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勇于创新,敢为人先,筑梦聚合物微纳“智”造
发表时间 2017-10-19 10:13 来源 本站原创

  ---------记北京化工大学机电学院吴大鸣教授团队

  1,巨型LED吊顶花灯 点亮金砖峰会

  2017年9月5日,金砖国家领导人第九次会晤在厦门圆满落下帷幕。经过十年发展,金砖国家早已成为促进世界经济增长,推动全球秩序变革和维护国际和平稳定的关键力量。今年,金砖国家合作将迎来第二个“黄金十年”。在各国领导人会晤期间,主会议室上方巨大的环形花灯格外惊艳,直径分别为9米和8米,为中国最大的塑料顶灯,这款巨型花灯是由北京化工大学、北京梵尔赛灯饰有限公司与温岭市旭日滚塑科技有限公司合作,投入大量的设计、研发、开模、打样等工作而完成的。该塑料灯罩以光学级聚合物树脂、有机光扩散剂、抗氧剂、阻燃剂、抗光老化剂等为原料,采用滚塑成型工艺和装备,在国内首次加工成型巨型双曲面几何构型的光学制件,这对塑料机械的应用领域无疑是一种全新的突破。

  图1. 2017年金砖会晤(厦门)会晤厅

  由于金砖厦门峰会的规格高,设计方提出了特别高的要求。首先是安全性,巨型塑料灯罩的强度以及刚度必须要达到安全标准,确保使用安全;第二则是光效好,透光率高,雾度高,显色性要达到90%以上,以保证色彩的还原度;第三则是材料的阻燃、环保以及无气味、无毒无害等方面的环保要求更是硬指标。虽然单个要求都很容易解决,但所有要求叠加起来,则难度非常大,这需要一个综合解决方案,从配方、工艺以及模具等多方面综合处理。而在制造方面的难度首当其冲的则是大!直径9m多的大型灯罩在生产上本身就存在着难度,而且还是双曲面光学制件,产品制造难度可想而知。从接到上级任务到安装完成仅两个月,团队的师生们克服了重重困难,出色地完成了相关工作。采用多项新技术的巨型顶灯,造型美观、光效出色、制造精良,与会晤大厅独具匠心的精美内饰交相辉映,成为“金砖五国”会晤场所的一道亮丽风景线。成功的取得,凝聚了吴大鸣教授团队多年来在高效配光材料和聚合物先进成型加工技术方面技术创新之精华。

  2,聚合物微纳制造技术研发平台

  我国是塑料制品的生产和应用的大国,塑料消费量位居世界之首,但高端产品却大量依赖进口。塑料工业在经历了过去15年间的高速增长之后,已开始从稳步增加产能向大力推进技术进步和产品升级换代转变。中国制造2025已成为全面提升我国制造业整体水平的行动纲领,做为我国重要的制造业,塑料加工技术的升级和换代将集中聚焦在信息化和智能化制造上,而信息化和智能化制造需要一系列前沿技术的支撑。从本世纪初开始,发达国家兴起了纳米制造的热潮,历经10余年的发展,一系列微纳米器件、微纳米系统、微纳米机械、纳米功能材料被研发出来并开始得到应用。其中,以聚合物为材料的微纳系统被认为最具产业化价值的微纳系统,其原因在于聚合物微纳制件可以通过注射、挤出、压印等方法实现高效、低成本、规模化制造。为了更好地研发聚合物微纳制造技术,吴大鸣教授于6年前开始建设聚合物微纳制造技术研发平台,在国家自然科学基金等项目的支持下,已建成微注塑、微挤出、纳米热压印、纳米紫外压印等实验系统,在微结构光扩散材料、微结构漫反射材料、纳米仿生功能材料、微纳米医用器件、微纳米强制组装复合功能材料等方面开展了理论研究和技术开发。

  通过系统深入的理论研究和技术创新,研究团队已经取得了系列研究成果:

  (1) 面向LED照明的高效微透镜配光材料

  LED灯具具有节能、光效高、环保等优点,然而高炫光是LED舒适照明的一个重要诟病。为了解决LED眩光问题,需要采用光扩散板、导光板、光反射板等配光材料来实现光线的均匀化。传统方法是在扩散板中加入大量的扩散粒子以消除眩光,使光照均匀化,但要想达到较理想的扩散效果,必须付出光效降低30%以上的代价,使得LED光源的节能效果大大折扣。为了解决这一问题,团队研发了表面具有微透镜阵列的光扩散板和漫反射板,由于表面微透镜阵列的存在,在相同光扩散效果下材料中扩散粒子的添加量可以有较大幅度的降低。另一方面,采用微透镜阵列的漫反射材料,可以将传统灯具中容易产生的有害眩光转变为均匀分布的有用光。采用上述基于微透镜阵列的高效配光材料的LED灯具的高效可以提高20%以上,研究成果已经开始推广应用。

  (2)强制组装法制备超高性能聚合物导电/导热复合材料

  为了满足各领域对聚合物材料高性能化和功能化的要求,广泛化学改性、共混改性、合金化等手段,对基础聚合物进行化学修饰和物理复合,开发出一系列不同性能和功能的聚合物基复合材料,实现了产业化生产和规模化应用。在众多聚合物复合材料中,导电/导热复合材料一直受到学术界和产业界的极大的关注。这一方面是由于聚合物材料有良好的物理机械性能、耐腐蚀性能和成型加工性,应用领域广泛;另一方面,由于大多数聚合物材料为绝缘和隔热材料,想使其变为导电和导热材料,在方法和技术上有极大的挑战。

  现有导电(导热)复合材料的成功主要归功于在复合材料中构建连续的导通网络,使得导电(导热)性能的大幅度提升,其中填料“自组装成网”机制功不可没。人们利用复合材料中填料达到一定浓度时,填料间的团聚力大于基体聚合物的“阻聚力”时,会发生“就近团聚成网”的机制,通过配方和工艺的控制,就可以制备出“自组装成网”的导电(导热)复合材料。由此看出:“自组装成网”机制堪称神奇,机械剪切(拉伸)分散一结束,填料就会自动在聚合物基体中编织所期待的网络。然而,“成也萧何败也萧何”。在入门痴迷于“自组装成网”的神奇且将其功效发掘到极致的同时,却无奈地发现:自组装机制形成的网络不够密实且难以调控,原因在于自组装网络的密实程度是由填料团聚力和基体聚合物的阻聚力的平衡所决定,由于基体聚合物的粘度高导致阻聚力大,限制了填料足够接近,只能得到相对松散的网络,这正是共混型复合材料导电(导热)性能难以进一步大幅度提升的瓶颈问题。

  针对聚合物导电(导热)复合材料性能进一步大幅度提升所面临的上述瓶颈和困惑,北京化工大学吴大鸣教授领导的研究团队,基于对聚合物导电(导热)复合材料的电(热)传导机理和制备方法进行系统深入的分析和反思,提出了大幅度提高复合材料导电(导热)性能的新方法:空间限域强制组装法(SCFNA)。该方法的实质,是通过对共混体系进行空间限域挤压和界面微纳米机械组装,将机械外力场与填料的自组装力正向叠加形成远大于自组装力的强制组装力,强制“挤走”填料粒子间的聚合物,实现了导电导热网络的密实化,在导电导热填料含量不变的前提下,复合材料的导电性能提高2-4个数量级,导热性能成数倍的提高。通过制备方法的创新,实现了用“强制组装”方法替代目前“自组装”方法构建导电导热网络的重要突破,相关研究得到业内同行的高度关注,有望较大程度地推进聚合物基导电导热复合材料技术的进步。在中国塑料加工工业协会编制的《“十三五”技术进步指导意见》,将“跨尺度强制组装聚合物基导电/导热复合材料制备技术”列为“十三五”重点研发的前沿技术。

  (3)高效聚合物微纳成型装备的研究

  微纳器件和微纳结构功能材料的工程化推广应用,离不开高效的微纳成型装备。近年来,团队与国内塑料装备的顶级企业开展了高效聚合物微纳成型装备的研发。研发装备包括微注塑机、微挤出机等国外相对成熟而国内空白的装备,还研发了具有自主知识产权的类固态等温微纳米热压印成型技术和装备。

  其中,类固态等温微纳米热压印成型装备,是基于该团队提出的类固态等温热压印方法研发的专用装备。该方法突破了传统P2P微纳米热压印的工艺禁区,将压印工艺窗口下移至接近聚合物玻璃化转变区(无定型聚合物)或热变形温度(结晶性聚合物)的“类固态”,同时采用全加工周期模具恒温的工艺,成型周期从10分钟以上,降低至20秒左右,效率提高30倍以上,解决了传统微纳热压印方法因成型周期超长导致难以得到工程化应用的瓶颈问题,展现出很好的应用前景。

  图2. 类固态等温微纳米热压印机

  3. 产学研紧密合作 推进塑料加工业的升级换代

  研究团队在深入开展聚合物微纳成型机理研究,进行微纳材料、微纳器件和微纳系统制造方法创新的同时,紧密追踪国际相关领域的技术前沿,聚焦微电子、显示材料、微光学、生物医学、介入医学、微纳传感器、航空航天材料、仿生功能材料等领域的重大需求,研发高端材料、器件和系统的工程化制造技术和装备。已在如下方面取得实验室阶段的成果:可用于酸奶包装的微纳仿生超疏水包装材料、可以用无痛给药的聚合物微针材料、基于强制组装技术的高柔性导电复合材料制件(平面塑料导线、电磁屏蔽薄膜、柔性传感器等)、基于强制组装技术的高柔性导热复合材料制件(平面导热材料、导热散热一体化材料及器件等)、热压印法超波(0.2 mm)超薄导光板、仿蛾眼纳米抗光反射薄膜等。

  图3. 微纳复合结构超疏水(酸奶)材料

  团队成员理论基础扎实、创新意识强、工程背景深厚、专业结构合理,承接过多项国家自然科学基金、973计划项目、国家科技支撑计划项目,以及数十项与企业间的科技合作项目,一些科技成果已经得到了推广应用并取得了良好的经济和社会效益。近5年先后获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项。团队真诚希望与相关领域国内外有实力、有内涵,注重创新发展的企业开展产学研合作,推进科技成果的产业化。

  吴大鸣教授简介:现任北京化工大学教授,博导,塑料机械及塑料工程研究所所长、高分子材料加工装备教育部工程研究中心主任,中国塑料机械工业协会专家委员会常务副主任,中国塑料加工工业协会专家委员会副主任。近年来主持国家自然科学基金面上项目2项、国防973(课题)1项,参加国家科技支撑重点项目2项,主持与企业间的技术开发和技术转让项目10余项,获得国家发明专利36项,发表科技论文260余篇。获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项。