程中產生的發泡材料堆得像小山一樣。畢玉遂告訴記者,在每一個子行業中新材料的應用成功后面,都離不開大量的研究和實驗室實驗。

 中國建材報記者:張運科 責編:丁濤 監審:王怡潔

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