高职学生科技创新研究——以“中国首创超支化水性聚氨酯新材料研究”项目为例

孙伟力，陈凯蓉，周琳琳，梁雯玲

（广州城市职业学院，广东广州 510300）

1 项目研究的意义

1.1 培育创业与研发能力

项目致力于弘扬团队成员正确的价值观，厚植家国情怀[1]，恪守伦理规范，培育团队创新创业精神，开拓化工新材料发展的道路。本项目起步于学校实验项目，2019 年10 月，成立超能材料团队，2020 年1 月，导师指导团队进行超支化水性聚氨酯新材料实验，2021 年7 月，校企合作为超能团队共建了1 个创业中心和2 间实验室；同年10 月，校级创新创业项目立项，2021 年12 月，参加学校开展的创新创业训练营；2022 年03 月，超能材料团队与广东恒和永盛集团有限公司签订了合作协议，并于后续确定了初步的投资意向，超支化水性聚氨酯新材料开始投放广州市场；同年5 月，产品试用用户反馈良好，项目团队取得阶段性成果。

项目从2019 年成长时期探究材料原理至今，超支化水性聚氨酯新材料历经研究、突破与发展，团队致力于推动我国化工新材料发展。项目瞄准的是“技术壁垒”问题，突破国内瓶颈，研发出的产品填补了国内行业空白。

1.2 提升创业团队素养和塑造力，社会效益明显

项目以产学研协同为抓手，带动行业发展，回馈母校、回馈社会[11]。团队将专业知识与商业知识有效结合并转化为商业价值和社会价值,同时展现创新创业的基本过程和基本逻辑。

团队通过开展超能材料技能培训、化学公开课、化学实践课、技术讲座以及创立新材料项目基地等[10]，为学校设立新材料技术组并提供实习机会，为社会发展贡献力量，同时为青年树立榜样，带领更多人创新创业。团队与企业达成合作协议，扩大团队影响力，逐步发展壮大。团队对创新创业所需的专业知识、商业知识、行业知识与技能的掌握与应用，充分展现出团队的创新创业综合能力。

项目经学校创新创业实训室和创业中心成功孵化，逐步发展壮大；项目持续聚焦市场痛点，建立超能材料研学基地，带动就业450 人。超能材料团队与广东恒和永盛集团有限公司、广东大正彩翼涂饰有限公司签订战略合作协议，达成战略合作，不断拓展团队规模，扩大团队影响力。

2 项目研究背景

水性聚氨酯是一种现代新兴的有机高分子材料，因其卓越的性能而被广泛应用于建筑、化工、3C 电子产品等领域。油性聚氨酯的使用导致生产加工污染大、环境污染大，还会对使用者的身体产生一定的危害。随着国家各种环保政策的发布，国家鼓励油性聚氨酯企业转型生产和研发出环保的水性聚氨酯，目前，市场上的油性聚氨酯应用范围有限，在部分性能上存在一定的缺陷，如在防腐蚀性能上，油性聚氨酯在防腐蚀实验中时间普遍不会超过200 h，若将其暴露在空气中，约半年表面就会被腐蚀，需要反复刷漆维持原状，其防腐蚀性差；在耐高温能力方面，材料的耐热程度也是工业生产中一项重要的性能指标，工业生产的温度普遍在300 ℃以上，油性聚氨酯最高耐温为150 ℃，超过150 ℃后就会融化烧毁、挥发。由此可见，油性聚氨酯耐高温能力弱，且油性聚氨酯含有苯、二甲苯和环己酮等对环境有危害的物质，静置在空气中，会分解出大量挥发性有机物，混杂在空气中污染大气层，危害人体健康。可见，进行聚氨酯产业革新已迫在眉睫，工业环保是未来中国乃至世界的必然趋势，聚氨酯的市场潜力巨大，水性聚氨酯是实现碳中和的第一步，因此，市场亟需一款能替代大部分油性聚氨酯，同时性能优于同类水性聚氨酯的产品，超支化水性聚氨酯应运而生。

3 市场痛点

3.1 防腐蚀性能差

经调查研究，油性聚氨酯在防腐蚀实验中时间普遍不超过200 h，若将其暴露在空气中，容易遭受酸碱以及空气中水汽的腐蚀，致使该表面不到半年就会腐蚀、生锈，因此，需要给产品表面重复刷漆以维持原状。

3.2 耐高温能力弱

材料的耐热程度也是工业生产中一项重要的性能指标，只有材料的耐高温能力足够强，工业生产的产量和品质才可以有所提升，工业生产的温度普遍在300 ℃以上，而油性聚氨酯最高耐温为150 ℃，超过150 ℃后易融化烧毁、挥发，由此可见，油性聚氨酯耐高温能力弱。

3.3 环境污染大

一些传统材料已成为大气VOC（挥发性有机化合物）产生和排放的重要工业污染源，在全球气温变暖背景下，挥发性有机化合物已经成为污染环境的重要因素，且市场上的传统材料大多数含有少量挥发性有毒物质，材料制作以及使用过程中都难以避免对环境造成污染以及对人体健康造成威胁。

4 解决方案

随着科学技术的发展、人们生活水平及环保意识的提高，国家在重视技术革新、产业发展的同时，项目及研究成果的绿色环保、能实现排放零污染也日益受到重视。我国的航海船舶、轨道交通、3C 电子产品行业领域快速发展并且取得了较大的成就，但是这些领域使用的功能性材料还存在耐高温能力弱、防腐蚀性能差、环境污染严重等问题。功能性材料的开发是材料行业变革的必然趋势，耐高温、防腐蚀、绿色环保已成为材料行业开发新产品的必然趋势。绿色健康产品材料在人们的生活中越来越受欢迎，因此，亟需一种耐高温稳定性强、防腐蚀性能佳、绿色环保的新材料。

“超能材料——中国首创超支化水性聚氨酯新材料”项目基于此背景应运而生，项目的目标是研发一种耐高温稳定性强、防腐蚀性能佳、高硬度、高光泽且纯绿色环保的超支化水性聚氨酯新材料。

4.1 研发产品介绍

4.1.1 研发产品

超支化水性聚氨酯新材料是对油性聚氨酯技术的突破[21]，促成了超支化技术在水性聚氨酯领域的首次应用，解决了油性聚氨酯防腐蚀性能差、耐高温能力弱、高污染等问题，是一种防腐蚀性能佳、耐高温稳定性强、纯绿色环保的超支化水性聚氨酯新材料。

4.1.2 研发历程

研发背景：国家在高职院校大力开展创新创业教育，鼓励高职在校生参加“互联网+”大赛和自主创业，是深化高职教学改革，“以赛促创，以创促就”，使高职学生充分就业的重要措施。

2019 年10 月，超能团队在学校政策支持下正式启动项目，在进行市场调研，了解当时市场上对材料的需求方向后，在水性材料方面开展进一步研究，正式确定水性聚氨酯材料为主材料。

2019 年11 月，团队探讨如何使水性聚氨酯在耐高温、防腐蚀性能上实现突破。参考百余篇相关文献，导师团队进行多次的探讨，与广东恒和永盛集团有限公司技术顾问深度交流，尝试将超支化技术首次运用在水性聚氨酯上。2021 年9 月，通过团队的不断努力，经过300 多次小试实验，攻克超支化技术应用在水性聚氨酯方面的难点，确定最佳配比，首次研发出超支化水性聚氨酯新材料。2022 年1 月，完成中试5 次，中试每次产量10 kg 进行测试，随后进行3 个批次的量产复核，3个批次的量产分别为15 t、30 t、30 t，总共75 t。2022 年3 月，与广东大正彩翼涂饰有限公司进行战略合作，客户检测使用反馈团队量产复核批次结果符合预期。

4.1.3 技术分析

研发技术——有机氟/碳纳米管复合改性超支化聚氨酯技术[3]，利用接枝反应引入有机氟；在工艺方面，合成过程中严格调控温度，为超支化反应提供最优反应条件；在乳化过程中采用环保技术，加入的三乙胺使共聚物具有亲水性，继而在水里分散成分散体，最后又通过蒸馏工艺循环使用丙酮溶剂，达到水性环保的效果。

4.1.4 技术路线

（1）超支化水性聚氨酯（HBPU）核（Core）预聚物。

在装有冷凝器、温度计、搅拌桨、蠕动泵的烧瓶中，加入二羟甲基丙酸、异佛尔酮二异氰酸酯、N-乙基吡咯烷酮等溶液， 搅拌均匀，然后升温至101 ℃，反应1 h。随后将烧瓶放置-5～0 ℃的冰盐浴，滴加DEA（二乙醇胺）的NEP （N-乙基吡咯烷酮）溶液，滴加2 h，继续搅拌30 min，滴加催化剂DBTDL（二月桂酸二丁基锡），升温60 ℃，保温2 h，制得超支化水性聚氨酯核预聚物[5]。

（2）超支化水性聚氨酯（HBPU）。

在装有冷凝器、搅拌桨和温度计的四口烧瓶中，加入UH-200 （聚碳酸多元醇）和IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯），101 ℃反应6 h，降温至80 ℃，加入DPMA（二羟甲基丙酸）的NEP （N-乙基吡咯烷酮）溶液、NPG（新戊二醇）和催化剂DBTDL（二月桂酸二丁基锡），升温至101 ℃，反应4 h，反应过程加入适量丙酮降低粘度，降温至75 ℃，加入HEMA（甲基丙烯酸羟乙酯）和ACNT（氨基化碳纳米管），反应1.5 h，加入步骤1 得到的超支化水性聚氨酯（HBPU）核（Core）预聚体，反应3 h，降温至35 ℃左右，加入TEA（三乙胺）中和，加水快速搅拌30 min，加入EDA（乙二胺）水相扩链，负压（0.5～0.8 MPa）抽真空，脱出丙酮，得到超支化水性聚氨酯分散体和有机氟改性超支化水性聚氨酯（HBPU-F）。工艺流程见图1。

图1 配方工艺流程

4.1.5 技术创新

（1）配方创新。

超支化预聚体+复合材料，在水性聚氨酯的制作材料基础上添加有机氟，通过搅拌与其他物质进行结合反应，所生成的物质就可以获得良好的防腐性、耐紫外线和耐化学品性。“氟还具有耐高温的性质，将氟原子引入水性聚氨酯的侧链后，含氟基团会向水性聚氨酯的表面进行聚集，对内部化学结构起到保护作用”[6]，从而获得性能良好的聚合物材料，并且引入的碳纳米管能提高材料的力学性能、热性能。

（2）技术创新。

首次将超支化技术运用在水性聚氨酯，丰富末端官能团，使其拥有更多性能。从一个中心核出发，不断进行反应；支链不断扩大，进行超支化反应，在超支化过程中引入有机氟与碳纳米管，提高其疏水性，赋予其防腐蚀和耐高温性能。在聚合物的主链或者支链中引入氟元素，主链聚合物溶解作为支链的单体，然后在指定条件下进行接枝反应，就能得到有机氟改性接枝共聚物，提升超支化水性聚氨酯新材料的耐高温和防腐蚀性能[7]。

（3）工艺创新。

通过合成工艺改变传统合成路线的温度，严格调控反应温度，经过调试，最终确认超支化反应的最优温度[8]；使用环保工艺，循环利用丙酮，使超支化水性聚氨酯达到水性环保更绿色的效果。采取自乳化工艺，在其中加入三乙胺使其中和聚合物更具有亲水性，在水里分散成分散体，最后又通过蒸馏工艺脱出里面的丙酮溶剂，达到水性环保的目的。脱出的丙酮会被回收，再次重复利用，不会排放到空气中，在做到零排放有机蒸气不污染环境的同时，达到循环生产、节约资源的效果。

4.2 产品性能

中国首创超支化水性聚氨酯新材料顺应国家油转水技术政策而生，是对油性聚氨酯技术的突破，是在水性聚氨酯领域的首创技术，解决了油性聚氨酯耐高温能力弱、防腐蚀性能差、硬度低、高污染等问题，在应用层面首次成功研发出了耐高温稳定性强、防腐蚀性能佳、硬度高、绿色环保的超支化水性聚氨酯新材料。

超支化水性聚氨酯是一种含有多元醇及不饱和双键，具有特殊功能的高分子新材料，与市面上的油性聚氨酯相比防腐蚀性能提高了15 倍、耐高温性能提高了5 倍以上，生产符合GB/T 19250-2013 标准。

4.3 应用领域及竞争优势

超支化水性聚氨酯是耐高温稳定性强、防腐蚀性能佳、绿色环保无污染的新材料。油性聚氨酯耐高温稳定性差，仅能承受150 ℃的温度，而超支化水性聚氨酯能承受500～800 ℃高温，性能提高了5 倍以上。为顺应国家与社会需求，团队竭力研发高性能的水性聚氨酯，经过不断努力，成功研发出了一种耐高温稳定性强、防腐蚀性能佳、纯绿色环保的超支化水性聚氨酯新材料。油性聚氨酯是以溶剂为介质，且溶剂中含有许多有毒害物质，一旦生产过程中溶剂挥发，这些有毒物质会排放到空气中污染环境，而超支化水性聚氨酯以水为介质，绿色环保无污染，应用范围广泛。

4.3.1 航海船舶

经研究发现：航海船舶防腐蚀性差，原因是其表面使用了油性聚氨酯进行涂抹，且油性聚氨酯在防腐蚀实验中时间普遍不超过200 h，若将其暴露在空气中，该表面约半年就会被腐蚀，需要反复刷漆维持原状，防腐蚀性差。超支化水性聚氨酯耐酸碱、耐候性能佳，其防腐蚀性能力强，防腐蚀性达3 000 h（45 年），性能提高15 倍，减少了因自然环境、人为等因素造成的涂层腐蚀、脱落等危害。

4.3.2 轨道交通

交通工具经常日晒雨淋且在使用时会不断发热，为了解决这一问题，铁轨链接与地轨接触的地面材料可利用超支化水性聚氨酯，将超支化水性聚氨酯与其他基础材料结合，比普通材料更加耐高温，同时，可以解决其他的材料在暴晒与强暴雨等恶劣天气环境下的腐蚀以及运输工具在运行时发热等所产生的问题[9]。

4.3.3 C电子产品

21 世纪以来，手机已成为生活必需品，手机的耐摔性和光泽度一直是用户挑选手机品牌的重要参考指标。超支化水性聚氨酯新材料有着高硬度、光泽度高且耐油耐磨等优点，在满足客户多需求的同时，带给客户更好的体验。

5 市场前景预测

本团队产品定位为中高端客户，价格定位为5万元/ t，通过线上线下销售，为了占领市场，实施购买10 t 9.5 折，20 t 9 折，50 t 以上8 折，经销商8 折优惠，以优惠价格、高质量来吸引客户，通过广告、加盟销售商等方式继续推广，第一年预计销售155 t 超支化水性聚氨酯新材料，第二年预计销售375 t，第三年预计销售750 t、第四年预计销售1 500 t，第五年预计销售4 500 t。

5.1 店铺实现直销

公司人员密切关注并跟踪全国各市场水性聚氨酯材料的发展趋势，做好登记与反馈。各店铺做好宣传与推销工作，在各地开设连锁店，拓宽超支化水性聚氨酯新材料市场，以确保直销工作的顺利开展。

5.2 网店经销商实现代销

通过使用网店代销，由经销商替团队销售产品，使新材料被更多客户所熟悉和购买。同时，利用公司官网、行业网站、短视频平台等各网站进行推广，让真正对产品感兴趣的潜在客户了解产品或服务信息，缩短交易流程。

5.2.1 前期：适当给经销商降低价格

前期，团队可适当降低新材料的价格，给经销商和客户提供精美的产品图片和多种规格，使经销商有一定的利润空间，使经销商有和团队长期合作的欲望，进而发展更多的经销商，提升整体收益。

5.2.2 中后期：让出少部分股权

如果公司中后期门店也能顺利开设，发展更多的经销商，团队可以给予有意愿入股的经销商以现金或其他资产换取公司部分股权，当市场上具有渠道优势的几家经销商成为公司股东后，公司盈利时，它们将按持股比例获取更多利润，这样能有效提高经销商销售工作的积极性，在很大程度上提高盈利能力、降低财务风险。

5.3 与各类产品合作

新材料以防腐蚀性能佳、耐高温稳定性强为主要优势，这种超支化水性聚氨酯新材料不仅可以用在家具上，还能用于各类汽车、航海船舶、手机壳、核电站等以及建筑物内外墙上。团队和各类产品制造商合作，提供防腐蚀性能佳、耐高温稳定性强、绿色节能环保的超支化水性聚氨酯新材料，在合作推广的过程中使超支化水性聚氨酯材料融入各个领域，被更多的人所熟知。

5.4 线上线下推广

线上利用行业网站、短视频平台、微信公众号、论坛等进行产品推广；线下参加行业展会，如国际聚氨酯展览会、国际海洋新材料展会，打响产品品牌，开拓国际市场。

6 财务状况分析

6.1 股本结构

团队项目研发实施情况良好，超支化水性聚氨酯新材料不仅具有耐高温、防腐蚀、高硬度、高光泽等特点，还有无毒无味、无环境污染、耐老化、耐摩擦等优点，具有极大的经济效益和长远的发展空间，适合扩大再生产。

创业团队预计投入42%的资金用于产品研发，投入28%的资金用于运营，投入30%的资金用于购置设备。根据公司现状和未来5 年发展前景及整体盈利情况分析，对公司进行估值，公司估值2 000 万元，公司技术转化为专利产权变现后，公司预估值为1.47 亿元，财务融资结构如下：创业团队占总股本的100%，其中核心创始人占总股本的65%，其他创始人占总股本的35%。

6.2 投融资规划

6.2.1 资金需求

目前，团队项目尚处于创意阶段，项目实施情况良好，项目计划在2023 年1 月份注册公司，意向合作伙伴投资或者向投资公司融资200～500 万元人民币，拟通过出让10%～15%公司股权以获得资金支持。融资将用于：设备投入30%，研发投入42%，运营投入28%。

6.2.2 收入预测分析

公司生产的产品主要是超支化水性聚氨酯新材料，包括50 kg、200 kg、500 kg、1 000 kg 等包装规格，前两年每月平均生产产品30 t 左右。第三年后扩大再生产，产量大幅提高，结合公司扩张目标，做出了如下销售收入预测，未来5 年平均单价及销售收入如表1 所示。

表1 销售收入预测表

7 项目特色与社会效益

7.1 提升解决复杂问题的科学思维能力

打破固有思维，以赛促学、以赛促优，团队成员德技双修，品学兼优，具有新创业意识。项目充分体现了团队解决复杂问题的综合能力和创新思维；在项目推进过程中体现了团队成员的创新创业精神与能力[12]。

团队在教师指导下积极将创新创业理论与实践结合,不断提高动手能力和思维能力，形成创新意识，全面发展自己。团队成员具有不同学科背景，碰撞出项目新思维、新亮点，思政融合、德技双修，向成为“六有青年”目标靠近[15]。团队成员在参与项目实践中锻炼了自我，在校取得一、二、三等奖学金和国家励志奖学金，积极参加课外学术活动，在中国轻工业联合会发表论文，不断突破自我。

7.2 培育、孵化创新创业项目

学校建有1 个国家级实训基地、1 个国家级协同创新中心、1 个省级公共实训中心，与广东恒和永盛集团有限公司等企业共建1 个创业中心、2 个专业实训室，学校制定政策，提供2 个实验室、研发设备300 万元和经费50 万元，通过讲座、训练营孵化本项目。

学校通过开展创新创业培训讲座，培养学生创新创业能力；通过设立创新创业项目帮扶中心，孵化新材料项目；与企业合作为新材料项目创立研学基地，助力新材料技术发展；为项目提供研发场所、实验设备和经费，为新材料技术发展奠定坚实基础[13]。

7.3 带动就业

超能团队研发的超支化水性聚氨酯新材料代表新材料未来发展的方向。按照“政策扶持、创业培训、创业服务”的宗旨[14]，协调工商、税务等部门贯彻落实就业资金和各项税费减免政策，以优化创业环境，实现以创业带动就业。本团队项目企业预计可直接带动就业30 人，三年内增长至360 人。创业带动就业、围绕产业链与供应链——通过上下游完整产业链间接带动420 人就业，三年内增长至2 300 人。新材料联盟200 家企业——直接带动600 余人就业人数，预计2025 年直接带动300个就业岗位，间接带动1 500 个就业岗位[16]。

作为青年一代创新创业主力军的一员，超能材料团队正在奋力跑出中国创新的加速度。