中國化工學會會士風采——喬金樑
【弘揚科學家精神：優(yōu)秀科技工作者風采錄】
【編者按】為大力弘揚科學家精神，生動展現(xiàn)化工領域科技工作者報國為民的風采，引領廣大化工科技工作者肩負起歷史責任，不斷向科學技術廣度和深度進軍，中國化工學會開展“弘揚科學家精神：優(yōu)秀科技工作者風采錄”系列活動。活動將展示化工領域優(yōu)秀科學家和科技工作者篤行不怠、科技報國、勇當高水平科技自立自強排頭兵的卓越風采和創(chuàng)新精神，以增強榮譽感和科技報國的使命感，形成推進高水平科技自立自強、建設科技強國的強大合力。
為堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，加快實施人才強國戰(zhàn)略，培養(yǎng)造就德才兼?zhèn)涞母咚刭|人才，中國化工學會于2018年開始會士評選工作，以表彰在化工科學技術領域方面做出重大、創(chuàng)造性的貢獻和成就的會員。截至目前，學會已完成六屆評審，評選出會士89名。為弘揚科學家精神、充分發(fā)揮中國化工學會會士在會員中的表率作用，中國化工學會在官方網(wǎng)站、微信公眾號上開設“會士風采”欄目，邀請部分會士作為首批宣傳對象展示風采，并以科普的形式，用通俗易懂的語言介紹其研究領域，向公眾宣傳普及化工知識、展示化工在科技強國中所做的貢獻。敬請關注！
中國化工學會會士風采：喬金樑
一、 喬金樑個人簡歷
原中國石化首席專家、北京化工研究院副院長。分別在中國科技大學、北京化工研究院和北京大學獲得學士、碩士和博士學位。長期堅持從基礎研究出發(fā)進行聚烯烴等高分子材料的技術創(chuàng)新，獲境內外發(fā)明專利授權460多件，發(fā)表SCI論文 130余篇。獲國家發(fā)明二等獎二項、國家科技進步二等獎一項、中國專利金獎一項和優(yōu)秀獎三項。還獲得亞洲化學聯(lián)合會“經(jīng)濟發(fā)展杰出貢獻獎”、中國化學會“化學貢獻獎”、中國化工學會“侯德榜化工科學技術成就獎”、中國石化聯(lián)合會趙永鎬科技創(chuàng)新獎、中國科協(xié)“全國優(yōu)秀科技工作者”和華銳成就獎等。曾任中國化學會高分子學科委員會副主任委員、973項目首席科學家、中國合成樹脂協(xié)會副理事長兼聚烯烴分會會長等，是首批國家新世紀百千萬人才工程國家級人選、中國化工學會首批會士。
二、研究領域介紹
聚烯烴等高分子材料與國民經(jīng)濟、國防軍工密切相關。喬金樑長期擔任聚烯烴國家工程研究中心主任，堅持從基礎研究出發(fā)進行技術創(chuàng)新，推動了我國聚烯烴等高分子產(chǎn)業(yè)從跟蹤創(chuàng)新向原始創(chuàng)新的轉變。
基于對橡膠乳液輻射交聯(lián)的基礎研究，發(fā)明了納米橡膠粒子并在橡塑共混理論和高分子助劑分散方法二方面取得了原創(chuàng)成果。橡膠粒子產(chǎn)品在國防軍工和高性能聚烯烴等新材料中廣泛應用。并批量出口日本等國。
根據(jù)傳統(tǒng)橡塑共混理論，橡膠可使塑料的韌性提高而耐熱性下降，同時提高韌性和耐熱性被認為是不可實現(xiàn)的重要挑戰(zhàn)。他通過基礎研究發(fā)現(xiàn)，當橡膠粒徑為納米尺度時，會使橡膠粒子在塑料基質中的間距小到使界面過渡層相互關聯(lián)，從而限制塑料分子的運動自由度，使其玻璃化溫度提高。這樣，橡膠在增韌塑料的同時也可提高其耐熱性。據(jù)此，建立了同時提高橡塑共混物韌性和耐熱性的結構模型，為制備高韌性高耐熱橡塑共混材料提供了理論依據(jù)。成果不僅豐富了橡塑共混理論，也得到廣泛應用。例如，納米尺度橡膠粒子在使環(huán)氧樹脂韌性大幅度提高的同時，熱變形溫度可提高57℃。在碳纖維預浸料中應用，材料韌性和耐熱性同時得到大幅度提高，并且綜合力學性能和工藝性能優(yōu)勢明顯，已在大型無人機用碳纖維復合材料等高端技術領域被廣泛應用；制備的高性能摩擦材料在汽車剎車片等材料中得到大量應用；制備的高耐熱高韌性酚醛樹脂模塑料滿足了無鉛焊料的高溫焊接要求，不僅使我國擺脫了依賴進口的局面，還實現(xiàn)了向發(fā)達國家的出口。
塑料助劑粒度與分散性矛盾是困擾其發(fā)展的難題之一。助劑粒度越小性能越好，但在聚合物中越難分散。例如，無機納米粒子可大幅度提高聚合物性能，但分散困難，嚴重制約了高分子納米復合材料的發(fā)展。通過將超細助劑負載在納米橡膠粒子的二次粒子表面，可實現(xiàn)超細助劑在高分子材料中的均勻分散；該方法還使液體助劑實現(xiàn)了納米尺度分散。采用該方法生產(chǎn)的高性能聚烯烴等新材料不僅廣泛應用于汽車和家電制品中，還成功創(chuàng)制了回收率達到95%以上的可回收聚乙烯地膜，已廣泛應用于新疆及哈薩克斯坦等國的棉田中。與傳統(tǒng)聚乙烯地膜相比，保滳保溫性能更佳，棉花產(chǎn)量不降反升。所回收的地膜已被用于制備周轉箱等當?shù)匦枰乃芰现破贰Ｖ苽涞目咕芰现破房朔丝咕叻肿硬牧夏退圆畹募夹g難題，已大量應用于洗衣機和地毯等產(chǎn)品中，并向日本等國家出口。由于抗菌劑及載體均可達到納米級，助劑用量大幅度減少，還在世界上首創(chuàng)了抗菌聚丙烯樹脂及其抗菌無紡布材料。
聚烯烴鏈結構是影響其性能的關鍵。為研究和調控聚烯烴分子鏈結構，他負責組建了我國第一個聚烯烴微觀結構表征實驗室，系統(tǒng)研究了共聚單體和等規(guī)結構在分子鏈間的分布及其對聚烯烴性能的影響。通過控制共聚單體和等規(guī)結構分布開發(fā)并產(chǎn)業(yè)化了多個原創(chuàng)及高性能聚烯烴新材料，不僅頂替了進口，還實現(xiàn)了向發(fā)達國家的出口，為我國聚烯烴產(chǎn)業(yè)從跟蹤創(chuàng)新向原始創(chuàng)新的轉變做出了卓越貢獻。例如，他與楊玉良院士共同作為“973”項目“通用高分子材料高性能化的基礎研究”首席科學家，系統(tǒng)研究了乙烯在聚丙烯分子鏈間分布對高速BOPP（雙向拉伸聚丙烯）樹脂拉伸穩(wěn)定性的影響，設計了滿足高速拉膜工藝所需聚丙烯的鏈結構，突破了“高速BOPP樹脂等規(guī)度必須小于96%”的業(yè)內共識，產(chǎn)業(yè)化了等規(guī)度≥98%的高速高強度BOPP樹脂，全面頂替了進口產(chǎn)品；根據(jù)“973”項目的基礎研究成果，還與同事共同發(fā)明了用外給電子體調控聚丙烯等規(guī)結構分布的新方法，制備出了多種傳統(tǒng)方法難以制備的高性能聚丙烯樹脂。其中，均聚高速BOPP突破了“高速BOPP樹脂必須共聚少量乙烯”的傳統(tǒng)共識，在世界上首創(chuàng)了大分子量組分低規(guī)整度、小分子量組分高規(guī)整度的均聚聚丙烯樹脂產(chǎn)品。該技術已成為我國新一代聚丙烯生產(chǎn)工藝的核心技術，被廣泛應用；他負責的中國石化重大專項“高附加值合成樹脂關鍵技術開發(fā)及應用” 通過設計和控制共聚單體及等規(guī)結構在分子鏈間的分布產(chǎn)業(yè)化了4類原創(chuàng)和6類高性能聚烯烴新產(chǎn)品，實現(xiàn)了我國聚烯烴產(chǎn)業(yè)從跟蹤創(chuàng)新向原始創(chuàng)新的轉變。其中，原創(chuàng)的聚丙烯G樹脂通過使共聚單體向高分子量組分移動，同時實現(xiàn)了高透明和低可溶物含量，在醫(yī)療和食品方面應用有重要意義和明顯優(yōu)勢，是第一個被國際純粹與應用化學聯(lián)合會（IUPAC）立項研究的中國首創(chuàng)商業(yè)化高分子新材料。作為項目負責人，他與來自4個國家的9個科學家共同完成了該項目。
鑒于其在聚烯烴等高分子材料方面的創(chuàng)新性貢獻，他多次受邀在國內外重要學術會議作大會報告，包括中國化學會第27屆學術年會（2010，廈門，中國），全國高分子學術論文報告會（2021，北京），22nd annual meeting of the polymer processing society(2006，Yamagata, Japan)，24th annual meeting of the polymer processing society(2008，Salerno, Italy)， 23rd International Polyolefins Conference of the Society of Plastics Engineers (2011, Houston, USA), 美國塑料工程師學會2013年學術年會（SPE ANTEC 2013，Cincinnati）, 28rd International Polyolefins Conference of the Society of Plastics Engineers (2016, Houston, USA), 第二屆材料科學與工程國際會議（2017，西安），第十一屆全國高聚物分子與結構表征學術研討會（2018，武漢）等。2011年他受美國塑料工程師學會邀請，成為在最權威聚烯烴國際會議作大會邀請報告的首位中國學者。
美國塑料工程師學會2013年學術年會
與曹湘洪院士和毛炳權院士交流
與同事的技術討論會
三、事跡和故事分享
當前，我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。一是人類面臨的“白色污染”和“綠色”發(fā)展的共同挑戰(zhàn)，二是我國特有的結構性過剩（通用產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高性能產(chǎn)品大量進口）的挑戰(zhàn)，三是全球“產(chǎn)能過剩”和我國原料成本高（煉油過剩，無乙烷原料）疊加對我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)。其中，在全球產(chǎn)能過剩的背景下原料成本高是我國合成樹脂行業(yè)面臨的最大，也是最難應對的挑戰(zhàn)。如果不能大幅度降低我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)的原料成本，我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)將面臨滅頂之災。
通過基礎研究開發(fā)原創(chuàng)技術是使我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)起死回生的重要途徑。但是，目前鮮有此方面的基礎研究報道。幸運的是，一次在與楊萬泰院士的聊天中（那時他還不是院士），首次知道了他發(fā)明的“自穩(wěn)定沉淀聚合”新方法。隨后，我們開始了深入的實質性合作，得到令人興奮的創(chuàng)新結果。在楊萬泰院士自穩(wěn)定沉淀聚合技術基礎上，我們發(fā)明了聚合分離技術，可以將我國C4、C5、C8和C9等未資源化利用的烯烴和烷烴混合物進行低成本分離，不飽和組分可以與馬來酸酐共聚，得到“馬來酸酐-烯烴交替共聚物”，不能聚合的烷烴則可作為乙烯裂解的原料，不僅可以大幅度降低我國乙烯工業(yè)的原料成本（有望與頁巖氣成本相當），還可以形成一個高附加值通用高分子材料新產(chǎn)業(yè)。該發(fā)明創(chuàng)造能否被商業(yè)化應用取決于二個關鍵因素，一是聚合反應的工程化技術，二是“馬來酸酐-烯烴交替共聚物”產(chǎn)品的市場潛力。通過楊萬泰院士團隊和我院研究團隊多年的努力，不僅解決了聚合反應的工程化技術難題（已建立了中試和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)裝置），還開發(fā)了“馬來酸酐-烯烴交替共聚物”產(chǎn)品新的應用領域，包括無甲醛木材粘合劑、水泥減水劑、樹脂改性劑等通用大宗產(chǎn)品和吸濕劑、抗紫外劑、氣凝膠、不泄露的相變儲能材料、PET成核劑、薄膜開口劑、光擴散劑等高附加值聚合物產(chǎn)品，年需求量超過2000萬噸。
雖然“自穩(wěn)定沉淀聚合”和“聚合分離技術”技術結合有望解決我國合成樹脂行業(yè)面臨的最大，也是最難應對的挑戰(zhàn)。但是，不解決“白色污染”和“綠色”發(fā)展的挑戰(zhàn)，我國合成樹脂產(chǎn)業(yè)還是很難長期穩(wěn)定的發(fā)展。我們有沒有可能采用低成本綠色原料，例如CO2、秸稈和樹枝等廢棄生物質、廢棄聚合物生產(chǎn)現(xiàn)有高分子材料，發(fā)展具有我國特色的“低成本、高端通用合成樹脂材料”產(chǎn)業(yè)，提高我國合成樹脂產(chǎn)品的附加值呢？
我們探索了“目標明確的自由探索”研究模式（如下圖所示）， 在開發(fā)油水分離海綿材料的過程中，發(fā)現(xiàn)了微波輻照碳材料可以產(chǎn)生等離子體的實驗現(xiàn)象，即微波可以使多孔碳材料產(chǎn)生高溫，較長的微波時間可以使所有種類高分子材料完全氣化；而較短的微波時間（總熱量不夠）可以使高分子發(fā)生化學反應，但不降解。據(jù)此發(fā)明了“超過聚合物熔點的聚合物固相接枝”新方法、廢棄高分子材料化學回收、碳纖維復合材料升級回收、高溫固相接枝、二氧化碳加水制合成氣等新方法。其中，二氧化碳加水制合成氣技術有望用于制備二氧化碳基、生物基、廢塑料基合成油，不僅有望降低我國乙烯原料成本，還可制備二氧化碳基現(xiàn)有石化產(chǎn)品，從而提高我國石化產(chǎn)品附加值。
我們的研究結果顯示，我國不是一個資源豐富的國家，難以靠低成本原料取得競爭優(yōu)勢。但是，我們可以通過基礎研究，開發(fā)顛覆性創(chuàng)新技術，并將這些新技術轉化為生產(chǎn)力。對于有機高分子材料產(chǎn)業(yè)和石化產(chǎn)業(yè)，我們完全有可能將沒有資源化利用的含碳氫物質低成本轉化為乙烯原料，降低我國乙烯工業(yè)原料成本，減少碳排放，并提高產(chǎn)品附加值。
