瞿金平院士團(tuán)隊(duì)：創(chuàng)新地膜技術(shù) 終結(jié)白色污染

文/葉青

[導(dǎo)語]

中國工程院院士、華南理工大學(xué)教授瞿金平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新“高強(qiáng)度全回收增產(chǎn)地膜先進(jìn)制造與循環(huán)利用”技術(shù)，研發(fā)出一種服役期間不破碎、使農(nóng)作物增產(chǎn)、可全回收的高性能環(huán)保地膜。該項(xiàng)目獲得2020年度廣東省技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

華南理工大學(xué)瞿金平院士

研發(fā)出新型地膜

2013年9月，一場“新疆院士行”考察活動(dòng)令瞿金平院士陷入深思中。

干旱少雨的新疆，地膜是必不可少的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)保障。新疆是我國地膜覆蓋種植面積最大、地膜用量最多的地區(qū)?！暗啬じ采w種植可以有效地保持土壤水分，增加土壤溫度，可使作物增產(chǎn)高達(dá)三倍之多?！宾慕鹌秸f。然而，由于過去使用的農(nóng)用地膜極易破碎，使用后難以回收，殘膜在田地里日積月累，污染土壤，使作物減產(chǎn)，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“功臣”變成了破壞耕地的“禍?zhǔn)住薄?/p>

新疆的調(diào)研情況讓他十分震驚。“新疆每年有2450萬畝以上的農(nóng)田覆蓋了地膜，但每年留在地里的殘膜量達(dá)到了每畝16公斤。當(dāng)?shù)貙＜艺f，地膜殘留問題如果不解決，再過幾年，新疆將無地可種?！彼南耄巴恋鼐褪寝r(nóng)民的飯碗，如果土地都被污染了，飯碗也就沒了，地膜殘留污染必須要得到有效遏制。地膜污染防治的科技支撐使命與責(zé)任我們必須擔(dān)當(dāng)起來?！?/p>

回到廣東，瞿金平院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)結(jié)合長期的高分子產(chǎn)品制造技術(shù)研究，開始了地膜污染防治技術(shù)的研究。

針對(duì)地膜污染防治難題，基于地膜污染防治迫在眉睫的形勢(shì)，瞿金平院士團(tuán)隊(duì)提出“高強(qiáng)度全回收地膜”創(chuàng)新概念，力求研制出一種高性能地膜，讓它在服役期間不破，并能夠全部回收，之后將其高值化地再利用起來。

團(tuán)隊(duì)通過自主創(chuàng)新，將高分子產(chǎn)品制造機(jī)械的共性核心裝置螺桿擠壓系統(tǒng)換成偏心轉(zhuǎn)子擠壓系統(tǒng)，原本高分子材料拖曳剪切流變加工的原理變成體積拉伸流變加工原理。

“剪切流變就像石磨磨細(xì)物料，會(huì)使塑料大分子鏈斷裂；而拉伸流變就像搟面和面，塑料大分子鏈斷裂很少，更適用于超高分子量聚乙烯等極端流變塑料的加工成型。”瞿金平介紹，這項(xiàng)名為“體積拉伸流變塑化輸運(yùn)技術(shù)”的國際首創(chuàng)新成果徹底顛覆了傳統(tǒng)高分子材料加工原理，與傳統(tǒng)技術(shù)比較，加工熱機(jī)械歷程縮短50%以上、能耗降低30%左右，物料適應(yīng)性廣，加工制品的性能大幅提高，有利于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境。

2014年年底，團(tuán)隊(duì)與企業(yè)合作研發(fā)成功多層復(fù)合薄膜制造過程自增強(qiáng)技術(shù)，制造出了一種厚度與普通地膜相當(dāng)、服役完成后可全回收的高性能環(huán)保地膜。

推動(dòng)成果從試驗(yàn)車間到田間大地

薄薄一層的新型地膜，凝結(jié)著瞿金平團(tuán)隊(duì)的科研結(jié)晶。與傳統(tǒng)地膜相比，高強(qiáng)度地膜具有三大技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)：高性能多層復(fù)合地膜短流程高效制造新技術(shù)，高端復(fù)合地膜界面均化與微結(jié)構(gòu)調(diào)控新機(jī)制，功能化地膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造協(xié)同調(diào)控新方法。

其中，功能化地膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造協(xié)同調(diào)控新方法，改變了傳統(tǒng)地膜功能單一的模式，為適應(yīng)不同農(nóng)作物生長需求創(chuàng)新設(shè)計(jì)了地膜層間結(jié)構(gòu)。

高強(qiáng)度地膜新技術(shù)獲得中國發(fā)明專利授權(quán)20件，PCT專利2件，目前已獲美國、日本、俄羅斯、韓國等8個(gè)國家授權(quán)。“新技術(shù)解決了超薄高強(qiáng)地膜制造的國際技術(shù)難題，使薄膜橫、縱向性能大幅度提高，服役后的地膜性能仍優(yōu)于國標(biāo)新地膜的性能，成功將國外至少需要20微米才能實(shí)現(xiàn)一次機(jī)械全回收的地膜厚度降至10微米，可徹底解決殘膜污染問題。”瞿金平介紹。

然而，把高強(qiáng)度全回收地膜制造技術(shù)研究成果從試驗(yàn)車間轉(zhuǎn)移到田間大地應(yīng)用并不是一件輕而易舉的事情。

“一方面，新型地膜應(yīng)用效果需要進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶镩g覆膜比對(duì)試驗(yàn)，需要大面積、長周期的采集數(shù)據(jù)；另一方面，大規(guī)模生產(chǎn)，控制成本，讓廣大農(nóng)戶愿意用、敢于用也是一個(gè)非常復(fù)雜的問題?！宾慕鹌秸f。

為此，瞿金平團(tuán)隊(duì)和相關(guān)企業(yè)積極推動(dòng)高強(qiáng)度全回收增產(chǎn)地膜產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，在廣東省科學(xué)技術(shù)廳、廣東省援疆指揮部和佛山市南海區(qū)政府大力支持下，從2016年春播開始，新型地膜在新疆石河子、喀什、阿克蘇等地區(qū)進(jìn)行了棉花、玉米覆蓋種植，覆蓋面積以每年10倍的速度增長并取得很好的效果。通過連續(xù)5年開展的大田覆蓋種植試驗(yàn)，充分證明了高強(qiáng)度全回收地膜可為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收、土地凈化、資源利用提供有力保障。

繼續(xù)攻關(guān)塑料綠色制造

隨著塑料行業(yè)的大發(fā)展，其對(duì)環(huán)境污染的弊端逐漸顯現(xiàn)，世界各國積極回收利用廢棄高分子產(chǎn)品，并努力尋找替代資源，以解決日益突出的資源、環(huán)境問題。

近幾年，我國發(fā)布了多項(xiàng)塑料行業(yè)的法律法規(guī)，對(duì)塑料行業(yè)的監(jiān)管正在逐步收緊?！八芰瞎I(yè)發(fā)展必然要向綠色低碳化、環(huán)境友好化轉(zhuǎn)變，塑料產(chǎn)品將向可回收、可降解、無害化轉(zhuǎn)變?！宾慕鹌秸f。

在石油基資源替代方面，我國在生物質(zhì)/石油基高分子復(fù)合材料研究方面取得不少成果，尤其在木塑復(fù)合材料方面已經(jīng)初步形成特色產(chǎn)業(yè)，聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等石油基高分子材料與超過50%以上的木粉、稻殼、秸稈等植物纖維混合生產(chǎn)出的板材或型材，已經(jīng)應(yīng)用于建材、家具、物流包裝等行業(yè)。

但在非石油基高分子材料的合成技術(shù)、產(chǎn)品種類和質(zhì)量、應(yīng)用技術(shù)等方面，我國更多停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段，與國外先進(jìn)技術(shù)相比存在差距，許多高端產(chǎn)品還被國外壟斷，迫切需要在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面加大科研投入力度。

30多年來，瞿金平院士圍繞高分子材料加工技術(shù)與裝備開展研究，他總結(jié)“自己這一輩子做了三件事”：第一件事，20世紀(jì)90年代，在國際上率先提出將機(jī)械振動(dòng)力場引入塑料加工成型的全過程，這樣一來，加工能耗降低了，設(shè)備體積重量也減少了。第二件事，把塑料加工機(jī)械的核心部件螺桿擠壓系統(tǒng)換成偏心轉(zhuǎn)子擠壓系統(tǒng)，這項(xiàng)國際首創(chuàng)新成果就是“體積拉伸流變塑化輸運(yùn)技術(shù)”。第三件事，開展與拉伸流變塑化加工原理與技術(shù)相匹配的一系列制品短流程成型制造技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)。

“不能簡單把塑料妖魔化。”在瞿金平院士看來，團(tuán)隊(duì)有責(zé)任在塑料綠色制造方面繼續(xù)開展攻關(guān)工作。他透露，將主要從兩大方面攻關(guān)，一方面是用創(chuàng)新加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)高分子材料的高值化循環(huán)再利用；另一方面是利用可再生的天然高分子材料如淀粉、甲殼素、纖維素等，用創(chuàng)新加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)石油基合成高分子材料的替代，徹底實(shí)現(xiàn)高分子材料尤其是塑料的環(huán)境可消納性。