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微纳球形颗粒体系的科学问题和工程技术探讨

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中科院老科协理化所分会
举办时间:2020-10-15       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1. 赵震声(主持人) 中科院老科协理化所分会理事长,研究员
  2. 宋广智(主旨报告)中科院老科协理化所分会,研究员,长期从事材料科学,特别是微纳球形颗粒材料的技术开发工作,原理化所微珠材料工程研究中心主任,2005年退休。
  3. (以下以姓氏笔画为序)
  4. 马  兵  中科院老科协过程所分会秘书长,副研究员
  5. 王  忠  中科院老科协理化所分会理事
  6. 云宏年  中科院老科协理化所分会副理事长,研究员
  7. 牛永利  中科院老科协理化所分会秘书长
  8. 方世璧  中科院老科协化学所分会理事长,研究员
  9. 刘鸣华  中科院化学所研究员,纳米中心原主任
  10. 刘春艳  中科院老科协理化所分会,研究员
  11. 齐志英  中科院老科协理化所分会副理事长,研究员
  12. 安振国  中科院理化所项目研究员
  13. 许  颖  中科院理化所人事处副处长(主持工作)
  14. 严开祺  中科院理化所项目研究员
  15. 李亚栋  清华大学教授,中国科学院院士
  16. 李来风  中科院理化所研究员,低温材料及应用超导研究中心主任
  17. 杨岩峰  中科院理化所副研究员
  18. 佟振合  中科院理化所研究员,中国科学院院士
  19. 邹伟琴  中关村跨界创新联盟秘书长助理
  20. 汪鹏飞  中科院理化所所长,研究员
  21. 张  亮  中科院老科协理化所分会,研究员
  22. 张  彦  中科院理化所离退休干部工作办公室主任
  23. 张宝文  中科院老科协理化所分会,研究员
  24. 张敬杰  中科院理化所研究员,油气开发及节能环保新材料研发中心主任
  25. 陈  萍  中科院老科协理化所分会,研究员
  26. 段培成  中科院老科协理化所分会理事
  27. 桂文庄  中科院老科协副理事长,研究员
  28. 夏洪飞  中科院老科协理化所分会理事
  29. 徐家远  中科院老科协理化所分会原理事长
  30. 蒋水冰  中关村跨界创新联盟理事长
  31. 潘顺龙  中科院理化所正研级高级工程师
展开

 

【简介】

微纳颗粒体系是指尺度在微米/纳米量级的颗粒材料体系,它有许多特殊的性质。微纳颗粒体系工程研究是当前材料科学研究的热点之一,研究内容包括微纳颗粒体系的物理化学特性及其应用研究、制备工艺及工程设备的研究、以及产业化管理等等。微纳球形颗粒体系是其中有广泛应用的一类材料,具有流动性好、填充性高的特性,球形粉末材料可以作为填料发挥作用;特别是空心球密度低、导热系数低,因而具有轻质化、隔热保温的优异特性,可作为浮力材料和隔热保温材料,在海洋、航天等事业中都有重要用途;当微球折射率在1.9和2.0以上的时,可以制作反光材料;多孔球吸附性好,可以做功能化载体。本次学术沙龙活动针对微纳微球材料相关问题进行探讨和交流。

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【主持人致辞】

赵震声:今天中科院老科协理化所分会举办的沙龙活动,主题是“微纳球形颗粒体系的科学研究和工程技术探讨”。欢迎各位专家和嘉宾参加今天的沙龙活动。下面请宋广智研究员做沙龙主旨报告。他长期从事材料科学的技术开发工作,担任原理化所微珠材料工程研究中心主任,2005年退休。他与张敬杰研究员研究开发了系列微珠材料及其制备设备与工艺,先后指导了中钢集团马鞍山矿院、中科华星公司、山东雅丽新材料等公司,完成了空心玻璃微珠工程产业化生产项目技术转让工作。

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【主旨报告】

宋广智:微纳球形颗粒体系的科学问题和工程技术探讨

感谢老科协理化所分会举办微纳球形颗粒体系科学问题和工程技术的沙龙活动,本人发言是抛砖引玉,其中大部分的内容都是张敬杰老师领导下的团队的主要工作经验,希望通过大家互动交流进行指导,有助于此项事业的发展。

今天我所讲的内容主要是五个方面:引言、球形粉体材料的种类、特性、制备技术原理、研发现状和体会。

一、引言

我们球形颗粒材料的认识,最早在上世纪60年代搞推进器。当时我们的推进器要把氧化剂加入,最多只能加到65%,这样比推力很难上去。了解了一下美国的情况,他们可以添加到85%,当时对我们很震撼,他们怎么加的呢?后来我们把他们的氧化剂洗出来发现,它是小球形的,一下子就认识到球形堆积密度就上去了,这些细节激发了很多尖端科技往前发展。

微纳颗粒体系工程研究的探索是当前材料科学研究的热点,有很多基础理论研究和应用研究,也有工程设备的研究和产业化的管理等等。理论研究的学术观点,分晶态、非晶态,晶态是结构有序的材料,是周期性和平衡对称性的结构材料;非晶态是有序的聚集体,是无周期性和平衡对称性的有序结构材料,长程无序、短程有序的材料。

陶瓷粉体,在结构上属于晶相和玻璃相气孔共存的结构。国内往往把陶瓷和玻璃分离,国外有时候不分,这些观点有助于后续深入的探讨,最近也有人提出半晶体结构概念,今天着重探讨玻璃化球形粉体材料技术和相关内容。

二、球形粉体材料的种类

球形粉体的种类有以下几种:一是实心玻璃微球,把玻璃粉碎之后再烧,以前北京还有一个厂;二是多孔玻璃微球,最重要的代表对象是珍珠岩和泡沫玻璃,作为催化剂的载体是很好的;三是空心玻璃微球,清华搞了个专利是陶瓷微球的。

三、球形粉体材料的特性

微纳球形材料具有流动性好、填充性高的特性,因为空心球密度低、所以导热系数低,球形粉末材料可以作为填料发挥作用;当有折射率为1.9和2.0以上的微球时,可以制作为反光材料;多孔球吸附性好,可以做功能化载体。空心球最重要的是轻质化、隔热保温,广泛用于HLK功能性材料,比如多层防热保温材料等等,在海洋、航天等事业中有重要应用。

四、球形粉体材料的制备

怎么成球是个很关键的问题。最早我们搞助推器的球形粉体材料主要是高速搅拌研磨,不同的颗粒相互磨损得到球化,是磨化成球,它可以由温度调节。第二种是一体化成球,或者是结晶陈化成球。最早期在助推器里面的球形粉体材料是美国先做出来的,因为敏感性比较大,要爆炸的,是用高浓度高氯酸浸泡。核聚变的材料包含有氘氚等都是这个方案,就是液滴收缩成球。具体方式是雾化成球、高温气化玻化成球。

成球的关键设备:首先是高温搅拌结晶反应器、结晶陈化设备、雾化干燥设备,压力喷雾干燥、离心喷雾干燥、气流雾化干燥。喷雾燃烧设备、流化床造粒。喷雾燃烧设备很关键,我们这点已经有了很大的突破,我们的成品率烧出来基本上95%。

五、研发现状和体会

空心玻璃微球产业化关键技术主要是雾化技术,常用雾化设备是离心式的雾化设备,新的进展也比较快。二是燃烧技术,燃烧技术是个大类,清华和热工所出了一本燃烧技术手册,里面讲的内容非常全面。三是搞产业化过程中节能环保技术,如果不考虑这一点肯定是不行的。首先燃烧气体,应当以天然气为主,但是现在也面临一个很大的问题,国内天然气价格比美国高七八倍,马鞍山的一位领导曾经说过我们都给天然气公司干呢(非常贵)!

空心玻璃微珠的生产到目前为止规模比较大的是美国3M和PQ公司。国内80年代末秦皇岛有一个玻璃微珠厂,花五千万从德国引入技术,当时我们也去看了。我们参观的结果认为他的软件硬件都是错的,最后也是不了了之。中科院理化所90年代开始研究反光材料,我们在研发球的过程中发现漂在水面上的空心球。当时参加实验的张敬杰同志最早提出来软化学工艺制备空心玻璃微珠,并取得了中试生产。2005年中试在通州,那时候烧出来的结果是95%,基本上都漂上去了。2008年油田用空心玻璃微球生产技术转让给了中钢集团马鞍山矿院,稳定生产后的产品,由石油公司提供给美国3M公司进行检验,3M公司反馈的信息是:中国空心玻璃微球空白时代结束了。我们课题组持续改进提升技术,第二代空心微球制备技术在中科华星也取得了产业化的成功。

我们也建立了测试标准,特别是空心玻璃微珠抗等静压压强度的标准,是我们提出的。国内有一个单位也做了,他们与我们争,我们没有让步,后来希望我们合并,我说我们不合并!这个标准很重要。

研发空心玻璃微珠是高科技发展需求的驱动,从(HLKJS)装备,到海洋浮力材料、多层隔热保温材料,烧蚀材料等等。当时没有空心玻璃微珠,用了别的硅材料代替的,但是真正把它推动的还是面广量大的民用、交通装备、节能环保领域的应用,要求也比较高。

空心玻璃微珠为什么运用这么神奇呢?主要有几个优越性:它是理想的空心球的颗粒粉体,具有空心、薄壁、坚硬、轻质化、无公害,低导热系数的无机非金属材料。它的主要特点是,高强度、低密度、黏度低、容易流动,球形状提升了不同特性多种用途,将减重、防开裂、完美的形状、广泛的应用、性能的提高、工艺的改善从而降低了成本,因为防火防水隔热保温无公害,广泛应用在浮力材料、隔热保温等等领域。现在盖房子改进多了,用了有机的泡沫材料,都是苯乙烯、聚氨酯。前几年我们拿了我们的隔热保温板样品找了师昌绪先生,他说中央很着急,你们的材料太重要了。

我国要科技创新,要注意几点。一是坚持求是的底线,不炒作、不做假。我印象最深刻的是70年代太阳黑子的虚假报道,当时澳大利亚的学者找到周培源,说不是不希望中国有成就,我希望中国有成就,但是你们测的结果全世界都在测,你们的数据为什么与别人都不同,周培源就跟中央汇报了,问题是我们根本没有测,数据照片都是假的,这也成为了当时的一个丑闻。前一阵子纳米材料炒作得很厉害,但是就是没有解决我国的二氧化钛(钛白粉)的生产,还得去从国外进口。绿色革命、印刷革命不要乱提,也不够实事求是,现在印刷业已经发生了天翻地覆的变化,几个大印刷厂基本上解体了。现在印刷计算机化以后,不是先印刷后再来买,人家是去了以后现场定制,三四百页的书,十几分钟就出来了,还是彩印带包装。我们还用PS板印刷,这样就说不过去了嘛。现在虚幻飘渺的东西太多了,无助于科学事业的发展。我对课题组的年轻人一再强调这个问题。

谈到创业的体会,一个产业要把其发展起来,绝对不是单一创新就可以成功的。我的体会,有几个关系要搞清:搞一个项目特别是材料研究,原料是基础,工艺是核心(如果抓不住工艺差距是很大的),设备是关键,标准是导向,管理是灵魂、人才是根本,细节是保障,团队是前提。搞垮一个单位,把团队搞掉了还搞什么呢?团队不一样工作就不一样。如何把团队组织好,如何保证发挥科技人员的作用,是值得好好研究的。

标准为什么是导向呢?提两个案例,三聚氰氨牛奶案,本来是重大犯罪,最后人家说了,这个标准是国家标准啊,我是符合国家标准的;地沟油案件也有一个标准,把我抓起来,你的标准里面也是符合的。所以检验标准客观性、可靠性很重要,这是产品开发的导向而不是功利之争的问题。冠状病毒检测也是个问题。最近青岛的形势很严峻,基本上是由于医院里面管理造成的,不符合标准嘛。

粉体材料研发的主体在于何处?当然是企业。但是当今的企业缺乏平台,我当时搞了个厂办研究所,很受欢迎,没有平台也是不行的。企业虽然是实践的战场,但是也需要建立科研平台。科研院校也要主动出去与企业市场结合,理论联系实际,互利共赢,也要注意饮水不忘挖井人。我们给马鞍山搞起来了,他们通过《科技日报》诽谤我们,我们在《科学时报》发表了一篇文章题目就是“饮水不忘挖井人”。

结合中国的现状重视环保和节能,我看过一本书,美国物理基础概念,强调人类能源的方向是什么,提到的节能环保是一个未来人类的主要方向,不要浪费的话,我们的能源可以延长七八百年。归根到底,微球工程技术平台取得成果主要来源于坚持理论源自实际,选题要切合国家战略需求,我们的团队定位也是面向国家战略和国民经济重大需求,坚持创新、锐意进取、高效产出。

我的发言结束,请大家指导!

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【讨论与交流】

赵震声:非常感谢宋老师!宋老师是微纳球形颗粒课题组的创始人,他带领课题组和后来的张老师一起奋斗了25年,进行到今天,系统研究了微纳球形颗粒体系形成机理并初步实现了产业化。最令人鼓舞的是在最新的深潜器用上了他们的材料。上次看到过一张照片,习近平同志手上捧着他们研制的浮力材料,这为我国解决了很重要的问题。还有一些隔热等应用项目也有待于开发。今天请各位专家来和课题组的同志一起再讨论讨论,包括机理、产业化的后续开发、提出好的建议,一块交流,下面请大家自由发言。

方世璧:我原来在所里分管产业化工作,宋老师谈了他在产业化过程的体会,我觉得非常深刻,也非常的实际。今天第一次听宋老师比较系统的做讲解,以前我听过你们詹文山所长的介绍,其中特别强调微纳球形颗粒上做的非常重要的成就,解决了关键的制备技术,特别是空心微球的空心产率提高到95%以上,这个工作做得非常突出,对国家贡献也非常大。詹所长的介绍使我对这个项目印象非常深。

有几个问题请教一下。我们是做高分子材料的,高分子材料中一个重要应用里,微珠不可缺少,别的什么纳米材料都达不到微珠的性能。举两个例子,一是3M做的压敏胶,几十年垄断国内,他们的粘得很牢、撕得很快、有很干净,可以再用,我们做不到,现在国内压敏胶做不到这种水平。问他们关键是什么?是微珠,是用的小玻璃微珠。我们有没有考虑压敏胶这方面的应用。马路上的反光材料也是带有空心玻璃微珠的,我们还不行,我们水平还达不到国际的水平。你们做了很多工作,这几方面的应用很广泛。从专业来说,我们喜欢用高分子的,但是高分子也有很多问题,例如安全性问题,如果泡沫着火非常严重,玻璃微珠用上绝对比高分子材料更好。我第一个要请教宋老师的问题是,如果要尽量要扩大微珠的应用面,我们还需要做哪些工作?包括国家和政策上的呼吁。第二个问题是,现在微珠产业化水平到了什么程度?这里面如果做得更大障碍在什么地方?

宋广智:一开始我们是研究反光材料的,后来不干了。因为市场控制在公安部门,工作很不好做。他们做的反光材料用到高速公路上,反光效果不好。济南交警应该是国内的标杆了,80%的反光材料都不亮。我跟他们市长见面时反映过,他旁边一个秘书踩我的脚,说你搞错了,不会的。实际上真是不行。弄虚作假是非常糟糕的事情。我搞不过你,咱们就不做了。

现在空心微珠是很厉害的,我们可以说产业化搞大应该没问题,关键是几个技术,特别是燃烧技术有了很大的提升。我们天天去通州用小炉子探索机理,搞完了以后,烧出来的珠子全漂起来了。开始的时候,百分之八九十会沉淀下去。据说玻璃研究院也很厉害,我们去参观他们的生产线,一看就是假的,根本就没有啊,他也不让我们进去看,我说根本不可能的嘛。他也明白,让我多提意见。

现在搞产业化面临市场管理、知识产权保护的问题。为什么我们的空心微珠敢拿到3M公司让他们认可,因为我们跟你们是两码事嘛。3M公司也很厉害,它是跟高分子材料微珠结合在一块的。化学所高分子研究是长处。关于“保护胶带”我们也翻译了一本书,内聚力要大,不会在玻璃上留下痕迹。3M公司的保护胶主要是用了聚异丁烯为原料制备保护胶带,内聚力高。我们和化学所赵彤老师交流过,他的酚醛空心小球就用喷雾干燥设备解决了。有一本书《高分子微珠材料研究》讲得比较详细,我们所里吴飞鹏老师问我怎么做,我说找那本书看看,搞任何一样东西必须要把基本概念搞清,基本概念不清,就会如我们的老院士洪朝生先生说的那样:奇思妙想就是胡思乱想!奇思妙想是要有正确的思维,胡思乱想就变成想当然了。现在有些人提用金属钠治癌症,首先你见过金属钠吗?整块金属钠是浸在在煤油里的,一见空气就爆炸,这是常识啊!差一点《科学时报》要刊登了!发明了治癌症的药,这不是笑话嘛!做什么事情概念糊涂是要出问题的。一些老先生们之所以是大师,是因为基本概念很清晰的。

方世璧:我们学科之间的配合交叉总是解决不好,包括纳米专项,20多个研究所,但是各干各的。微珠、无机方面如果跟高分子很好的结合在一起,可能会有很多成果产生。他们对你们这块不熟悉,但是你们对高分子又不是很清楚,两者的配合,综合发挥科学院的整体优势有待加强。纳米专项最后一验收,各个课题都做得非常好,但是每个课题由不同所做,为什么不能把各个所做的东西连在一起?为什么大家不相互交流、相互合作呢?这有利益问题,各个所都不愿意把自己的利益让出。如果把利益关系问题解决好,承认大家都有利益,可能合作就好办了。这是个老问题,但总是解决不好。

那时候几个所整合,让物理所、化学所搞基础研究,让理化所搞转化。理化所最后说不行了,不搞基础研究,是吃老本啊,老本吃完了怎么办呢?让物理所、化学所做了转给你们,他们能做自己就做嘛。机制很多是理论上的,实际上根本没有能实实在在地解决问题。

刘鸣华:我在感光所的时候就知道宋老师的工作,当时还没有做成空心的,之后一步一步走到今天,特别是在深潜里面得到很大的应用,将来也有丰富的发展前景。从宋老师那里有几点非常值得学习,一是这是小事情,是微纳的科学,但是宋老师做得非常精彩,运用了很多大的科学原理,解决了很多科学问题。比如雾化、控制表面厚薄和微珠的方面,都是非常精细的工艺过程,没有对工程精细的控制是做不出来,很多科学问题解决了以后需要工程的实施,而工程的实施是关键。

宋老师把微珠的事业从开始到现在,毫无保留的把经验和积累传给了张老师,越做越好。宋老师跟企业打交道有很多经验,既要跟他们合作、有些时候也要斗争。现在很多成果科学院总是找不到出口,真正找到出口了以后成果也被人家吃掉了。有些时候也阻碍了我们跟企业合作的路径和信心,甚至不想与他们合作了。宋老师说了吃水不忘挖井人,利益分配可以协商,但是不能把技术转让给你以后完全一脚踢开,现在这样的企业很多。宋老师非常有经验,以后搞转移转化确确实实也要做两手准备,既要有自己完全的技术,也要有利益相互的分配机制。

今后的方向,一方面浮力材料找到了非常好的出口,但是将来市场要做大,也要进一步的扩大影响。对技术本身而言,现在做的微珠尺寸不是很精密,未来的应用尺寸的控制很关键。有些地方需要非常均匀的尺寸,将来能不能分级,包括多少微米等等。考虑未来的用途,现在也有人用来做太阳能电池的表面涂层,增强太阳能电池转化效率。涂层领域的应用也可以是导热材料,目前是绝热的,将来表面涂抹上金属变成导热。现在手机屏里面的散热材料要做成一百纳米,这样散热不好了,后来把材料结构改改,加入聚酰亚胺材料,把材料做均匀。如果将来玻璃微珠导热和绝热都可以,而且做得非常均匀、尺寸非常好、又可以分级、密度也能分级,这样是有大的市场的。这里面涉及科学与工程螺旋式的上升,现在解决了目前的科学问题,如果现实中提出的一些需求,要求密度的范围是多少、尺寸的范围是多少,又提出了新的工程问题。

目前的浮力材料市场并不是十分大,将来隔热保温材料如果能够用上的话,密度和比重上能不能和高分子结合,民用市场可以找到很大的空间,这个成果影响力也就更大了。

赵震声:建议非常好。

宋广智:中国有30几个关键项目被卡住了,除了芯片以外,微珠也是其一。据说苏州有个微珠生产厂,有个微粉分选车间,用的就是水或者是漂浮的方法,有五六层楼高,最上面是最细的,产量也就是几十公斤,一年产量很少很少(很贵啊),而且是不很均匀的。从流体力学来讲,分级是很麻烦的,如果第一步是先把球形细部弄出来,然后再来分级,悬浮分离是个办法,我还是认可浮选。

刘鸣华:有一段时间石墨烯很热,石墨烯也是如此,双层多层更多,我们化学上是通过蒸笼的方法分级,温度低的先出来、慢慢一层层分流出来,也通过吹的办法,下面加空气,不同密度在不同的地方导出来,他们用这个办法做过石墨烯可以做到一层两层的分开,但是量很少,将来如何做得量比较大还是个问题。苏州的微珠原来北京大学一个人做的,我也看过。当时要做一个纳米的标准,想做国家的微珠标准,也有标准的实验室,后来帮他们做了。他们也是这个问题,一是量能不能生产上去,而且也要找到贴切的用途。需要这个尺寸有什么性能,很多的条件无法同时满足,真正从实验当中拿出来,做的东西也要匹配,这是最重要的。还是两条,需要科学技术的推动,也要应用需求的拉动,两边可以对接上这个问题才能彻底解决。

李来风:我是第一次参加这个学术沙龙活动的。我年轻的时候每年都要参加若干次李佩老师组织的沙龙。当时我是作为年轻的代表参加的,除了讨论热门的科学问题,像高铁、纳米一些新技术,很大的主题是大家随意的发言,随意的发言,对当前的伪科学、学术不端、科研管理方法等,大家很激动,也很说实话。有的老师看问题很深刻,敢说话,跟宋老师很像。我们今天讨论微珠,宋老师的活动我得参加,因为我对宋老师比较欣赏,我们在所里每年开务虚会,所里比较敢说实话的一个是宋老师、还有陈萍和几位先生,敢于对一些不正之风、学术不端当面指出,我很欣赏!

宋老师是真正经历了一线实践的,工作做得这么好,微珠已经非常有影响了,我以为这次报告会贴一张习大大抱着“砖头”的照片,结果没有,这就是宋老师!宋老师从来不说自己什么什么能。有些人拿争取什么项目、争取一个奖,拿着跟领导人的照片来忽悠人。在您的报告中,除了谈技术也谈学术风气,在学术上工作确实是踏踏实实干的,有些宣传也是被宣传的,而不是咱们主动要求宣传的,你们做了这么多年,我们也有一些合作,非常好!

宋老师的团队精神这么传承下来,和你们的严谨务实密切相关。我也听说有一个人为了当院士,结果篡改你的内容,我完全相信!你受了这些委屈也坦然对待。我们尽量通过沙龙活动,把这个风气稍微正正,总玩虚的,卡脖子,自己就给自己卡死了!这二十几年的工作你的团队越来越壮大,我非常欣赏您,值得我学习!

理化所为什么有些课题组一散伙了,甚至把一些废旧钢铁都卖废铁了,不给后人留一分钱、一个物件,说明他们没想把这个事业做下去。想做一件事还是问问自己的心,做这件事是造福子孙万代,还是带来危害,底线要坚守住。宋老师敢于直言,至少有底线,纳米这些事我也深有体会,纳米热的时候,国外搞咱们也弄,当然刘老师做的纳米是对的。

刘鸣华:关于绿色印刷,利用了纳米技术。绿色印刷现在是不用制版的,以前用PS版要感光,现在直接可以打印出来,打出来一个版上面就可以印刷了,把感光材料全部取消了,所以称之为绿色技术。现在一次出来可以印八万张,效果非常好,也解决了彩色印刷的问题,技术本身还是很成功的。

复印机、打印机看到图像文字直接打出来,里面用碳粉把文字显示出来,也是打出来以后碳粉可以做个模板,就可以直接印了,中间省略了很多过程,我觉得这个技术又更近一步。现在印刷厂很多用电子,根本不用印刷版,很多胶卷厂关闭是因为现在不用胶卷了,纸制的东西也会越来越少。

宋广智:我在印刷行业待的时间比较长,因为日本出了一本书《印刷工学辩论》,我要编一本中国印刷这样的书,后来花了六年的时间。

刘鸣华:现在打印技术发展也非常快,包括电子器件的也可以用打印技术,不是传统的印刷技术了。纳米这个领域,确实至少是炒得过热,很多东西没有踏踏实实做,有些时候只跨越了中间的一步。一开始研究纳米的人,只是在尺度上,没有材料上新的进展,只有一部分的材料纳米尺度上表现出新的性能,这些材料真正到实用也要经过多级次的迭代,离真正的应用比较远。但有些技术还可以,比如催化,有些催化是分子水平上,有些金属氧化的催化剂对纳米表面和纳米尺寸的控制催化效率可以提高很多,这些技术工艺上已经开发出来了。现在做纳米的已经稍微冷静下来,思考到底这个领域如何发展。不仅仅是我国,国外有一个人专门写了一本书《纳米是不是科学?》纳米尺度上提出的科学问题、公式所有的都是基于现有的,没有新的科学概念产生嘛。但确实有一些技术是提升了,比如表面处理技术、催化技术,包括印刷也有一定的进步。纳米项目很难组织,25个单位参加在一起,要想搞一个科学院的先导项目,还不如做个创新研究院。但人员不集中在一起很多事情是做不成的。两弹一星,需要集中起来攻关。现在是分散的,项目下来,大家坐得满满的,把钱分完了以后各做各的,汇报的时候再坐到一起,甚至派学生代表参加,这个模式我们也改变不了,院长也知道这个情况,但是没办法。

桂文庄:多少年都存在这个问题,这仍然是个体制问题。现在印刷技术是翻天覆地的变化,如果说印刷革命的话,不仅仅是绿色印刷这一点事情。

宋广智:我们活字印刷可以算第一代,后来印刷承认德国的胶印是印刷的起步,后来加上电分。

桂文庄:现在包装品的印刷量非常的大。绿色印刷技术对解决这类生产中的污染问题还是能到很大的作用。

宋广智:一个印刷厂全张印刷,要多大印多大,包括建筑、汽车完全也变了。

桂文庄:我记得96年的时候感光所就在做玻璃微珠反光的材料。那一年我参加了严义塤副院长带队的访问团,参观了3M公司,他们的反光材料做得非常好,晚上隔两公里远灯打过去非常的亮。人家反光材料做得那么好,是因为微珠的材料体系还是制作工艺方面的问题,是不是还有材料结构、涂层方面的问题,不知道有没有研究?

张敬杰:我作为宋老师的学生,整个研制过程我都参与经历了。一开始跟宋老师做小球,早期做的小球实现了您讲的反光效果,反光材料里面有玻璃小球,尺寸跟宋老师讲的空心小球尺度差不多,都是几十微米,但是它是实心的。因为它的体系跟现在空心小球(硅酸盐类)不同,加入了钛钡,折射率达不到1.9以上不能做到定向回归(定向回归指的是打过去的光反射回来是朝着光源的方向)。这是九五的“八六三”计划项目,最终也实现了产业化转化,2000年在济南进行的大规模的生产,当时规模达到几百吨的量级,由于宋老师发明的软化学法使他们成为我国唯一一个可以出口欧盟的企业,因为那个产品重金属含量用我们方法可以控制下来,欧盟对重金属非常的严格,我国之前的高折射率小球产品全部不能出口,这是当时获得863计划支持很重要的原因之一,因为有我们自己知识产权的,当时做完产业化以后转让给了济南。

还有一个产业化转化的是反光涂层,它是针对卡车的,卡车底下有一个小的黄牌子,槽帮上面有个放大号,我们的技术当时转让了国内十个省份。郊区尤其是山里没有路灯,后面的车很短距离内才能看到前面,所以很多出车祸也无法识别。这个技术让后车灯光打上去以后两百米外就可以发现前面是亮的,当时交管局统计明显的下降了山区的车祸。宋老师带领我们转让,因为有地方保护、行业保护、利益分配交叉其中,转让工作很困难,但是宋老师一直秉持转让技术给社会做贡献的理念,看不惯这些,也很生气,但是生完气接着带我们进行转化。我们课题组将近30年从感光所开始一直到现在。第一代是转让实心小球,包括衣服上的反光布,也是由于宋老师带领我们一直坚持,取得了很好效果。最早3M公司一平米卖300元,我们进入市场以后卖几十块钱,把价格拉低了。虽然我们课题组、我们理化所(当时是感光所)没有得到多少资金回报,但是为整个行业提供了很大的支撑。宋老师一直给我们传承这样的理念,我们要做产品和技术,产品要回报社会,对企业是个支撑,科学院定位一方面注重基础科研,也要聚焦高技术研发,对社会进步做贡献,帮助企业提升,回馈社会。

宋老师讲的空心小球,是当时做实验发现一个偶然现象。实心小球要有光学特性,不能有瑕疵和气泡。当时做了一个实验,由于配方的调整有可能是操作上的误操作,上面就有一层小颗粒,漂起来了。当时就研究为什么会漂起来,由于偶然的机会发现了空心小球,接着往下做空心小球产品。宋老师在04年把课题组交给我,帮助我提高水平,宋老师又送了我们很久,我们的队伍才慢慢成长起来。我们整个课题组的发展从最初源头是软化学制备技术,抛弃了原来的固相熔融法,因为它比较高能耗。宋老师带领我培养队伍、科学务实理念的传承,我们的队伍一直比较稳固,虽然遇到很多困,但是一直很稳健的往前走。

空心小球的研发也沾了物质基地的光。当时2004年三期给了我们一百万,是解决产业化关键技术问题。我们克服了很多困难,要做产业化需要大设备,宋老师就带领我们去通州租了一块地方做产业化。当时经费也并不多,转让一些小技术找企业要一些钱,当时原来蒋书记说课题组没钱了,宋老师南巡一趟要了几十万经费接着做,确实很艰苦,但是理念是一直坚守的。不管是做什么技术转化,必须要有十年八年的积累,否则根本走不下去,转让卖配方后就没有后续了。2006、07年我开始布局浮力材料研发,小球是无机的分散的颗粒,后来我们用高分子把它粘贴起来,因为有空心小球存在密度是轻的,这样就可以提供浮力。潜器往下下很容易,但是怎么上来呢,就是要有轻的浮力材料把它托起来。我们坚持了有十年的时间,宋老师给我们的理念是一定要把一件事一直做下去、做好做完美,由点到面。我们做小球,实心小球、空心小球和多孔小球,催化方面用的。做高折射率珠的时候里面有钛,中间有副产物也做了多孔材料,发现了一些催化的迹象,但是那个时候精力和积累问题,没再往下系统的做。玻璃小球表面也做了一些工作,包括镀磁性材料,包括纳米的颗粒,做出来像毛栗子的皮一样。

民用隔热方面市场非常大,但是目前也有一些弊端,包括行业的壁垒,成本的方面的问题。这是盖房子的不住房子、设计房子的后面也与他无关了,这对我们来说比较困难,我们想先把这个做起来再一步一步往前推。空心小球已经转让了马鞍山和江苏靖江,这两家企业都是五千到一万多吨的规模,产品也有出口、也有国内用的。这对国外3M是一个冲击,3M是垄断,它是全球垄断,现在有了我们。我们成本比他们高一些,主要是能耗方面,因为天然气太贵。有了我们产品以后油田很高兴,可以拿我们的东西跟3M讲价,起到了很好的筹码作用,对石油行业提供了比较好的支撑点。后期也会考虑各位专家提的建议,包括小球的特性,单分散性是挺难做的,对我们挑战也很大,因为小球非常轻,悬浮也想了很多办法,包括气流分级和重力的方面,它质量相同的时候有时候球大、有时候球小,困难也比较大,这也是我们重点研究的方向。要把这件事做到极致,50微米上下正负一两微米,电子行业用的20微米以下,尤其是5G以后,粒度的分布和成本体系的方面对电子级小球要求非常高,硅材料不是电子和是电子级的差别非常大,对传递性能要求非常高。

非常高兴这次沙龙活动选中我们课题来研讨,请各位老前辈来做把脉支招,各位经验都很丰富,谢谢各位专家!

徐家远:关于颗粒分散性的问题,我最近拜读了你的那篇文章,关于玻璃小球与应用的问题,“863”的课题。在宋老师带领下,你们本身创新精神是非常好的,包括整个工艺和操作各个方面不断创新。我很感兴趣两个问题,因为我也是外行。通过软化学的办法玻璃小球整个系统空心率是多少?空心微珠占的比例多少,有没有实心在里面,我想应该有实心的在里面。颗粒的分散度,不同应用项目中,深海浮力或者是用在航天当中的隔热,这些对颗粒的大小有什么要求呢?如果对颗粒大小有要求,这个系统出来以后颗粒的分散程度怎么样,一个系统出来通过软化学的办法,原料是二氧化硅嘛,出来以后不可能都是一样的,这个问题如何控制、颗粒的分散程度如何控制,有没有根据某一种要求需要某一种颗粒密度占更大的比例,你有控制的办法。

我跟宋老师、张老师都是从感光所到理化所的,宋老师做的报告非常好,也是非常全面。就像刚才张老师所说,你们开始更多的做反光薄膜、反光布,当时条件比较艰苦的,感光所后面当时有一个车间,当时比较艰苦。

宋广智:我们有两个中试车间,自己搞了个实验楼,都是自己搞的。

徐家远:当时设备比较简陋。

宋广智:当时书记对我们支持也比较大,微珠中心要感谢您,特别是曹怡所长给了我们十万元。2018年我们获得了中国发明专利奖银奖,科学院很少单位能拿到这个奖。

徐家远:863完成的项目,有没有拿奖?

宋广智:863有啊,就是反光材料,863当时蒋明华看重的。科学院定位是高科技基础理论重大发明,应用研究是下里巴人,不好弄。蒋丽金先生80岁的生日,当时佟振合做了个报告,后来他说别的不感兴趣,让宋先生讲讲,准备了一个题目,微珠材料产业化的问题,以及反光材料的原理和开发,蒋先生非常感兴趣给予肯定。当时蒋先生是我们所里唯一的院士。后来我们云所长把我们高强度反光膜项目转让到鹤壁。我们没有真空镀膜机,一个偶然机会我们知道了国防大学有一个国产的,小的,差一些,但是我们知道如果用真空镀膜反光强度一下子就上去了,结果通过我在国防大学工作的姐夫找了关系,在他们的小镀膜机上搞了一小块,一照跟3M公司一样亮,鹤壁就认可了,给了20万块钱转让费,我们在这个基础上把这个搞上去了。我们不像大课题,国家、院里、所里直拨的,我们发展一路走来,有时工资都发不出来了。那次转让了十家,一下子给了三百万,当时救了所里的急,财务处的处长说你可救了我们。

评价体系标准还是很重要的,刘鹤专门去科学院院部考察提意见,你要解决国家的关键技术问题,一再强调这个问题。

方世璧:获奖的问题,对像宋老师这样真正实实在在搞科研的看得很淡。但对中国的文化而言,有没有奖也很重要。你们解决基本问题做得比较好,也有很好的应用和规模的产业化,可以考虑争取国家发明奖。国家发明奖注重创新,除了有创新以外也要考虑能够应用上去,能够做到万吨级这个规模是可以的。

二是你们的工作是以市场需求为导向,现在做得很好了。以市场为导向,就是看有哪些需求。市场需求跟我们搞科研的人思路不同,我们要求空心度多少、颗粒度的控制如何,这也是需要的。但是有些市场需求没必要这么严格,但是也有的有这样的需求。如果有这样的需求,我们与之结合可能会对推动后面的发展更有利,这部分的工作要发展不容易。现在你们站住脚了,已经显示出了生命力和影响力,希望能够做得更大一些,影响会更大,你们反馈也会更多,能够支持你们后面的新的想法。市场要讲成本,讲性价比,有一些要求并不是很高,你们要求越高越好,但是有些市场不见得,只要能够用就可以了,用不着很多高级设备,要尽量降低成本,这也是一个思路。

赵震声:蒋水冰博士是中关村跨界创新联盟的理事长,今天在座只有两位是科学院以外的人士,专门邀请了他们。跨界联盟非常的奇特,他们做了很多工作,尤其是产业化方面、推广方面。蒋总对微珠课题也很感兴趣,所以我们请了他。

蒋水冰:各位老师专家,我不是学材料、也不是学化学的,是个外行。今天来首先是来学习,听了宋老师对微珠学技术的讲解学习体会很深。他求真务实的科研作风和几十年如一日专注搞研究精神非常值得我敬佩,尤其是在现在这么浮躁的社会大环境下。我们跨界联盟是中关村管委会下面在北京市民政局注册的一个社团组织。为什么会有这么一个联盟呢?2001年中组部和国资委在清华大学办了一个科研院所培训班,每年一期脱产学习,一直到今年仍然在办。前后18期,培训了六百名院所长,也包括中科院系统很多研究所的所长。这些学员在一起,感觉各个院所之间自发的合作很多,能否成立一个正式的组织推动合作与创新。2018年联盟正式成立,目前联盟会员有200家左右科研院所,包括中科院研究所。研究科研的国家队大部分在我们联盟中。另外以中关村创新企业为主,陆续全国各地的传统企业也加入进来了。

联盟做的事一是推动科技创新、二是促进成果转移转化、三是培育孵化新兴产业。科技创新方面是跨界创新联盟,成立的时候希望推动不同学科、不同领域的跨界,创新链到产业链跨界是我们的设想。当然过程比较艰难,首先是挖掘科研院所里面有市场前景好的技术把它转移出去、转化出去。现在做的包括屠呦呦青蒿素的成果,热发电技术也在做产业化的前期工作。现在全国建了五个创新的工作站,搜集当地企业的技术需求,反过来对接科研院所,院所里面有什么技术和成果能够解决相应的问题。在这个过程中,成果转移转化也是老大难问题,有一本书美国人写的《创新扩散》里面有很多例子,一个创新的好东西并不能自动被社会接受,比如,当时英国有一个建立船员乘客死亡率的技术,这个技术出来以后过了四五十年才在第一艘商船应用,但是又过了一百多年才在商船领域大规模的使用,有观念的不同,现在也有标准之争、利益冲突等等。

我们感觉科研院所的成果往外转化,尤其是以转化成立公司运作的模式,现在做的是找一个行业里面的企业,或者在行业里面非常有经验的团队,他们加入进来共同来推动。因为每个人都有专长,科研院所专家教授擅长前端,市场方面,每个行业有其潜规则,我们要想跨界推动这些事,现在难度比较大的。

做产品的时候,是否一定产业链从头到尾,做到最终用户,这是可以商榷的。但是做材料的是否就提供原料,所有的做反光材料提供原来就可以了,具体我并不清楚,可以提供一个思路啊。或者是提供整体解决方案,让市场来做,这样发挥我们的优势,紧紧抓住核心的功能,这种产业化模式是可以探讨的。

我们建议做成果转化的时候一定引入专业的基金参与。转化需要钱和资本,很多时候企业也会投钱,但是企业跟专业基金不一样,一是专业基金有很多其他的资源可以进行赋能,二是按道理讲企业老板更关心企业的长远发展,专业基金关心短期的,但实际上很多企业投钱希望尽快可以出效益,明年就可以生产、后年就可以销售赚钱,比较急切会造成合作比较顺畅,后续研发投入可以舍得花大钱。专业基金不敢说几十年,五年七年是愿意等的,前面不赚钱,通过这个技术把产业布局做得更好可以推向市场。引入专业的基金进入,加入到转化过程中来。

总的来说,联盟平台从整个成果转移转化全方位地为大家服务,我们下面也有基金,也有服务团队、科技成果评价相关团队。也希望各位老师有转化的意愿也可以进行交流,我们可以共同探讨。谢谢大家!

赵震声:这为大家开辟另外一个渠道,也是科学院所倡导的方向。

张宝文:我之前也参加过沙龙,今天收获非常大。张敬杰老师最后讲的有些问题我已经弄明白了,你们的玻璃微珠用的时候还是需要用到一些高分子材料,再把它弄在一起。整个咱们的水平,除了价钱以外因为天然气贵,咱们跟3M和PQ公司之间的整个质量上应该是没有问题的吧?

张敬杰:对,民用性能都没问题,现在包括小球用在一些敏感的行业,包括国防,有些产品3M是禁售给我国的,目前我们国家有需求的我们也做出来了,从水平上跟3M是一样的,有些比他们更好一些,性能上完全可以实现替代,特殊行业可以做得更好。

张宝文:软化学是个什么意思,跟燃烧法,这两者是做不同的球还是一回事?

张敬杰:方法不一样,软化学就是采用液态状态下做。固态法原料全是粉,加热熔融耗能非常大,中间的过程也非常的复杂。因为要熔很多次才能把体系熔得非常均匀,每个球成份偏系不能大,因为最后影响空心率,固相法是出来30%到40%,上面漂起来30%。用我们的方法上面漂浮95%以上。另外是降低了工艺温度。熔融法在1300到1400度,我们方法在一千度以下,400度的温度降下来了,反应时间也很短,瞬间就反应完了。固相粉末法是先形成玻璃化再粉碎等等过程很复杂,我们的方法把玻璃化、气化成型合二为一,几秒时间内完成了,技术的先进性差别非常大。软化学法是分子级的均匀度,控制精细比固相法有很大进步。目前3M所有专利都是固相法,我们没有和他们知识产权上的纠纷,国内的其他厂商基本上模仿3M的方法。

张宝文:燃烧技术是固相的?

张敬杰:这两种方法都要经过高温燃烧才能玻璃化,形成玻璃是高温状态下,但是我们把温度降低了。燃烧的炉体很关键,就是控制空心率,底下实心不能多,因为多的话成本就上去了,后面要分级也会带来一系列的工艺上的繁琐性。固相法制备空心小球要用水漂选,把沉下去的实心珠去掉,空心的微球捞出来再烘干,会产生废水也环境产生污染。我们这个方法没有水污染的问题。漂浮95%以上都是空心。

宋广智:软化学方法主要是原始材料的混合均匀,固相混合均匀很麻烦,有气溶胶液态混合均匀性方便得多了。我们当时买不起,上海硅酸盐所用国外的干法,用铂金坩埚,里面温度非常高。我们想了一个办法,把这些原料变成液态,首先均匀性好,温度一下子就降低了。现在软化学也很重要,我们出了几本专著《软化学导论》,硅溶胶是针对现状的也可以利用,我们组张老师曾经参与翻译一本书,在国际上《先进材料杂志》出的一期“软化学集”,里面内容非常好,这样对后面的工作指导意义也比较大。

马  兵:软化学做更系统的,现在是50个微米,要做到几个微米,一百纳米。

宋广智:喷雾干燥是个大问题,前期有了基础后面就好办了。

方世璧:你们成本是有优势的,是有竞争力的。

宋广智:明显的降低了。如果说石油石化系统不垄断的话,国际化平台3M根本竞争不过我们。3M公司他们用的天然气6毛钱一立方,我们是3.5元,所以马鞍山着急了,说我们干了半天是给石油系统做贡献,石化系统还说亏本。

张宝文:软化学里边有没有高硫酸,怎么弄成液体的?

宋广智:软化学是相对燃烧化学说的,软化学更节能环保。因为软了不需要这么多的,我们成珠不到一千度,可是熔融法要一千三、四百度。国外的《先进材料杂志》专门讲的软化学,当时组里也翻译了,特别是有一篇日本人写的,专门讲什么是软化学。现在图书大厦有一本书《软化学导论》,但是里面说老实话说得比较玄,理论化而没有通俗化。现在科学家责任很重要的一个方面就是理解要通俗,通俗的东西才能理解才能做。

刘春燕:一项技术成为工业化市场化非常难,我们从感光所到理化所真的不容易。后来跟企业的合作方式很多,目前我国从实验室技术放大到市场上的工业化技术,这个过程是很少有支持的,经费也很困难,这一步真的不容易。他们做得非常好,团队也非常好,几代人的传承发展做得非常好,比如刚才讲的方法大大拓展了原来的技术,也容易调整和发展。

赵震声:因为时间原因发言到此,大家会下也可以具体交流。

(活动中进行实验室微珠材料制作的样品展示)


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