瞿金平院士团队：创新地膜技术 终结白色污染

文/叶青

[导语]

中国工程院院士、华南理工大学教授瞿金平带领团队创新“高强度全回收增产地膜先进制造与循环利用”技术，研发出一种服役期间不破碎、使农作物增产、可全回收的高性能环保地膜。该项目获得2020年度广东省技术发明奖一等奖。

华南理工大学瞿金平院士

研发出新型地膜

2013年9月，一场“新疆院士行”考察活动令瞿金平院士陷入深思中。

干旱少雨的新疆，地膜是必不可少的农业生产保障。新疆是我国地膜覆盖种植面积最大、地膜用量最多的地区。“地膜覆盖种植可以有效地保持土壤水分，增加土壤温度，可使作物增产高达三倍之多。”瞿金平说。然而，由于过去使用的农用地膜极易破碎，使用后难以回收，残膜在田地里日积月累，污染土壤，使作物减产，从农业生产的“功臣”变成了破坏耕地的“祸首”。

新疆的调研情况让他十分震惊。“新疆每年有2450万亩以上的农田覆盖了地膜，但每年留在地里的残膜量达到了每亩16公斤。当地专家说，地膜残留问题如果不解决，再过几年，新疆将无地可种。”他心想，“土地就是农民的饭碗，如果土地都被污染了，饭碗也就没了，地膜残留污染必须要得到有效遏制。地膜污染防治的科技支撑使命与责任我们必须担当起来。”

回到广东，瞿金平院士带领团队结合长期的高分子产品制造技术研究，开始了地膜污染防治技术的研究。

针对地膜污染防治难题，基于地膜污染防治迫在眉睫的形势，瞿金平院士团队提出“高强度全回收地膜”创新概念，力求研制出一种高性能地膜，让它在服役期间不破，并能够全部回收，之后将其高值化地再利用起来。

团队通过自主创新，将高分子产品制造机械的共性核心装置螺杆挤压系统换成偏心转子挤压系统，原本高分子材料拖曳剪切流变加工的原理变成体积拉伸流变加工原理。

“剪切流变就像石磨磨细物料，会使塑料大分子链断裂；而拉伸流变就像擀面和面，塑料大分子链断裂很少，更适用于超高分子量聚乙烯等极端流变塑料的加工成型。”瞿金平介绍，这项名为“体积拉伸流变塑化输运技术”的国际首创新成果彻底颠覆了传统高分子材料加工原理，与传统技术比较，加工热机械历程缩短50%以上、能耗降低30%左右，物料适应性广，加工制品的性能大幅提高，有利于节约资源和保护环境。

2014年年底，团队与企业合作研发成功多层复合薄膜制造过程自增强技术，制造出了一种厚度与普通地膜相当、服役完成后可全回收的高性能环保地膜。

推动成果从试验车间到田间大地

薄薄一层的新型地膜，凝结着瞿金平团队的科研结晶。与传统地膜相比，高强度地膜具有三大技术创新点：高性能多层复合地膜短流程高效制造新技术，高端复合地膜界面均化与微结构调控新机制，功能化地膜结构设计与制造协同调控新方法。

其中，功能化地膜结构设计与制造协同调控新方法，改变了传统地膜功能单一的模式，为适应不同农作物生长需求创新设计了地膜层间结构。

高强度地膜新技术获得中国发明专利授权20件，PCT专利2件，目前已获美国、日本、俄罗斯、韩国等8个国家授权。“新技术解决了超薄高强地膜制造的国际技术难题，使薄膜横、纵向性能大幅度提高，服役后的地膜性能仍优于国标新地膜的性能，成功将国外至少需要20微米才能实现一次机械全回收的地膜厚度降至10微米，可彻底解决残膜污染问题。”瞿金平介绍。

然而，把高强度全回收地膜制造技术研究成果从试验车间转移到田间大地应用并不是一件轻而易举的事情。

“一方面，新型地膜应用效果需要进行科学严谨的田间覆膜比对试验，需要大面积、长周期的采集数据；另一方面，大规模生产，控制成本，让广大农户愿意用、敢于用也是一个非常复杂的问题。”瞿金平说。

为此，瞿金平团队和相关企业积极推动高强度全回收增产地膜产业化。同时，在广东省科学技术厅、广东省援疆指挥部和佛山市南海区政府大力支持下，从2016年春播开始，新型地膜在新疆石河子、喀什、阿克苏等地区进行了棉花、玉米覆盖种植，覆盖面积以每年10倍的速度增长并取得很好的效果。通过连续5年开展的大田覆盖种植试验，充分证明了高强度全回收地膜可为农业增产、农民增收、土地净化、资源利用提供有力保障。

继续攻关塑料绿色制造

随着塑料行业的大发展，其对环境污染的弊端逐渐显现，世界各国积极回收利用废弃高分子产品，并努力寻找替代资源，以解决日益突出的资源、环境问题。

近几年，我国发布了多项塑料行业的法律法规，对塑料行业的监管正在逐步收紧。“塑料工业发展必然要向绿色低碳化、环境友好化转变，塑料产品将向可回收、可降解、无害化转变。”瞿金平说。

在石油基资源替代方面，我国在生物质/石油基高分子复合材料研究方面取得不少成果，尤其在木塑复合材料方面已经初步形成特色产业，聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯等石油基高分子材料与超过50%以上的木粉、稻壳、秸秆等植物纤维混合生产出的板材或型材，已经应用于建材、家具、物流包装等行业。

但在非石油基高分子材料的合成技术、产品种类和质量、应用技术等方面，我国更多停留在实验室研究阶段，与国外先进技术相比存在差距，许多高端产品还被国外垄断，迫切需要在基础研究和产业应用方面加大科研投入力度。

30多年来，瞿金平院士围绕高分子材料加工技术与装备开展研究，他总结“自己这一辈子做了三件事”：第一件事，20世纪90年代，在国际上率先提出将机械振动力场引入塑料加工成型的全过程，这样一来，加工能耗降低了，设备体积重量也减少了。第二件事，把塑料加工机械的核心部件螺杆挤压系统换成偏心转子挤压系统，这项国际首创新成果就是“体积拉伸流变塑化输运技术”。第三件事，开展与拉伸流变塑化加工原理与技术相匹配的一系列制品短流程成型制造技术创新研发。

“不能简单把塑料妖魔化。”在瞿金平院士看来，团队有责任在塑料绿色制造方面继续开展攻关工作。他透露，将主要从两大方面攻关，一方面是用创新加工技术实现高分子材料的高值化循环再利用；另一方面是利用可再生的天然高分子材料如淀粉、甲壳素、纤维素等，用创新加工技术实现石油基合成高分子材料的替代，彻底实现高分子材料尤其是塑料的环境可消纳性。