学科交叉 固液相容

蒋雪峰 蔡巧玉

固液界面是多组分、多相复合体系最常见的界面之一。固液体系是重大工业过程中遇到最多的两相复合体系，例如，煤化工水煤浆加压气化的第一步需要制得稳定的高浓度水煤浆，而高浓度水煤浆就是呈固态的煤颗粒与水形成的固液体系；又例如，聚烯烃高性能化过程通常在聚烯烃熔融温度以上将非金属无机填料或纤维（呈固态）填充到聚烯烃熔体（呈液态）中形成填充聚烯烃的固液体系；再例如，农药制剂是将固体原药均匀分散在水或非水介质中形成悬浮液，这种悬浮液也属于固液体系。固液体系，如前述的高浓度水煤浆、填充聚烯烃和农药制剂在制备、储运和使用过程中，都无一例外要求固体在液体中稳定分散。但由于固体和液体，如煤和水、非金属无机填料或纤维和聚烯烃熔体、化学农药原药和水或非水介质各对的组成、结构和物性存在显著差距，形成热力学不稳定体系，在重大工业过程中，常会因界面不相容，导致两相分层甚至于固体沉淀，堵塞管线，危及安全的问题发生。

建立普适、实用的固液体系分散稳定理论，研发高效、稳定的固液体系分散稳定技术，具有重要的理论意义和广阔的应用前景。长期从事多组分、多相复合体系界面研究的南京大学、南京师范大学教授沈健带领由化学、物理学、材料科学与工程、化学工程与技术、仪器科学与技术、计算机科学与技术等学科背景师生组成的团队进行了长期不懈的努力，为解决这一难题交上了一份漂亮的答卷。

理论发展与技术创新

我国是一个煤炭大国、聚烯烃产销大国和农业大国，采用洁净煤技术（水煤浆技术是洁净煤技术之一），实现聚烯烃高性能化和开发高载、缓释的环境友好型农药制剂对科学研究、经济建设和生态文明至关重要。在国家及省部级计划的支持下，沈健团队在前人工作的基础上，历经23年系统、深入研究，最终完成了“基于界面调控机理的固/液体系分散稳定技术及应用”，取得理论发展和技术创新的突破。

他们揭示了固液体系分散的稳定机制，确定了影响体系分散稳定的四要素，固体密度、液体密度、固体粒径和固液界面张力，首次将固体和液体的物性与影响固液体系分散稳定的要素联系起来，创建了体系分散稳定的力学模型；率先提出在重大工业过程中，通过调控界面张力γ和固体粒径2R，实现体系分散稳定的策略。为基于界面调控和粒径优化的体系分散稳定技术研发和应用提供的理论指导。成果获江苏省科技进步奖一等奖。国际著名期刊Chemical Reviews（《化学综述》）封面介绍了该成果。

基于上述理论，他们发明了用于界面调控的三元共聚物（NDF）。经系统研究建立了NDF分子量、主链结构、排列方式、序列长度l、m、n和亲水基团R1、R2种类及数量对各种固体颗粒在水或非极性液体中分散能力的构效关系，为高效、精准调控固液体系界面张力的NDF分子设计及技术应用提供了依据；针对不同体系，通过创新合成技术，优化生产工艺，发明了带有不同主链结构、序列长度、排列方式和亲水基团种类、数量，具有自主知识产权的三大类15个品种系列三元共聚物 NDF，成果获中国石油化工联合会技术发明奖一等奖、中国石油化工联合会优秀专利奖。建成年产6万吨NDF的生产线，为工业应用奠定了基础。NDF被列为国家重点新产品。还研发了重大工业生产过程中动态优化固体粒径分布技术（NDJ）。与NDF配合，解决了大固液密度差体系分散稳定长期未能攻克的难题；突破了均一粒径固体颗粒的堆积密度极限，提高了体系的固液比，增加了体系中固体颗粒的加入量，改善了体系性能；首次實现了在设备磨耗情况下不中断生产、及时补充、在线优化固体颗粒粒径分布，提高了生产效率。

该项目共授权中国发明专利13项、美国发明专利1项、中国计算机软件著作权2项；发表论文47篇，累计他引2396次；出版专著1部，累计他引646次；获省部级科学技术奖一等奖3项；培养界面化学方向研究生58名。项目技术推广应用和成果转化，已培育和参与2家企业上市，累计获各类科研经费、贷款贴息和专利许可收入2635.8万元，累计新增销售额183.5亿元，新增利润23.3亿元，其中近3年累计新增销售额78.5亿元，新增利润12.4亿元。推动了相关行业领域的技术进步，产生了显著的经济和社会效益。

项目成果应用于煤化工领域难成浆煤种高浓度水煤浆制备和工业废水循环利用制水煤浆中，制定了中国第一部燃烧用和气化用水煤浆添加剂产品标准；通过调控NDF分子中丙烯酸或马来酸序长和芳环的种类和数量，解决了高内水煤种难成浆难题，提高了制浆煤种适应性；通过调控NDF分子量、序列长度l、m、n、排列方式和不同种类、数量的亲水基团R1、R2，提高煤浆浓度至少2个百分点；降低煤浆粘度至少200mPa·s-1、水煤浆存放45天无沉淀；解决了水煤浆连续制备、添加剂合理使用和工艺条件可控的问题，实现了连续生产中动态优化固体粒径及其分布，在煤种突变或设备磨耗的情况下，不中断生产，及时优化。汕头市南方水煤浆有限公司应用该技术用本单位工业废水制水煤浆，年节水10万吨，实现了减排，节约了资源，保护了环境。全球最大聚氨酯生产厂家——万华化学集团股份有限公司，应用项目成果技术累计新增销售额19.5亿元、利润9.2亿元，近3年累计新增销售额13.9亿元、利润6.1亿元。

项目成果应用于聚合物基复合材料领域填充聚烯烃高性能化，首次将固体粒径及其分布优化理论和技术引入到聚烯烃填充改性领域，与传统工艺相比，不仅降低填充聚烯烃的加工温度15℃～30℃、提高熔体流动速率17%～33%，还显著提高填充聚烯烃的力学性能10到95个百分点。南京聚隆科技股份有限公司运用项目成果技术，累计新增销售额34.9亿元、利润2.1亿元，近3年累计新增销售额17.1亿元、利润0.7亿元。利用项目专利技术培育上市公司1家。

项目成果应用于农药领域制剂创新，采用纳米氧化石墨烯或纳米改性蒙脱土作为载体，结构可调的含磷酸基、多羧基三元共聚物作为分散剂，制得高效、环境友好的氟啶胺、吡虫啉、氯氟氰菊酯、甲维盐、阿维菌素等农药制剂。制剂的载药量提高50%，水溶性提高400倍，抗虫活有效期大于14天，具有pH响应的控缓释性能，可稳定分散1年以上；大田试验显示，可明显减少等效农药用量和提高等施药量农药效果。全球主要农药生产厂家江苏扬农化工股份有限公司及其全资子公司江苏优嘉植物保护有限公司应用项目成果技术累计新增销售额18.2亿，新增利润3.7亿元，近3年累计新增销售额12.7亿元，新增利润2.6亿元。利用项目专利技术参与上市公司1家。

学科建设和服务社会

1982年年初，在南京大学本科毕业后，沈健留校读研并任教，一直从事多组分、多相复合体系界面化学和生物医用高分子材料研究，他是固液体系稳定分散模型和维持自然状态功能化学说的创立者，在线检测、动态调控固体粒径及其分布技术（NDJ技术），用于界面调控的三元共聚物结构优化技术（NDF技术）和表面构建两性离子的生物相容技术（ZSM技术）的发明人。截至2019年年底，主持22項国家和部省级科研项目；出版专著3本，在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Adv.Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials等国际核心期刊发表论文500余篇，累计他引超6000次；授权中国发明专利63项、中国计算机软件著作权5项；制定中国第一部燃烧用和气化用水煤浆添加剂标准；获国家级教学成果奖二等奖1项，省部级教学成果奖一等奖3项，省部级科学技术奖一等奖4项、二等奖3项。

2002年，已是南京大学党委副书记兼江苏省界面化学工程技术研究中心主任的沈健接到一纸调令，来到了南京师范大学任党委书记。当时，正是学校化学和材料学科发展方向的艰难时期。针对一所师范类高校到底要不要开展科学研究，能不能组织工程技术研究，很多人持不同的态度。虽然外界议论纷纷，但沈健心中早已有底。来到南京师范大学后，他邀请国内化学和材料学科的著名专家来校讲学，拓宽校领导和广大教师的思路，召集校内化学和材料方向的专任老师共同探讨了化学系和材料专业未来的发展方向。在他的带领下，大家逐步统一了认识：“南京师范大学的目标是建设有特色的世界一流大学，必须有包括数学、物理、化学、生物学在内的一流的学科奠定一流大学的基础；南京师范大学的使命之一是培养各类教育的师资，只有搭建高水平研究平台，让学生参与研究，在实践中培育科学精神、增强社会责任、奠定理论基础、提高实践能力；南京师范大学地处南京，是江苏的一所高水平大学，应该发挥学科、人才等优势，发展材料专业，建好工程平台，努力为江苏的经济和社会发展多做贡献。”

思想统一、目标明确，凝心聚力，不懈努力，不仅使材料学科获得新生，也为化学学科的发展注入活力。2003年开始，江苏省生物功能材料重点实验室、江苏省生物医药功能材料工程技术研究中心、江苏省生物医药功能材料协同创新中心、生物医药功能材料国家地方联合工程研究中心陆续成立，江苏省生物医药材料测试服务中心通过国家技术监督局GM认证，沈健兼任上述研究机构主任，身体力行，并带领师生务实推进。

上述中心（重点实验室）以化学、材料科学与工程、生物学、临床医学和药学等学科为主要支撑，联合国内外著名大学、科研机构、医院和省内部分企业，协同开展植/介入生物医用材料及器械、新型药用材料及化学新药、材料和生物体相互作用、化学、生物新能源技术及应用等方向的科学研究、人才培养和学科平台建设。

在重视理论研究的同时，平台还大力开展应用性、工程性课题的研究，并积极推进产业化。在生物医药功能材料的分子设计、制备工艺、生物评价、中试放大、器械制造和临床试验等方面都做了积极探索。至今已承担国家高技术研究发展计划项目、科技部重大基础研究前期研究专项项目、国家自然科学基金国际交流项目、重点和面上等科研项目超过200项，发表SCI/EI收录论文700余篇，申报国家发明专利100多项，并参编出版专著及教材10本。

在大家的努力下，在不到十年的时间内，南京师范大学化学与材料科学学院在学科建设、科学研究、人才培养、服务社会等方面都取得了重大进展。化学和材料学双双进入ESI前1%行列。

“我们下一阶段的目标是：按照国家‘双一流建设和江苏省高水平大学建设的要求，在学校的统一部署下，培育建设世界一流学科和国际知名学科，为学校建设有国际影响的高水平大学奠定坚实的学科基础。继续坚持顶天立地，大力推进协同创新，为经济建设和科学发展多做贡献。”展望未来，沈健信心满满。