學(xué)科交叉 固液相容

蔣雪峰 蔡巧玉

固液界面是多組分、多相復(fù)合體系最常見的界面之一。固液體系是重大工業(yè)過程中遇到最多的兩相復(fù)合體系，例如，煤化工水煤漿加壓氣化的第一步需要制得穩(wěn)定的高濃度水煤漿，而高濃度水煤漿就是呈固態(tài)的煤顆粒與水形成的固液體系；又例如，聚烯烴高性能化過程通常在聚烯烴熔融溫度以上將非金屬無機(jī)填料或纖維（呈固態(tài)）填充到聚烯烴熔體（呈液態(tài)）中形成填充聚烯烴的固液體系；再例如，農(nóng)藥制劑是將固體原藥均勻分散在水或非水介質(zhì)中形成懸浮液，這種懸浮液也屬于固液體系。固液體系，如前述的高濃度水煤漿、填充聚烯烴和農(nóng)藥制劑在制備、儲(chǔ)運(yùn)和使用過程中，都無一例外要求固體在液體中穩(wěn)定分散。但由于固體和液體，如煤和水、非金屬無機(jī)填料或纖維和聚烯烴熔體、化學(xué)農(nóng)藥原藥和水或非水介質(zhì)各對(duì)的組成、結(jié)構(gòu)和物性存在顯著差距，形成熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在重大工業(yè)過程中，常會(huì)因界面不相容，導(dǎo)致兩相分層甚至于固體沉淀，堵塞管線，危及安全的問題發(fā)生。

建立普適、實(shí)用的固液體系分散穩(wěn)定理論，研發(fā)高效、穩(wěn)定的固液體系分散穩(wěn)定技術(shù)，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。長期從事多組分、多相復(fù)合體系界面研究的南京大學(xué)、南京師范大學(xué)教授沈健帶領(lǐng)由化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科背景師生組成的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了長期不懈的努力，為解決這一難題交上了一份漂亮的答卷。

理論發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

我國是一個(gè)煤炭大國、聚烯烴產(chǎn)銷大國和農(nóng)業(yè)大國，采用潔凈煤技術(shù)（水煤漿技術(shù)是潔凈煤技術(shù)之一），實(shí)現(xiàn)聚烯烴高性能化和開發(fā)高載、緩釋的環(huán)境友好型農(nóng)藥制劑對(duì)科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)文明至關(guān)重要。在國家及省部級(jí)計(jì)劃的支持下，沈健團(tuán)隊(duì)在前人工作的基礎(chǔ)上，歷經(jīng)23年系統(tǒng)、深入研究，最終完成了“基于界面調(diào)控機(jī)理的固/液體系分散穩(wěn)定技術(shù)及應(yīng)用”，取得理論發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的突破。

他們揭示了固液體系分散的穩(wěn)定機(jī)制，確定了影響體系分散穩(wěn)定的四要素，固體密度、液體密度、固體粒徑和固液界面張力，首次將固體和液體的物性與影響固液體系分散穩(wěn)定的要素聯(lián)系起來，創(chuàng)建了體系分散穩(wěn)定的力學(xué)模型；率先提出在重大工業(yè)過程中，通過調(diào)控界面張力γ和固體粒徑2R，實(shí)現(xiàn)體系分散穩(wěn)定的策略。為基于界面調(diào)控和粒徑優(yōu)化的體系分散穩(wěn)定技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用提供的理論指導(dǎo)。成果獲江蘇省科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。國際著名期刊Chemical Reviews（《化學(xué)綜述》）封面介紹了該成果。

基于上述理論，他們發(fā)明了用于界面調(diào)控的三元共聚物（NDF）。經(jīng)系統(tǒng)研究建立了NDF分子量、主鏈結(jié)構(gòu)、排列方式、序列長度l、m、n和親水基團(tuán)R1、R2種類及數(shù)量對(duì)各種固體顆粒在水或非極性液體中分散能力的構(gòu)效關(guān)系，為高效、精準(zhǔn)調(diào)控固液體系界面張力的NDF分子設(shè)計(jì)及技術(shù)應(yīng)用提供了依據(jù)；針對(duì)不同體系，通過創(chuàng)新合成技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，發(fā)明了帶有不同主鏈結(jié)構(gòu)、序列長度、排列方式和親水基團(tuán)種類、數(shù)量，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三大類15個(gè)品種系列三元共聚物 NDF，成果獲中國石油化工聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、中國石油化工聯(lián)合會(huì)優(yōu)秀專利獎(jiǎng)。建成年產(chǎn)6萬噸NDF的生產(chǎn)線，為工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。NDF被列為國家重點(diǎn)新產(chǎn)品。還研發(fā)了重大工業(yè)生產(chǎn)過程中動(dòng)態(tài)優(yōu)化固體粒徑分布技術(shù)（NDJ）。與NDF配合，解決了大固液密度差體系分散穩(wěn)定長期未能攻克的難題；突破了均一粒徑固體顆粒的堆積密度極限，提高了體系的固液比，增加了體系中固體顆粒的加入量，改善了體系性能；首次實(shí)現(xiàn)了在設(shè)備磨耗情況下不中斷生產(chǎn)、及時(shí)補(bǔ)充、在線優(yōu)化固體顆粒粒徑分布，提高了生產(chǎn)效率。

該項(xiàng)目共授權(quán)中國發(fā)明專利13項(xiàng)、美國發(fā)明專利1項(xiàng)、中國計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)2項(xiàng)；發(fā)表論文47篇，累計(jì)他引2396次；出版專著1部，累計(jì)他引646次；獲省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)；培養(yǎng)界面化學(xué)方向研究生58名。項(xiàng)目技術(shù)推廣應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，已培育和參與2家企業(yè)上市，累計(jì)獲各類科研經(jīng)費(fèi)、貸款貼息和專利許可收入2635.8萬元，累計(jì)新增銷售額183.5億元，新增利潤23.3億元，其中近3年累計(jì)新增銷售額78.5億元，新增利潤12.4億元。推動(dòng)了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

項(xiàng)目成果應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域難成漿煤種高濃度水煤漿制備和工業(yè)廢水循環(huán)利用制水煤漿中，制定了中國第一部燃燒用和氣化用水煤漿添加劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；通過調(diào)控NDF分子中丙烯酸或馬來酸序長和芳環(huán)的種類和數(shù)量，解決了高內(nèi)水煤種難成漿難題，提高了制漿煤種適應(yīng)性；通過調(diào)控NDF分子量、序列長度l、m、n、排列方式和不同種類、數(shù)量的親水基團(tuán)R1、R2，提高煤漿濃度至少2個(gè)百分點(diǎn)；降低煤漿粘度至少200mPa·s-1、水煤漿存放45天無沉淀；解決了水煤漿連續(xù)制備、添加劑合理使用和工藝條件可控的問題，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)中動(dòng)態(tài)優(yōu)化固體粒徑及其分布，在煤種突變或設(shè)備磨耗的情況下，不中斷生產(chǎn)，及時(shí)優(yōu)化。汕頭市南方水煤漿有限公司應(yīng)用該技術(shù)用本單位工業(yè)廢水制水煤漿，年節(jié)水10萬噸，實(shí)現(xiàn)了減排，節(jié)約了資源，保護(hù)了環(huán)境。全球最大聚氨酯生產(chǎn)廠家——萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，應(yīng)用項(xiàng)目成果技術(shù)累計(jì)新增銷售額19.5億元、利潤9.2億元，近3年累計(jì)新增銷售額13.9億元、利潤6.1億元。

項(xiàng)目成果應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料領(lǐng)域填充聚烯烴高性能化，首次將固體粒徑及其分布優(yōu)化理論和技術(shù)引入到聚烯烴填充改性領(lǐng)域，與傳統(tǒng)工藝相比，不僅降低填充聚烯烴的加工溫度15℃～30℃、提高熔體流動(dòng)速率17%～33%，還顯著提高填充聚烯烴的力學(xué)性能10到95個(gè)百分點(diǎn)。南京聚隆科技股份有限公司運(yùn)用項(xiàng)目成果技術(shù)，累計(jì)新增銷售額34.9億元、利潤2.1億元，近3年累計(jì)新增銷售額17.1億元、利潤0.7億元。利用項(xiàng)目專利技術(shù)培育上市公司1家。

項(xiàng)目成果應(yīng)用于農(nóng)藥領(lǐng)域制劑創(chuàng)新，采用納米氧化石墨烯或納米改性蒙脫土作為載體，結(jié)構(gòu)可調(diào)的含磷酸基、多羧基三元共聚物作為分散劑，制得高效、環(huán)境友好的氟啶胺、吡蟲啉、氯氟氰菊酯、甲維鹽、阿維菌素等農(nóng)藥制劑。制劑的載藥量提高50%，水溶性提高400倍，抗蟲活有效期大于14天，具有pH響應(yīng)的控緩釋性能，可穩(wěn)定分散1年以上；大田試驗(yàn)顯示，可明顯減少等效農(nóng)藥用量和提高等施藥量農(nóng)藥效果。全球主要農(nóng)藥生產(chǎn)廠家江蘇揚(yáng)農(nóng)化工股份有限公司及其全資子公司江蘇優(yōu)嘉植物保護(hù)有限公司應(yīng)用項(xiàng)目成果技術(shù)累計(jì)新增銷售額18.2億，新增利潤3.7億元，近3年累計(jì)新增銷售額12.7億元，新增利潤2.6億元。利用項(xiàng)目專利技術(shù)參與上市公司1家。

學(xué)科建設(shè)和服務(wù)社會(huì)

1982年年初，在南京大學(xué)本科畢業(yè)后，沈健留校讀研并任教，一直從事多組分、多相復(fù)合體系界面化學(xué)和生物醫(yī)用高分子材料研究，他是固液體系穩(wěn)定分散模型和維持自然狀態(tài)功能化學(xué)說的創(chuàng)立者，在線檢測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)控固體粒徑及其分布技術(shù)（NDJ技術(shù)），用于界面調(diào)控的三元共聚物結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)（NDF技術(shù)）和表面構(gòu)建兩性離子的生物相容技術(shù)（ZSM技術(shù)）的發(fā)明人。截至2019年年底，主持22項(xiàng)國家和部省級(jí)科研項(xiàng)目；出版專著3本，在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Adv.Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials等國際核心期刊發(fā)表論文500余篇，累計(jì)他引超6000次；授權(quán)中國發(fā)明專利63項(xiàng)、中國計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)5項(xiàng)；制定中國第一部燃燒用和氣化用水煤漿添加劑標(biāo)準(zhǔn)；獲國家級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)3項(xiàng)，省部級(jí)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)4項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

2002年，已是南京大學(xué)黨委副書記兼江蘇省界面化學(xué)工程技術(shù)研究中心主任的沈健接到一紙調(diào)令，來到了南京師范大學(xué)任黨委書記。當(dāng)時(shí)，正是學(xué)?；瘜W(xué)和材料學(xué)科發(fā)展方向的艱難時(shí)期。針對(duì)一所師范類高校到底要不要開展科學(xué)研究，能不能組織工程技術(shù)研究，很多人持不同的態(tài)度。雖然外界議論紛紛，但沈健心中早已有底。來到南京師范大學(xué)后，他邀請(qǐng)國內(nèi)化學(xué)和材料學(xué)科的著名專家來校講學(xué)，拓寬校領(lǐng)導(dǎo)和廣大教師的思路，召集校內(nèi)化學(xué)和材料方向的專任老師共同探討了化學(xué)系和材料專業(yè)未來的發(fā)展方向。在他的帶領(lǐng)下，大家逐步統(tǒng)一了認(rèn)識(shí)：“南京師范大學(xué)的目標(biāo)是建設(shè)有特色的世界一流大學(xué)，必須有包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)在內(nèi)的一流的學(xué)科奠定一流大學(xué)的基礎(chǔ)；南京師范大學(xué)的使命之一是培養(yǎng)各類教育的師資，只有搭建高水平研究平臺(tái)，讓學(xué)生參與研究，在實(shí)踐中培育科學(xué)精神、增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任、奠定理論基礎(chǔ)、提高實(shí)踐能力；南京師范大學(xué)地處南京，是江蘇的一所高水平大學(xué)，應(yīng)該發(fā)揮學(xué)科、人才等優(yōu)勢(shì)，發(fā)展材料專業(yè)，建好工程平臺(tái)，努力為江蘇的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展多做貢獻(xiàn)?！?/p>

思想統(tǒng)一、目標(biāo)明確，凝心聚力，不懈努力，不僅使材料學(xué)科獲得新生，也為化學(xué)學(xué)科的發(fā)展注入活力。2003年開始，江蘇省生物功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省生物醫(yī)藥功能材料工程技術(shù)研究中心、江蘇省生物醫(yī)藥功能材料協(xié)同創(chuàng)新中心、生物醫(yī)藥功能材料國家地方聯(lián)合工程研究中心陸續(xù)成立，江蘇省生物醫(yī)藥材料測(cè)試服務(wù)中心通過國家技術(shù)監(jiān)督局GM認(rèn)證，沈健兼任上述研究機(jī)構(gòu)主任，身體力行，并帶領(lǐng)師生務(wù)實(shí)推進(jìn)。

上述中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）以化學(xué)、材料科學(xué)與工程、生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等學(xué)科為主要支撐，聯(lián)合國內(nèi)外著名大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、醫(yī)院和省內(nèi)部分企業(yè)，協(xié)同開展植/介入生物醫(yī)用材料及器械、新型藥用材料及化學(xué)新藥、材料和生物體相互作用、化學(xué)、生物新能源技術(shù)及應(yīng)用等方向的科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和學(xué)科平臺(tái)建設(shè)。

在重視理論研究的同時(shí)，平臺(tái)還大力開展應(yīng)用性、工程性課題的研究，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。在生物醫(yī)藥功能材料的分子設(shè)計(jì)、制備工藝、生物評(píng)價(jià)、中試放大、器械制造和臨床試驗(yàn)等方面都做了積極探索。至今已承擔(dān)國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目、科技部重大基礎(chǔ)研究前期研究專項(xiàng)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金國際交流項(xiàng)目、重點(diǎn)和面上等科研項(xiàng)目超過200項(xiàng)，發(fā)表SCI/EI收錄論文700余篇，申報(bào)國家發(fā)明專利100多項(xiàng)，并參編出版專著及教材10本。

在大家的努力下，在不到十年的時(shí)間內(nèi)，南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院在學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、服務(wù)社會(huì)等方面都取得了重大進(jìn)展。化學(xué)和材料學(xué)雙雙進(jìn)入ESI前1%行列。

“我們下一階段的目標(biāo)是：按照國家‘雙一流建設(shè)和江蘇省高水平大學(xué)建設(shè)的要求，在學(xué)校的統(tǒng)一部署下，培育建設(shè)世界一流學(xué)科和國際知名學(xué)科，為學(xué)校建設(shè)有國際影響的高水平大學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)的學(xué)科基礎(chǔ)。繼續(xù)堅(jiān)持頂天立地，大力推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)發(fā)展多做貢獻(xiàn)?！闭雇磥?，沈健信心滿滿。