他致力于让中国的橡胶研究走向世界前沿,率先在国际橡胶界提出生物基工程弹性体、纳米增强逾渗机制以及橡胶材料跨尺度模拟基因工程等一系列概念,在高性能橡胶纳米复合材料、绿色橡胶材料和特种功能橡胶材料等领域取得多项具有国际先进或领先水平的成果,并转化应用于众多企业。


他急国家之所急、研国家之所需,坚持4个面向做科研;取得多项研究成果并在多家企业转化应用;获得国家技术发明奖二等奖2项、国家科技进步奖二等奖1项、省部级科技奖励12项,授权发明专利120件。


他被国际同行高度认可,获得美国化学会橡胶分会斯帕克斯-托马斯奖(Sparks-Thomas Award)、国际聚合物加工学会莫然达-拉姆伯拉奖(Morand Lambla Award)、国际橡胶会议组织奖章(IRCO Medal)、英国材料矿物和矿业学会科尔温奖章(Colwyn Medal)等诸多奖项。


他就是中国工程院院士、北京化工大学副校长张立群。


张立群老师参加中国化工助剂会议



01 坚持四个面向搞创新



“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康”是习近平总书记对广大科技工作者提出的要求。肩负历史责任,坚持“四个面向”,不断向科学技术广度和深度进军,是张立群作为橡胶领域科研工作者的坚守。


1986年,张立群考入北京化工学院(1994年更名为北京化工大学),从此与橡胶结下不解之缘。此后的35年,他始终扎根在橡胶领域。


学习期间,他在导师的指导与支持下,突破了预处理有机短纤维规模化制备技术,于1994年在黑龙江富锦建成我国第一条橡胶用预处理短纤维生产线,打破了进口产品“一统天下”的局面,进而实现了全面替代,获得原化学工业部技术发明二等奖。1996年,他在世界上率先开展了黏土/橡胶纳米复合材料的制备研究,1997年获得国家自然科学基金资助,发明了层状硅酸盐/橡胶纳米复合材料的乳液复合制备方法,被国内外广泛采用,发表的相关文章至今被国内外学者引用千余次。2019年,支撑海胶集团在世界上首次规模化生产了黏土/天然橡胶纳米复合材料。


张立群老师给本科生上课


在张立群心中,创新就要尽可能做大事、做领先的事情、做国家和大家都着急的事,从国家急迫需要和长远需求出发做研究。


天然橡胶是一种绿色低碳的战略资源。我国天然橡胶自给率不足20%,严重低于战略安全警戒线。橡胶资源保障成为张立群团队的一个主攻方向,由橡胶制品回收再利用战略、生物基橡胶战略、天然橡胶战略构建的橡胶产业可持续发展战略路线图随后被张立群和团队构建出来。


数百万吨量级的再生橡胶可谓是橡胶资源循环利用的主力军。可惜,这个主力军一直受困于二次污染这一世界性难题。2015年,张立群作为“十二五”国家“863”项目牵头人,终于敲开了再生橡胶绿色生产之门。实现这一突破性变革的技术名为“多阶螺杆连续脱硫绿色制备再生橡胶成套技术装备”,实现了从胶粉到再生橡胶整个制备过程的绿色、节能、连续、高效生产,达到了“近零排放”。这为解决我国每年近400万吨再生橡胶的绿色生产问题提供了最先进的解决方案,被工信部、国家发改委重点推广,在中策橡胶、贵州轮胎、湖州美欣达等大型企业落成投产,并出口到斯洛伐克、签约美国。


抢占生物基橡胶这一战略材料制高点、开辟新的橡胶资源并实现国际引领,是张立群团队的又一重点工作。


他在国际上首次提出了生物基工程弹性体的概念,领导团队原创了生物基聚酯弹性体、衣康酸酯弹性体等,受到了国家自然科学基金重点课题和美国固特异公司的大力支持。在他的领导下,世界第一条5000吨级衣康酸酯弹性体生产线已经在京博石化建成,第一批双B级轿车子午线轮胎已经诞生,并陈列于合作伙伴固特异公司和玲珑轮胎的展室中。生物基聚酯弹性体也实现了千吨级中试制备,全世界第一批可降解聚酯橡胶和第一条可降解轮胎、第一批可降解胶鞋也已经由彤程新材和玲珑轮胎等企业试制出来。


团队在第二天然橡胶资源开发以及传统天然橡胶生产与改性两方面也获得了突破。2012年,张立群代表北京化工大学牵头组织玲珑轮胎、中国热带农业科学院橡胶研究所、黑龙江省科学院等,重新开启了我国蒲公英橡胶的规模化研究,成立了中国蒲公英橡胶产业技术联盟。目前,绿色/高效蒲公英橡胶制备关键新技术已开发成功,在哈尔滨农科院建设了百吨级中试装置,玲珑轮胎利用蒲公英橡胶制作出的概念轮胎在国际会议上引发了强烈关注。传统天然橡胶生产污水横流、气味很大,团队与圣百润橡胶合作开发出“高频微剪切液相法工艺制备超聚态高性能橡胶材料技术”,绿色环保,高端牌号产品基本达到了进口1号烟片胶性能;与海胶集团合作的电絮凝生产天然橡胶环保技术也正在路上。为满足下游企业应用和提升天然橡胶附加值,课题组与海胶集团建立了环氧化天然橡胶规模化生产平台,与黑猫炭黑和玲珑轮胎建立了炭黑/天然橡胶纳米复合母胶中试生产线,与固特异、中策橡胶合作开发了白炭黑/天然橡胶纳米复合母胶规模化生产技术……


特种装备用特种功能橡胶材料事关国家重大战略需求,张立群和团队默默耕耘,突破了特种装备急需的一系列特种功能橡胶材料的设计与制备技术,包括特种氢化丁腈橡胶、高弹高柔高电磁屏蔽橡胶、特种消声阻尼橡胶、复杂重载荷低生热高抗切割橡胶等等,建立了系列生产平台,材料定型并已广泛用于海陆空天领域数百台套特种装备上,为提升特种装备性能水平和自主保障能力作出了重要贡献。




02 把论文写在祖国大地上



为了能近距离接触橡胶前沿技术、了解先进国家的科研体制,1999年,张立群来到了高分子专业排名数一数二的美国阿克伦大学聚合物科学系做访问学者,与美国国家工程院院士A. N. Gent教授共同研究橡胶材料的拉伸结晶。他的勤奋与专业让Gent教授刮目相看,在其后来为张立群撰写的申请教育部长江学者的推荐信中毫不掩饰赞赏之词。尽管如此,在出国还是一种潮流的2001年5月,怀揣着“让中国的橡胶研究步入世界一流行列”梦想的张立群,还是急迫地回到了母校。


回国是为了把论文写在祖国大地上。这是张立群的梦想,也是他的实践。



现如今,每到12月,几十家合作企业便会赶到北京,参加北京化工大学专项奖学金(材料专场)的颁奖活动。这些企业多数和张立群团队有着深入合作,并在合作中不断有新的原创技术诞生,不断有新的成果实现工业化。


于晓宁,山东道恩集团有限公司的掌舵人,应该是对此体会最深的人之一。他从2003年就开始与北京化工大学合作,双方不离不弃已经18个年头了。在道恩集团从科工贸运一体向高端制造业的转变中,标志性事件是热塑性硫化胶TPV装置的建成投产。


TPV,一种兼具高弹性和热塑性的可重复加工利用的绿色橡胶材料,可部分或全部替代常用的传统热固性橡胶材料,是最具发展前途的高分子材料品种之一。但此前在全球却只有极个别国际大企业能够生产。2004年,张立群团队与道恩集团合作,基于自主开发的专利技术,建立了国内第一条具有自主知识产权的年产3000吨TPV生产线,中国由此成为第三个拥有TPV技术的国家。此后道恩集团又逐渐形成万吨级规模的生产和销售,出口到美国、日本等10多个国家,打破了国际垄断,实现了国际并跑,产品知名度排名世界前三。这一在绿色橡胶领域的重大突破,2008年获得国家技术发明二等奖。他的学生田洪池博士也已经成长为该领域的技术领军人物、国家“万人计划”领军人才和乌克兰工程院外籍院士,道恩集团也于2017年在深交所A股上市。


2019年,道恩集团年产千吨的氢化丁腈橡胶项目试生产开工。此前,氢化丁腈一直是制约我国特种橡胶发展的“卡脖子”技术之一,也是张立群团队主攻方向之一。继2010年国内首个特种装备用氢化丁腈橡胶生产平台正常运转与正常供货后,道恩集团于2013年与张立群团队开始共同攻关,突破了低成本催化剂关键技术以及大规模加氢装备、工艺技术,最终建成了千吨级氢化丁腈橡胶生产线。团队的岳冬梅教授也已是该领域的资深专家。


现在,道恩集团和北京化工大学张立群团队、中策橡胶集团正在联手攻关“热塑性高气体阻隔高柔性内胎技术”,可望变革目前高耗能、长流程、人员密集、设备密集的内胎生产工艺。


张立群教授在实验室指导实验


玲珑轮胎在与北京化工大学长达20年的合作中,也取得了有目共睹的成绩。双方共同承担了国家“十五”攻关课题、国家“十一五”“863”计划、国家“十三五”“重点研发计划”等重大科研课题,合作开发了几十个项目,研发了双A轮胎、低气味轮胎、自愈合轮胎、大型航空子午线轮胎、蒲公英橡胶轮胎、生物基合成橡胶轮胎、可降解橡胶轮胎、智能发电轮胎、3D打印轮胎、免充气防爆轮胎、石墨烯轮胎等新技术、新产品,其中两项科研成果获得国家科技进步二等奖和国家技术发明二等奖。


节油轮胎可以减少车辆行驶时由于轮胎橡胶材料的粘性耗散而引起的油耗。令人意想不到的是,轮胎油耗竟然占整个车辆燃油消耗量的20%~30%。节油轮胎契合“双碳”战略,但轮胎的节油性能、耐磨性能和抗湿滑性能却很难兼顾,这一现象被业界称为“魔三角”。在国家“十一五”“863”计划等的支持下,玲珑轮胎与北京化工大学从基础研究入手,将跨尺度模拟技术与实验技术相结合,搞清了“魔三角”的多层次多尺度上的内在机制,开发成功了各个关键部位橡胶纳米复合材料,优化了轮胎结构设计,开发了先进的制造工艺。15年来,双B级轮胎、B/A级轮胎、双A级轮胎,一步一个脚印,实现了中国轿车轮胎性能的国际一流水平。


2020年,玲珑定向开发绿色超低滚阻轿车用轮胎系列,达到欧盟标签A等级,获得第五届铃轩奖“量产类底盘优秀奖”,成为唯一获此殊荣的轮胎企业,被汽车传媒评为“2020年度节能环保轮胎”。


张立群教授在实验室指导实验


屈指算来,无锡宝通科技与张立群团队也合作16个年头了。兼具柔性和高强度的连续纤维/橡胶复合材料输送带及其系统,广泛应用于冶金、建材、矿山、煤矿等重点产业恶劣工况和复杂地形区的物料输送,每年输送物料数百亿吨,作用巨大。我国橡胶输送带产量居世界第一位,但具有长寿命耐高温、高抗撕耐磨、高阻燃耐磨等特种性能的高端输送带及复合材料技术,因难度很高,长期被国外巨头掌握和垄断。双方联合开发了系列特种高性能橡胶材料,开发了其与连续纤维增强体的先进复合加工工艺技术及关键装备,研制出了冶金、建材行业用耐高温输送带、矿山行业用高抗撕耐磨输送带、煤矿行业用高阻燃耐磨输送带等高端产品,产品寿命和性能可与国际知名大公司同类产品比肩,形成了自主知识产权,打破了国外垄断,实现了国际并跑。产品已在世界最大矿业集团澳大利亚必和必拓公司、全球矿物处理和岩石加工引领者芬兰美卓公司、欧洲第五大能源公司瑞典大瀑布电力公司、国家能源集团、平煤神马集团等上百家国内外知名用户使用,获得了国家科技进步二等奖。


彤程新材与张立群团队的合作,也瞄准了实现国际超越。2018年,“彤程—北化超级弹性体材料与绿色化工联合研究中心”组建。在2015年开始的多方面联合研究基础上,双方聚焦生物基可降解橡胶技术、特种功能橡胶技术和超级弹性体材料技术,目前已经取得了可喜的进展,引起了国内外的广泛关注。



这样的例子还有很多很多。


在这种产学研用互相协同中,身处一线的产业部门与相对独立的学研部门间的密切结合,爆发出不可想象的创造力和生产力。


现如今,张立群团队已经与国内外百余家橡胶材料与橡胶制品领域的企业进行了合作,建立了30余家产学研联合研究中心,并促成近40家企业在北京化工大学设立了专项奖学金,奖励或资助的学生达400人/年,累计总额近千万元。


在企业家眼中,他是执技术牛耳者;在同事眼中,他是睿智勤奋、坚定有力的领路人;在亲朋好友眼中,他是爱国奉献的不断攀登者。2项国家技术发明奖二等奖、1项国家科技进步奖二等奖、12项省部级科技奖励,120件授权发明专利,就是他把论文写在祖国大地上最好的证明。全国优秀科技工作者、何梁何利科技创新奖、光华工程科技奖青年奖、中国青年科技奖等荣誉称号则是对张立群所做的这些研究工作的肯定。





03 让中国橡胶走向世界前沿



如何做出领先的学术成果、如何造出中国人自己发明的橡胶材料、如何让中国的橡胶研究走向世界前沿、如何让中国橡胶工业受到国际尊重……这些都是张立群常常陷入深思的问题。


张立群要求自己和团队以及合作伙伴,做重要的事情,把事情做深、做精,要敢为人先,不随波逐流,不轻言放弃。


2000年,尚在美国做访问学者期间,张立群就在世界范围内率先提出“炭黑增强橡胶属于纳米复合材料,纳米增强对于橡胶的高效增强是必须的”的观点。这一观点对提高当时我国橡胶工业界和学术界对纳米复合材料的认知以及高性能橡胶制品的开发具有指导性意义,被同行大量引用。2007年前后,他和团队首次发现了橡胶拉伸强度与纳米颗粒用量间存在“逾渗”现象,据此提出了纳米强化的“逾渗”机理,阐明了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/化学网络在外力作用下产生的演变耗能及分子取向强化。该机理被剑桥大学、康奈尔大学、德国马普所等20余家国际知名大学和研究机构以及世界著名的轮胎巨头等大量引用,被国内外同行广为接受。


他很早就预见到未来将进入到计算材料时代,在国际上率先建立了橡胶材料分子模拟研究方向和跨尺度模拟方向,建立了北京化工大学材料基因计算工程系。基于这一新方法和新方向,他领导团队从分子尺度和纳米尺度深刻揭示了橡胶纳米复合材料多尺度多网络结构与纳米强化、粘弹性能间的关系规律,在国际橡胶界发文数量最多、他引次数最多。


2009年,张立群又在国际上提出了一个全新的概念——生物基工程弹性体(BEE)。丰富的生物质原料被认为是绿色化工原料的未来出路,利用丰富的生物基化学品平台,设计制备新型生物基弹性体材料或转化为传统单体再制备传统的弹性体材料,将会是一个发展迅速和十分具有竞争力的领域。经过十余年的努力,北京化工大学在这一领域已经处于国际引领地位。


此外,可靶向断裂交联键橡胶、非硫黄绿色交联橡胶、低VOC排放高效能偶联剂、生物基偶联剂、抗迁移防老剂、生物医用橡胶制件、人工肌肉弹性体、可穿戴智能响应橡胶制件等等,他和团队的这些研究已经或正在学术界、产业界开花结果。


张立群老师在RubberCon国际会议上做大会报告


一系列的重要成果让张立群赢得了国际同行的高度认可。他连续多年入选Elsevier中国高被引学者名单,担任6个高质量SCI期刊的副主编和编委,100余次受邀在国际会议上做大会报告、邀请报告。美国化学会橡胶分会斯帕克斯-托马斯奖(Sparks-Thomas Award)、国际聚合物加工学会莫然达-拉姆伯拉奖((Morand Lambla Award)、国际橡胶会议组织奖章(IRCO Medal)、英国材料矿物和矿业学会科尔温奖章(Colwyn Medal)等诸多奖项也都颁发给了他。


展望未来,张立群认为,橡胶材料及制品的高性能化、功能化和绿色化是当前世界橡胶工业的重大主题,橡胶材料科学与工程与资源、环境、能源、生命健康、体育娱乐、人工智能与机器人等诸多事关人类未来重大发展的主题都有着很高的交叉性和关联性,今后的发展仍将生机无限。


针对这些新兴领域对橡胶新材料的重大需求,张立群和团队凝练出六大研究方向:橡胶材料基因组科学与技术、橡胶纳米复合材料科学与技术、特种橡胶材料科学与技术、能源橡胶材料科学与技术、生命健康橡胶材料科学与技术、资源生态橡胶材料科学与技术,并将在这些领域继续为提升中国橡胶行业在全球的影响力孜孜以求,为中国橡胶强国梦努力奋斗,为人类命运共同体做出贡献。




2022-01-19

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来源:中国化工报

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