加快打造原始创新策源地,加快突破关键核心技术,努力抢占科技制高点,为把我国建设成为世界科技强国作出新的更大的贡献。

——习近平总书记在致中国科学院建院70周年贺信中作出的“两加快一努力”重要指示要求

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,率先实现科学技术跨越发展,率先建成国家创新人才高地,率先建成国家高水平科技智库,率先建设国际一流科研机构。

——中国科学院办院方针

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【中国科学报】匠心缔造,丙纶成衣

2024-06-07 中国科学报 甘晓
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1980年3月的一天,中国科学院化学研究所(以下简称化学所)的一间实验室里,科研人员迎来了半天短暂的轻松时光。

化学所时任副所长钱人元和研究人员徐振淼、徐端夫、赵得禄、范庆荣围坐在一张桌子旁,“摆拍”了一张照片。照片“C位”的几卷彩色线卷,是涤纶、锦纶、丙纶、腈纶、维纶五大化学纤维中,当时我国唯一自主研究开发成功的化纤产品——丙纶。

那天,几个人刚刚得知他们开发的“降低丙纶纺丝温度新方法”获得国家发明奖,因而合影留念,定格下喜悦与光荣。

1980年3月,钱人元(右二)、徐端夫(左二)及组内同事总结丙纶研制工作。

1974年至1989年,化学所科研人员面向中国人穿衣问题的重大需求,匠心缔造、开拓创新,突破丙纶稳定纺丝新工艺,与企业密切合作,开发出一系列流动性好的聚丙烯纺丝专用料,为我国丙纶工业迅速发展奠定了基础。

1?8亿人穿衣的燃眉之急

20世纪70年代初,我国耕地少、人口多,粮棉争地矛盾突出。如果把更多的耕地用来种粮食,粮食是够了,但种棉花的耕地少了,棉花就不够用了。这样一来,在化纤纺织工业落后的情况下,用来生产服装的天然纤维紧缺,解决全国8亿人的穿衣问题成为当时的急迫需求。

已经年过八旬的化学所原党委书记马福荣回忆起当时的情景依然心潮澎湃:“大家都在想,能不能开发出一个‘大品种’来,为国家作一些有用的贡献?”

当时一些发达国家通过发展化学纤维,走出了纺织工业单一依赖天然纤维的困局。但我国化纤品种少、生产水平低,需要大量依赖进口。

科学家们下决心突破化纤行业的关键核心技术,自力更生解决8亿人的穿衣问题。

1974年初,化学所安排钱人元带领徐端夫、范庆荣等10多位科研人员和管理人员,前往全国各地开展广泛调研。他们了解到,我国合成纤维的四大品种分别是维纶、腈纶、锦纶和涤纶,但这几种“纶”的生产存在各种各样的问题。

聚丙烯走进了科研人员的视野。我国石化工业已经起步,丙烯来源多、数量大,却远未被充分利用。科研人员相信,将聚丙烯开发成合成纤维丙纶,一定能够缓解8亿人穿衣的燃眉之急。

一场由科学家担当主力军的“丙纶会战”打响了。1974年,经过大量调查和反复论证后,化学所制定了“研究开发穿着用聚丙烯纤维(丙纶)”的战略决策,研究征程就此开启。

此后20多年里,化学所先后有100多位科研人员参加聚丙烯研究。“聚丙烯研究课题的提出,是由于当时国民经济发展的需要,是国家为解决8亿人穿衣问题急需开发一种价廉物美的新的合成纤维向科学研究提出的一个重大课题。”20世纪90年代,“丙纶会战”结束后,时任化学所党委书记陈本明、管理人员黄仁权在题为《从聚丙烯课题的立项、开题决策与组织实施,看科研管理在研究所发展中的战略作用》的总结文章中这样写道。

2?原创思想解决纺丝难题

20世纪50年代开始,一些国家先后实现聚丙烯工业化生产。不过,国际上对开发聚丙烯作为服装用纤维仍持怀疑态度——丙纶有明显的缺点,主要是耐老化性能差和染色困难。在国内,只有上海国棉31厂试纺了一些便宜的丙棉织品投放市场。

1974年,钱人元和徐端夫来到江南的稻田里。嫩绿的稻苗随风摇曳,农民在田间地头辛勤劳作,挥汗如雨。

“丙纶的衣服你穿着感觉如何?”科学家的提问直奔主题。农民指着衣服上的破口回答:“便宜,但不耐穿,在田里干活穿不了3个月就破了。”

在科学家眼里,丙纶生产中的老化和染色等都属于高分子化学问题,解决这些问题正是化学所的使命担当。化学所是全国最早开始高分子科学研究的机构之一,具有深厚的学科基础。

早在20世纪60年代后期,化学所就成立了聚合物纺丝物理研究组,后来改为聚合物结构组。前期基础工作为眼前的科技攻关奠定了基础。“我们对聚丙烯这个课题胸有成竹。”马福荣表示。

“丙纶会战”正式开始后,在钱人元的带领下,徐端夫作为课题组较为年长的“大师兄”,组织科研人员从高分子化学的学科视角出发,开展基础研究。

从科学原理上讲,聚丙烯加工成丙纶,要先将聚丙烯颗粒在挤出机中高温熔化,使其从固体状态转变为液体状态的熔体,并添加防老化剂、阻燃剂等助剂;熔体再通过纺丝机械设备快速喷出,形成连续的纤维细丝。

通俗地说,这个过程好比把彩色糖果颗粒制成糖丝。糖果颗粒通过加热,原本坚硬的固体先变软成为糖浆,相当于聚丙烯颗粒在高温下熔化,从固体状态转变为液体状态的熔体。同时,为了让这些糖果更美味,还得加入特殊“调料”,相当于在聚丙烯中加入防老化剂和阻燃剂。

接下来,把糖浆倒入特殊的喷枪中,最终“喷”出细糖丝,这些糖丝冷却后变硬、有韧性。这是熔体通过纺丝机械形成连续的丙纶细丝的过程。

科研人员发现,丙纶产品性能不佳的根本原因在于聚丙烯熔体形成细丝的“纺丝温度”过高。这不仅使助剂流失,影响纤维质量,各种助剂的高温分解还严重污染生产环境,影响工人健康。

为此,钱人元带着科研团队展开了多次研讨。“有没有可能是聚丙烯中高分子量‘尾端’部分的问题?”一次讨论中,钱人元提出了这个问题。

“分子量”往往用来反映一个分子或者特定单元的质量大小。从高分子物理角度看,聚丙烯是一条由丙烯分子聚在一起形成的长链。聚合过程中分子链的增长和终止具有随机性,致使长链长短不一,因此在纺丝过程中的结晶和取向行为不尽相同。

经过深入思考,徐端夫等提出一个全新观点:聚丙烯中的高分子量“尾端”部分对结晶和取向更加“敏感”,在纺丝过程中更容易产生结晶。这样,卷绕丝的牵伸性能和成品纤维的力学性能就会显著变差。

在一次讨论中,徐端夫敏锐地抓住问题本质:“高分子量‘尾端’部分是聚丙烯纺丝研究中的核心问题。”

“如果想办法把高分子量部分的分子量降下来,也许可以避免这个问题。”“还需要设计一些实验来证明。”讨论中,大家各自贡献智慧,逐渐形成了未来研究的方向。

徐端夫与范庆荣、赵得禄等用实验结果证明了他们的猜想,消除聚丙烯中的高分子量“尾端”部分,更容易加工出优质聚丙烯纤维。

20世纪70年代后期,他们在国际高分子学术会议上首次公开了这一实验结果。“许多国际专家都认可了这一发现,认为这是中国科学家的原创。”现在,范庆荣仍为此深感自豪,“要实现国家科技自立自强,离不开我们脚踏实地地深耕一个领域,瞄准科学问题,提出原创科学思想。”

3?“降温母粒”,从科学发现到生产线

在突破原理的实验中,科研人员获得了降低聚丙烯分子量的多次造粒方法,即对高分子原料进行多次颗粒化处理。

遗憾的是,这个办法工业上难以实现。国际上既没有工业化经验可供借鉴,也没有成套设备可引进。一时间,消极情绪在团队中弥漫。“只要我们努力做,一定可以做出来。”徐端夫经常鼓励大家。

那么,究竟哪种分子量调节剂才是“最优选”?徐端夫带着科研人员,首先围绕当时主流的有机硫化合物类型分子量调节剂开展了探索。他们在全国范围内的化工厂围绕10多个有机硫化合物开展了纺丝试验,结果不尽如人意。

所幸,大家没有动摇最初的信念。“除了坚持下去,没有其他选择。”范庆荣回忆。

这时,他们在浩瀚的文献中挖掘出一个新方向。有机过氧化物起作用的温度较低,反应速度较快,能及时快速调节聚丙烯的分子量,在后续纺丝过程中分子量变化较小。如此一来,既能避免一般纺丝过程中聚丙烯分子降解所需要的高温,又能保证纺丝熔体的均匀稳定,满足纺制优质丙纶纤维所需的基本条件。这一发现犹如黑暗里的一束光,激励着他们继续前行。

沿着这一束光,他们在化工产品目录上一个一个找,又一个一个排除。最终锁定了过氧化二异丙苯(DCP)、过氧化二叔丁基(DTBP)、双二五、过氧化双酚等4种过氧化物。

出乎意料的是,科学家的想法却遭到了工业界的强烈反对。有机过氧化物遇热会发生强烈分解,很多人既担心试验的安全性,又担心过氧化物中的自由基会加速产品老化。“一听说过氧化物有爆炸风险,企业都不愿意用,纺丝试验就做不了。”范庆荣说。

徐端夫等在充分的文献调研和实验室大量实验研究的基础上,为安全进行工业化试验制定了严密方案。徐端夫的人物传记《星光闪耀》中描述了这一场景:“第一次在工厂试验时,现场气氛很紧张,消防车在车间外严阵以待,徐端夫在车间内镇定主持。随着试验按照预定步骤平稳进行,大家才放下心来。”

成功了!眼看丙纶细丝从纺丝机中喷出,细而有韧性,徐端夫深感欣慰,坚持多年的潜心探索终于到达彼岸,当初丙纶制衣的梦想就在眼前。

化学所在突破原理的基础上,与多家工厂联合完成一系列丙纶配方试验,结果排除了过氧化双酚、DCP、双二五,DTBP最终胜出。随后对DTBP开展的老化试验表明,加入较少量即0.06%至0.07%的DTBP时,对其耐老化性能没有明显影响。

对于降温母粒创新的意义,可以这样通俗地理解:造粒之前就把过氧化物加进去,解决了过氧化物易挥发的问题,让反应体系更加稳定,形成了核心技术。在工厂原有的生产线上,将适量降温母粒混入商品化聚丙烯树脂原料中,就可以实现顺利纺丝。这种简单高效的方式是工业界乐见的。

1979年,“有机过氧化物控制降解法降低丙纶纺丝温度的研究”通过中国科学院的成果鉴定;1980年,“降低丙纶纺丝温度新方法”获得国家发明奖。

4?丙纶成衣,不断革新

国家“六五”计划开始后,化学所组织了降温母粒的研制和工业化试生产。结果表明,降温母粒用于丙纶工业生产,不仅可以提高纤维质量和成品率,还可以提高劳动生产率,节约能源,减少污染。

20世纪80年代,我国衣用丙纶长丝快速发展,但20家小化纤厂的丙纶年总产量仅几千吨,明显供不应求,降温母粒法也仅适用于小批量生产。

面对这一局面,徐端夫深感责任在肩,科学家的探索之路还长,绝不能停下脚步。

徐端夫积极奔走,多方争取机会。最终,1982年,化学所与辽阳石化化纤公司(以下简称辽化)签订联合开发技术协议,革新聚丙烯生产装置和生产工艺,开发出系列纺丝专用树脂新牌号,填补了国内空白。

这种聚丙烯树脂的命名也倾注了徐端夫的心思。例如,成功应用于纺丝的两种聚丙烯树脂的熔融指数分别是18、26,他据此将其分别命名为“70218”“70226”。熔融指数越大,意味着树脂熔化后的流动性越好。

1984年,化学所与辽化联合10多家单位组成一条龙协作攻关。试制试纺表明,新树脂各项质量指标均达到同期国际同类产品先进水平。1986年至1989年,辽化共生产两种新牌号丙纶级树脂16667吨,多创利税1529万元,节约外汇2000多万美元。

1989年,“丙纶级聚丙烯树脂的研制、工业化生产和应用”获得国家科技进步奖一等奖。“答辩现场,有专家对这项成果给予很高评价,认为这是一个科研与生产相结合、科技转化为生产力的典型项目,经验值得推广。”参与此次评审答辩的马福荣说。

5?细旦、超细旦,续写辉煌

在丙纶级树脂取得成功的同时,徐端夫敏锐地觉察到,国际化纤研究呈现向“细旦化”发展的趋势。“旦”是衡量纤维粗细程度的单位,数值越小,纤维越细、越柔软。

自1988年起,他带领课题组陆续开发出具有国际领先水平的细旦、超细旦丙纶长丝及其聚丙烯纺丝专用料与相关技术。1992年11月,“细旦、超细旦丙纶长丝及制品”项目被列为国家“产学研”高技术产业化首选项目。

丙纶级聚丙烯专用树脂和细旦、超细旦丙纶长丝。

突破之后,再次突破。科研团队从1995年起开展了衣着用细旦、超细旦丙纶短纤维制造技术研究。用细旦、超细旦丙纶制成的织物,有突出的疏水导湿性能,手感柔软、滑爽。细旦丙纶还可以与棉纤维、蚕丝等混纺,制作性能优良的功能服装。

细旦丙纶织物。化学所供图

徐端夫经常给同事、同行展示丙纶制成的衣服,晚年在病榻上也穿着丙纶衣服。马福荣亲眼见过那件衣服,“里面是丙纶的、外面是棉的,徐先生说出汗很快就排走了,穿着很舒服”。

今天,那场“丙纶会战”早已结束,主力队员钱人元、徐端夫分别于2003年、2006年逝世,其他成员也大都是耄耋老人。

令人欣慰的是,科学研究仍在延续。

沿着钱人元、徐端夫等开创的科研之路,化学所科研人员着力面向国家重大战略需求,开发出多项高性能聚丙烯产品。例如,他们对面向国家金融安全的高分子薄膜-双向拉伸聚丙烯薄膜制备技术难题进行了10多年攻关,实现了工业化稳定生产。

面向未来,化学所科研人员将继承和发扬前辈的学术思想与科学家精神,依托中国科学院建制化、体系化基础研究的优势,奋力抢占科技制高点,推动高分子材料领域的科技进步,为国家重大需求服务。

(原载于《中国科学报》?2024-06-07?第4版?专题)

打印 责任编辑:梁春雨

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