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中科院兰州化物所“基于湿法凹凸棒石高值利用关键技术开发与应用”项目拟参评2018年度国家技术发明奖二等奖
来源:中国粉体技术网    更新时间:2018-03-13 09:11:23    浏览次数:
 
  2018年1月3日,甘肃省科技厅公布了拟提名2018年度国家科学技术奖项目,由中国科学院兰州化学物理研究所完成的“基于湿法凹凸棒石高值利用关键技术开发与应用”项目拟参评2018年度国家技术发明奖二等奖。
  
  我国凹凸棒石资源丰富,但利用水平和产品附加值不高,技术瓶颈是天然形成的凹凸棒石以伴生矿居多和纳米棒晶以棒晶束形式聚集,利用传统的干法或半干法处理不能实现其高值利用。该项目经过10多年系统研发,突破了湿法低品位凹凸棒石转白、伴生矿同步转化和凹凸棒石棒晶束无损高效解离关键技术,开发了凹凸棒石纳米无机凝胶、霉菌毒素吸附剂、类玛雅蓝颜料和棕榈油脱色剂高附加值产品并实现产业化应用。
  
  该项目实现了应用导向的凹凸棒石结构调控和功能化设计,从关键技术发明到高值产品开发,形成了具有自主知识产权的完整工艺技术包和技术发明链,解决了长期制约凹凸棒石资源高值利用的关键瓶颈。该项目所建立的技术体系显著提升了我国凹凸棒石的自主研发水平,对促进凹凸棒石产业转型升级和创新发展具有重要意义。
  
  1、项目简介
  凹凸棒石是一种具有规整孔道(0.36 nm×0.64 nm)和纳米棒晶结构(棒晶长约1-5 μm,直径约20-70 nm)的天然一维纳米材料。我国凹凸棒石资源丰富,但利用水平和产品附加值不高,主要瓶颈因素是低品位凹凸棒石色泽深和伴生矿组成复杂,同时天然形成的凹凸棒石棒晶大多以鸟巢状或柴垛状聚集,利用传统干法工艺无法实现纳米功能化高值应用。该项目在863等项目支持下历时10年,突破了湿法低品位凹凸棒石结构性转白、伴生矿高效转化和凹凸棒石棒晶束无损解离关键共性技术难题,形成了具有自主知识产权的完整工艺技术包,在高值化产品开发及应用方面取得重大创新。
  
  该项目主要技术内容包括:
  (1)发明了低品位凹凸棒石结构性转白关键制备技术,利用既具有还原性、又具有酸性和离子络合能力的有机酸,选择性梯度溶出八面体中的致色离子,在转白的同时完整保留了凹凸棒石的规整孔道和纳米棒晶,解决了八面体溶蚀引起纳米棒晶损伤的技术难题,实现在涂覆锂离子电池隔膜涂层和增韧补强塑料母粒中的应用;利用凹凸棒石伴生矿和八面体溶出离子,攻克了宏量制备纳米功能材料的技术难题,实现了伴生矿的高值利用和溶出离子的有效利用。
  
  (2)发明了凹凸棒石棒晶束高效无损解离制备新技术,形成了“对辊处理-制浆提纯-高压均质-乙醇交换”一体化工艺,解决了棒晶束解离过程中棒晶损伤和干燥过程中二次团聚的技术难题,实现了凹凸棒石从矿物材料到纳米材料的转变;通过棒晶表面的电荷调控和功能基团组装,开发了凹凸棒石纳米无机凝胶和霉菌毒素吸附剂产品,实现了凹凸棒石棒晶的纳米功能性应用。
  
  (3)发明了高压均质力场促进凹凸棒石纳米孔道与有机分子原位组装新技术,显著提升了有机/无机复合材料的杂化效率;采用湿法工艺首次实现了系列颜色鲜艳类玛雅蓝颜料的高效制备,破解了类玛雅蓝颜料工业化稳定生产技术难题,产品在耐候性和防腐涂料中得到应用。
  
  (4)发明了凹凸棒石原位组装固体酸活性吸附位点制备技术,首次用湿法工艺实现了毛棕榈油高效脱色剂的规模化制备;利用废弃脱色剂和吸附剂通过原位炭化技术,制备了生物炭/凹凸棒石复合材料,实现了废弃物的循环利用。
  
  该项目申请国家发明专利50项,已获授权24项,从关键技术发明到高值产品开发,形成了覆盖该项目关键技术的核心专利群。出版了《凹凸棒石黏土应用研究》和《凹凸棒石棒晶束解离及其纳米功能复合材料》2部专著,合作制定国家标准和行业标准各1件。发表SCI论文101篇,他引1808次。形成的高端产品各项性能指标达到或超过国外同类产品的技术水平,显著增强了我国凹凸棒石产业的核心竞争力,近三年新增销售额达7.11亿元。基于湿法低品位凹凸棒石转白、伴生矿同步转化和凹凸棒石棒晶束解离技术的突破,解决了长期制约我国凹凸棒石高值化利用和产业发展的关键共性问题。相关成果获甘肃省技术发明奖一等奖1项,江苏省科学技术奖一等奖1项。
  
  2、项目学术性评价
  该项目发表SCI论文101篇,他引1808次。第一完成人王爱勤是目前国内外发表凹凸棒石SCI论文最多的作者,2014-2016连续3年入选Elsevier中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)化学工程榜单前5位,2017年入选全球 “高被引科学家(2017 Highly Cited Researchers)”工程学榜单。由于在先进材料科学与技术领域做出的贡献,获国际先进材料协会(International Association of Advanced Materials,IAAM)颁发的2017年IAAM Medal和中国非金属矿工业协会成立30周年“优秀科技工作者”。该项目共有6篇论文入选ESI高被引论文,鉴于在凹凸棒石研究方面的影响,受邀在美国黏土矿物学会第55届年会上,组织凹凸棒石专题会议。
  在不损伤凹凸棒石棒晶前提下,实现棒晶束的高效无损解离是公认的世界性难题。鉴于项目组的系统创新研究工作,受邀在黏土矿物主流专业期刊《Applied Clay Science》上撰写综述文章,入选Top 1%ESI高被引论文。棒晶束解离系列论文先后被发表在Chem Soc Rev、J Membrane Sci、Chem Eng J、Adv Funct Mater 等顶尖期刊的论文所引用评价。葡萄牙里斯本大学引述评价:“通过高压均质技术实现了棒晶束的高效解离,为提升凹凸棒石复合材料的性能奠定了基础(J Mater Chem A 2015, 3, 14696)。
  凹凸棒石伴生矿物同步转化制备介孔材料的研究工作发表在 Chem Eng J 权威期刊,入选年度Top 1%ESI高被引论文。西班牙马德里材料科学研究所在综述论文中引述评价:“Wang等人通过甘氨酸改性,实现了凹凸棒石伴生矿物的演化,为凹凸棒石功能应用奠定了基础(Adv Polym Sci 2015, 267, 39);有关凹凸棒石类玛雅蓝的研究工作发表后被Eduardo Ruiz-Hitzky教授评述:“Wang等人充分利用凹凸棒石独特的纳米孔道与亚甲基蓝和阳离子红等染料相结合,制备了色彩丰富的类玛雅蓝颜料,表现了出优异的稳定性”(Prog Polym Sci 2013, 38, 1392)。“类玛雅蓝颜料的成功制备为新型黏土矿物纳米杂化材料的研制提供了新的思路(Chem Soc Rev 2015, 44, 7207)。
  2007年化学工业出版社出版了《凹凸棒石黏土应用研究》(共11章58万字);2014年科学出版社出版了《凹凸棒石棒晶束解离及其纳米功能复合材料》(共10章94万字),得到了中国科学院科学出版基金的资助。中国工程院薛群基院士先后为2本专著写序,认为“非金属矿在我国储量丰富,但它属于不可再生资源,提高资源利用率和开发高附加值的产品离不开技术的持续创新”;“从凹凸棒石棒晶束解离关键技术入手,解决制约凹凸棒石黏土应用的瓶颈,对拓展凹凸棒石黏土的应用范围和链接七大新兴战略产业具有重要的意义”;“目前凹凸捧石产业正处在由传统产业向新兴产业的过渡期,相信该书的出版将有助于进一步推动我国凹凸棒石的深入研究和拓展应用”。
  
  3、项目应用评价
  (1)锂离子电池隔膜领域:江苏清陶能源科技有限公司应用评价是“采用具有孔道结构和比表面积较大的凹凸棒石纳米棒晶,突破了涂覆工艺制备锂离子电池隔膜关键技术,使隔膜的锂离子传导率提高33%,电池内阻降低26%,耐热使用温度提升15.7%,电池容量保持率和循环寿命提升到领先水平”。
  (2)凹凸棒石纳米棒晶增韧补强领域:广东壹豪新材料科技股份有限公司应用评价是“凹凸棒石纳米棒晶具有优异的增韧补强作用,可降低结晶型塑料成核温度;在PET塑料中添加1%纳米棒晶,材料拉伸强度≥120 MPa,悬臂梁缺口冲击强度≥90 J/m,弯曲强度≥175 MPa,弯曲模量≥8900 MPa,模温≤90℃,产品性能已达到杜邦FR530产品水平”。
  (3)凹凸棒石胶体和吸附应用领域:展辰新材料集团股份有限公司应用评价是“凹凸棒石纳米无机凝胶用于高端水性涂料中其增稠、悬浮和触变性能与Attagel 50产品相当,优于国产有机化膨润土产品”。神力特生物科技股份有限公司应用评价是“凹凸棒石玉米赤霉烯酮吸附剂产品吸附率超过93%,产品性能超过国外高端产品水平,具有好的性价比,打破了国外公司的市场垄断”。
  (4)凹凸棒石在高端耐候性涂料中应用:西北永新涂料有限公司应用评价是“凹凸棒石类玛雅蓝颜料在涂料中易于分散,聚氨酯水性涂料和地坪涂料应用证明,耐候性和耐磨性优异,显著提升了产品的市场竞争力”。
  
  4、其他
  该项目参与制订了《食品添加剂凹凸棒粘土》(GB 29225-2012)国家标准和《凹凸棒石粘土制品》(JC/T 2266-2014)行业标准,包括凹凸棒石纳米无机凝胶等12个产品。“凹凸棒石棒晶束解离关键技术创新及其产业化应用”获得2015年度江苏省科学技术一等奖,“低品位凹凸棒石关键共性技术研发及应用” 获得2017年甘肃省技术发明一等奖。
  该项目成果于先后与西北永新涂料有限公司、马来西亚The W clay industries sdn bhd公司和江苏神力特生物科技股份有限公司等签署全面合作协议,实现了产品的产业化生产。具有规整孔道的纳米棒晶应用于江苏清陶能源科技有限公司和广东壹豪新材料科技股份有限公司;纳米无机凝胶产品在江苏省华源矿业有限公司实现生产,达到德国巴斯夫Attagel产品水平,实现了出口创汇;无机凝胶和类玛雅蓝颜料产品应用于展辰新材料集团股份有限公司、西北永新涂料有限公司、南京长江涂料有限公司和西安经建油漆股份有限公司高端涂料产品中,提高了涂料的触变性、稳定性和耐候性;食用油脱色剂产品技术应用于盱眙欧佰特粘土材料有限公司和盱眙国盛矿工业发展有限公司,产品在国内中粮集团等用户和国外马来西亚油品公司用户获得应用;霉菌毒素吸附剂产品技术在江苏神力特生物科技股份有限公司实现生产,产品在温氏集团股份有限公司推广应用;生物炭/凹凸棒石复合材料在江苏永威环境科技股份有限公司等单位重金属污染土壤修复中得到应用。

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