蔣雪峰 蔡巧玉

固液界面是多組分、多相復(fù)合體系最常見的界面之一。固液體系是重大工業(yè)過程中遇到最多的兩相復(fù)合體系，例如，煤化工水煤漿加壓氣化的第一步需要制得穩(wěn)定的高濃度水煤漿，而高濃度水煤漿就是呈固態(tài)的煤顆粒與水形成的固液體系；又例如，聚烯烴高性能化過程通常在聚烯烴熔融溫度以上將非金屬無機填料或纖維（呈固態(tài)）填充到聚烯烴熔體（呈液態(tài)）中形成填充聚烯烴的固液體系；再例如，農(nóng)藥制劑是將固體原藥均勻分散在水或非水介質(zhì)中形成懸浮液，這種懸浮液也屬于固液體系。固液體系，如前述的高濃度水煤漿、填充聚烯烴和農(nóng)藥制劑在制備、儲運和使用過程中，都無一例外要求固體在液體中穩(wěn)定分散。但由于固體和液體，如煤和水、非金屬無機填料或纖維和聚烯烴熔體、化學(xué)農(nóng)藥原藥和水或非水介質(zhì)各對的組成、結(jié)構(gòu)和物性存在顯著差距，形成熱力學(xué)不穩(wěn)定體系，在重大工業(yè)過程中，常會因界面不相容，導(dǎo)致兩相分層甚至于固體沉淀，堵塞管線，危及安全的問題發(fā)生。

建立普適、實用的固液體系分散穩(wěn)定理論，研發(fā)高效、穩(wěn)定的固液體系分散穩(wěn)定技術(shù)，具有重要的理論意義和廣闊的應(yīng)用前景。長期從事多組分、多相復(fù)合體系界面研究的南京大學(xué)、南京師范大學(xué)教授沈健帶領(lǐng)由化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)與工程、化學(xué)工程與技術(shù)、儀器科學(xué)與技術(shù)、計算機科學(xué)與技術(shù)等學(xué)科背景師生組成的團(tuán)隊進(jìn)行了長期不懈的努力，為解決這一難題交上了一份漂亮的答卷。

理論發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新

我國是一個煤炭大國、聚烯烴產(chǎn)銷大國和農(nóng)業(yè)大國，采用潔凈煤技術(shù)（水煤漿技術(shù)是潔凈煤技術(shù)之一），實現(xiàn)聚烯烴高性能化和開發(fā)高載、緩釋的環(huán)境友好型農(nóng)藥制劑對科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生態(tài)文明至關(guān)重要。在國家及省部級計劃的支持下，沈健團(tuán)隊在前人工作的基礎(chǔ)上，歷經(jīng)23年系統(tǒng)、深入研究，最終完成了“基于界面調(diào)控機理的固/液體系分散穩(wěn)定技術(shù)及應(yīng)用”，取得理論發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的突破。

他們揭示了固液體系分散的穩(wěn)定機制，確定了影響體系分散穩(wěn)定的四要素，固體密度、液體密度、固體粒徑和固液界面張力，首次將固體和液體的物性與影響固液體系分散穩(wěn)定的要素聯(lián)系起來，創(chuàng)建了體系分散穩(wěn)定的力學(xué)模型；率先提出在重大工業(yè)過程中，通過調(diào)控界面張力γ和固體粒徑2R，實現(xiàn)體系分散穩(wěn)定的策略。為基于界面調(diào)控和粒徑優(yōu)化的體系分散穩(wěn)定技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用提供的理論指導(dǎo)。成果獲江蘇省科技進(jìn)步獎一等獎。國際著名期刊Chemical Reviews（《化學(xué)綜述》）封面介紹了該成果。

基于上述理論，他們發(fā)明了用于界面調(diào)控的三元共聚物（NDF）。經(jīng)系統(tǒng)研究建立了NDF分子量、主鏈結(jié)構(gòu)、排列方式、序列長度l、m、n和親水基團(tuán)R1、R2種類及數(shù)量對各種固體顆粒在水或非極性液體中分散能力的構(gòu)效關(guān)系，為高效、精準(zhǔn)調(diào)控固液體系界面張力的NDF分子設(shè)計及技術(shù)應(yīng)用提供了依據(jù)；針對不同體系，通過創(chuàng)新合成技術(shù)，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，發(fā)明了帶有不同主鏈結(jié)構(gòu)、序列長度、排列方式和親水基團(tuán)種類、數(shù)量，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三大類15個品種系列三元共聚物 NDF，成果獲中國石油化工聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明獎一等獎、中國石油化工聯(lián)合會優(yōu)秀專利獎。建成年產(chǎn)6萬噸NDF的生產(chǎn)線，為工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。NDF被列為國家重點新產(chǎn)品。還研發(fā)了重大工業(yè)生產(chǎn)過程中動態(tài)優(yōu)化固體粒徑分布技術(shù)（NDJ）。與NDF配合，解決了大固液密度差體系分散穩(wěn)定長期未能攻克的難題；突破了均一粒徑固體顆粒的堆積密度極限，提高了體系的固液比，增加了體系中固體顆粒的加入量，改善了體系性能；首次實現(xiàn)了在設(shè)備磨耗情況下不中斷生產(chǎn)、及時補充、在線優(yōu)化固體顆粒粒徑分布，提高了生產(chǎn)效率。

該項目共授權(quán)中國發(fā)明專利13項、美國發(fā)明專利1項、中國計算機軟件著作權(quán)2項；發(fā)表論文47篇，累計他引2396次；出版專著1部，累計他引646次；獲省部級科學(xué)技術(shù)獎一等獎3項；培養(yǎng)界面化學(xué)方向研究生58名。項目技術(shù)推廣應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化，已培育和參與2家企業(yè)上市，累計獲各類科研經(jīng)費、貸款貼息和專利許可收入2635.8萬元，累計新增銷售額183.5億元，新增利潤23.3億元，其中近3年累計新增銷售額78.5億元，新增利潤12.4億元。推動了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

項目成果應(yīng)用于煤化工領(lǐng)域難成漿煤種高濃度水煤漿制備和工業(yè)廢水循環(huán)利用制水煤漿中，制定了中國第一部燃燒用和氣化用水煤漿添加劑產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)；通過調(diào)控NDF分子中丙烯酸或馬來酸序長和芳環(huán)的種類和數(shù)量，解決了高內(nèi)水煤種難成漿難題，提高了制漿煤種適應(yīng)性；通過調(diào)控NDF分子量、序列長度l、m、n、排列方式和不同種類、數(shù)量的親水基團(tuán)R1、R2，提高煤漿濃度至少2個百分點；降低煤漿粘度至少200mPa·s-1、水煤漿存放45天無沉淀；解決了水煤漿連續(xù)制備、添加劑合理使用和工藝條件可控的問題，實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)中動態(tài)優(yōu)化固體粒徑及其分布，在煤種突變或設(shè)備磨耗的情況下，不中斷生產(chǎn)，及時優(yōu)化。汕頭市南方水煤漿有限公司應(yīng)用該技術(shù)用本單位工業(yè)廢水制水煤漿，年節(jié)水10萬噸，實現(xiàn)了減排，節(jié)約了資源，保護(hù)了環(huán)境。全球最大聚氨酯生產(chǎn)廠家——萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，應(yīng)用項目成果技術(shù)累計新增銷售額19.5億元、利潤9.2億元，近3年累計新增銷售額13.9億元、利潤6.1億元。

項目成果應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料領(lǐng)域填充聚烯烴高性能化，首次將固體粒徑及其分布優(yōu)化理論和技術(shù)引入到聚烯烴填充改性領(lǐng)域，與傳統(tǒng)工藝相比，不僅降低填充聚烯烴的加工溫度15℃～30℃、提高熔體流動速率17%～33%，還顯著提高填充聚烯烴的力學(xué)性能10到95個百分點。南京聚隆科技股份有限公司運用項目成果技術(shù)，累計新增銷售額34.9億元、利潤2.1億元，近3年累計新增銷售額17.1億元、利潤0.7億元。利用項目專利技術(shù)培育上市公司1家。

項目成果應(yīng)用于農(nóng)藥領(lǐng)域制劑創(chuàng)新，采用納米氧化石墨烯或納米改性蒙脫土作為載體，結(jié)構(gòu)可調(diào)的含磷酸基、多羧基三元共聚物作為分散劑，制得高效、環(huán)境友好的氟啶胺、吡蟲啉、氯氟氰菊酯、甲維鹽、阿維菌素等農(nóng)藥制劑。制劑的載藥量提高50%，水溶性提高400倍，抗蟲活有效期大于14天，具有pH響應(yīng)的控緩釋性能，可穩(wěn)定分散1年以上；大田試驗顯示，可明顯減少等效農(nóng)藥用量和提高等施藥量農(nóng)藥效果。全球主要農(nóng)藥生產(chǎn)廠家江蘇揚農(nóng)化工股份有限公司及其全資子公司江蘇優(yōu)嘉植物保護(hù)有限公司應(yīng)用項目成果技術(shù)累計新增銷售額18.2億，新增利潤3.7億元，近3年累計新增銷售額12.7億元，新增利潤2.6億元。利用項目專利技術(shù)參與上市公司1家。

學(xué)科建設(shè)和服務(wù)社會

1982年年初，在南京大學(xué)本科畢業(yè)后，沈健留校讀研并任教，一直從事多組分、多相復(fù)合體系界面化學(xué)和生物醫(yī)用高分子材料研究，他是固液體系穩(wěn)定分散模型和維持自然狀態(tài)功能化學(xué)說的創(chuàng)立者，在線檢測、動態(tài)調(diào)控固體粒徑及其分布技術(shù)（NDJ技術(shù)），用于界面調(diào)控的三元共聚物結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)（NDF技術(shù)）和表面構(gòu)建兩性離子的生物相容技術(shù)（ZSM技術(shù)）的發(fā)明人。截至2019年年底，主持22項國家和部省級科研項目；出版專著3本，在Chem. Rev.、Nat. Commun.、Adv.Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Biomaterials等國際核心期刊發(fā)表論文500余篇，累計他引超6000次；授權(quán)中國發(fā)明專利63項、中國計算機軟件著作權(quán)5項；制定中國第一部燃燒用和氣化用水煤漿添加劑標(biāo)準(zhǔn)；獲國家級教學(xué)成果獎二等獎1項，省部級教學(xué)成果獎一等獎3項，省部級科學(xué)技術(shù)獎一等獎4項、二等獎3項。

2002年，已是南京大學(xué)黨委副書記兼江蘇省界面化學(xué)工程技術(shù)研究中心主任的沈健接到一紙調(diào)令，來到了南京師范大學(xué)任黨委書記。當(dāng)時，正是學(xué)?；瘜W(xué)和材料學(xué)科發(fā)展方向的艱難時期。針對一所師范類高校到底要不要開展科學(xué)研究，能不能組織工程技術(shù)研究，很多人持不同的態(tài)度。雖然外界議論紛紛，但沈健心中早已有底。來到南京師范大學(xué)后，他邀請國內(nèi)化學(xué)和材料學(xué)科的著名專家來校講學(xué)，拓寬校領(lǐng)導(dǎo)和廣大教師的思路，召集校內(nèi)化學(xué)和材料方向的專任老師共同探討了化學(xué)系和材料專業(yè)未來的發(fā)展方向。在他的帶領(lǐng)下，大家逐步統(tǒng)一了認(rèn)識：“南京師范大學(xué)的目標(biāo)是建設(shè)有特色的世界一流大學(xué)，必須有包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物學(xué)在內(nèi)的一流的學(xué)科奠定一流大學(xué)的基礎(chǔ)；南京師范大學(xué)的使命之一是培養(yǎng)各類教育的師資，只有搭建高水平研究平臺，讓學(xué)生參與研究，在實踐中培育科學(xué)精神、增強社會責(zé)任、奠定理論基礎(chǔ)、提高實踐能力；南京師范大學(xué)地處南京，是江蘇的一所高水平大學(xué)，應(yīng)該發(fā)揮學(xué)科、人才等優(yōu)勢，發(fā)展材料專業(yè)，建好工程平臺，努力為江蘇的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展多做貢獻(xiàn)?！?/p>

思想統(tǒng)一、目標(biāo)明確，凝心聚力，不懈努力，不僅使材料學(xué)科獲得新生，也為化學(xué)學(xué)科的發(fā)展注入活力。2003年開始，江蘇省生物功能材料重點實驗室、江蘇省生物醫(yī)藥功能材料工程技術(shù)研究中心、江蘇省生物醫(yī)藥功能材料協(xié)同創(chuàng)新中心、生物醫(yī)藥功能材料國家地方聯(lián)合工程研究中心陸續(xù)成立，江蘇省生物醫(yī)藥材料測試服務(wù)中心通過國家技術(shù)監(jiān)督局GM認(rèn)證，沈健兼任上述研究機構(gòu)主任，身體力行，并帶領(lǐng)師生務(wù)實推進(jìn)。

上述中心（重點實驗室）以化學(xué)、材料科學(xué)與工程、生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和藥學(xué)等學(xué)科為主要支撐，聯(lián)合國內(nèi)外著名大學(xué)、科研機構(gòu)、醫(yī)院和省內(nèi)部分企業(yè)，協(xié)同開展植/介入生物醫(yī)用材料及器械、新型藥用材料及化學(xué)新藥、材料和生物體相互作用、化學(xué)、生物新能源技術(shù)及應(yīng)用等方向的科學(xué)研究、人才培養(yǎng)和學(xué)科平臺建設(shè)。

在重視理論研究的同時，平臺還大力開展應(yīng)用性、工程性課題的研究，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。在生物醫(yī)藥功能材料的分子設(shè)計、制備工藝、生物評價、中試放大、器械制造和臨床試驗等方面都做了積極探索。至今已承擔(dān)國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目、科技部重大基礎(chǔ)研究前期研究專項項目、國家自然科學(xué)基金國際交流項目、重點和面上等科研項目超過200項，發(fā)表SCI/EI收錄論文700余篇，申報國家發(fā)明專利100多項，并參編出版專著及教材10本。

在大家的努力下，在不到十年的時間內(nèi)，南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院在學(xué)科建設(shè)、科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、服務(wù)社會等方面都取得了重大進(jìn)展?；瘜W(xué)和材料學(xué)雙雙進(jìn)入ESI前1%行列。

“我們下一階段的目標(biāo)是：按照國家‘雙一流建設(shè)和江蘇省高水平大學(xué)建設(shè)的要求，在學(xué)校的統(tǒng)一部署下，培育建設(shè)世界一流學(xué)科和國際知名學(xué)科，為學(xué)校建設(shè)有國際影響的高水平大學(xué)奠定堅實的學(xué)科基礎(chǔ)。繼續(xù)堅持頂天立地，大力推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新，為經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科學(xué)發(fā)展多做貢獻(xiàn)?！闭雇磥?，沈健信心滿滿。