为了中国的“可消失塑料”
文 ｜ 《中国科学报》 记者 温才妃
灰蓝色的海面上，一船船“洋垃圾”在汽笛声中进入中国海域。海边的小镇上，红色、蓝色、绿色的塑料饮料瓶密密匝匝，像小山一样堆起来。
从20世纪80年代起，中国曾有20年备受“洋垃圾”困扰。单是塑料垃圾，我国的输入量就占全球的70%。广东、浙江是接收“洋垃圾”的大省，当地许多居民靠拆解洋垃圾过活，镇上的河水、井水也因此变成黑水。
在报纸上看到“洋垃圾”的新闻时，还在美国宾夕法尼亚大学从事生物物理与生物化学专业博士后工作的陈学思心痛不已，想通过自己的科研工作，为祖国消除“洋垃圾”中的“白色污染”尽一份力。
1999年，陈学思归国加入中国科学院长春应用化学研究所（以下简称长春应化所）。通过20多年的不懈努力，他离自己当时设定的科研目标越来越近。
一拍即合，做中国人自己的聚乳酸生产线
而白骅眼中的长春应化所研究员陈学思，思维活跃、衣着简单，丝毫没有“派头”，与刻板印象里的科学家相去甚远。
1999年10月，在时任长春应化所副所长董丽松的牵线下，两人一见如故，聊了很久。他们聊的话题是一种“明星”环保材料——聚乳酸。它看起来就像一颗颗晶莹、略发白的米粒，与普通的塑料颗粒并无二致。可就是它，把“从自然中来，到自然中去”的特性发挥得淋漓尽致，从源头上切断了一次性包装塑料带来“白色污染”的可能性。
聚乳酸树脂。
聚乳酸是一种绿色塑料，取材自玉米、木薯、纤维素等，在一定化学工艺下变为树脂原材料，可制成吸管、餐具、地膜、手术缝合线、骨钉、骨板等。将它们埋在土里或嵌入人体，经过几个月到几年时间，便会降解为小分子，最终成为水和二氧化碳，消失得无影无踪。而且，其生产过程排放的二氧化碳量仅为传统塑料的一半甚至更低，对环境、人体影响甚小。
这样的“明星”环保材料谁不渴望得到？然而，在科技发展史上，科研人员竟一次次与它擦肩而过。
1913年，法国科学家通过缩聚方法首次合成聚乳酸，但其产量低、分子量小、力学性能差，几乎没有实用价值。
1932年，美国杜邦公司科学家卡罗瑟斯间接制备出高分子量的聚乳酸。然而，他想得到的是一种高熔点、具有出色耐久性的聚酯纤维材料，因此聚乳酸被过早放弃。
直到1962年，美国一家公司发现用聚乳酸做成的手术缝合线可被机体吸收，才正式打开了聚乳酸的医用大门。
从此，聚乳酸就像一颗冉冉升起的新星，备受科研界、环保界、资本界瞩目。这其中就包括一拍即合的陈学思、白骅。两人志向不小，“我们要做中国人自己的聚乳酸生产线”。
白骅此前找过不少大学、研究机构，可几乎每次都无功而返。问题的关键在于，聚乳酸的单体丙交酯当时在中国没有人能做出来，更不用说下一步的聚合了。遇到陈学思，他算找对了人。
2000年，陈学思带领课题组开始进行产业化技术开发。合成高分子量聚乳酸的关键是除去反应过程中的水分，而乳酸聚合过程却会释放出水分子。产业界的通行做法虽然可以彻底除去水分，但无法做到高效合成丙交酯，这一难题制约了整个聚乳酸产业链的发展。
低聚乳酸的分子量多少合适？裂解温度多高？如何防止裂解结焦？能否把裂解产率提升至90%以上？裂解残渣如何高效回收利用？这些问题始终困扰着研发人员。
经过3年摸索，陈学思带领团队筛选百余种催化剂、探索上千种实验条件，提出了具有工业化前景的技术总体方案，使丙交酯的产量从几克达到几十克、几百克，产率达到95%以上，实现了百克级丙交酯的稳定制备。这是中国在生物可降解塑料领域迈出的关键一步，为生物可降解塑料的产业化奠定了坚实的基础。
21世纪初，丙交酯1公斤市场售价为1万元左右，即便如此高价，市场上依然供不应求。长春应化所实现了丙交酯国产化、填补国内空白后，丙交酯的价格一下子“被打了下来”，如今1公斤仅售15元左右，与当初的万元天价相差数百倍。
陈学思（左）在聚乳酸生产线出料间作技术讲解。
允许失败，挑战“不可能完成的任务”
边新超回忆说，21世纪初，化工界的口号是，石油只能再用50年，煤炭只能再用100年，急需生物基材料、生物降解材料进行替代。但当时市场对这类材料的接受度仍然不高，大多数企业持观望态度。
陈学思最初瞄准的是文具市场。边新超扛着一个装着原材料的麻袋，去了浙江宁海一家知名文具厂。他当场用注塑机做了一把聚乳酸尺子，老板夸了一句“东西真好”，就再也没有下文了。
2003年，把实验室内的工艺条件基本摸索清楚后，陈学思又派边新超到浙江省台州市建设30吨中试生产线。那一年是边新超工作的第三年，他带领的8人团队中，部分同事比他还要年长、有经验。
从实验室技术到产业化技术，中间过程绝不是简单放大。在很多科研人眼中，这一环节最艰难。当时的台州天气闷热，车间温度达50℃，技术人员极度疲劳。为了激励自己，边新超把手机铃声设置成了电影《碟中谍》的主题曲《不可能完成的任务》。
聚乳酸生产车间。
陈学思的父亲陈文启是长春应化所的研究员，也是搞合成研究的能手，退休后返聘加入聚乳酸研发团队。为了顺利完成中试，当时年近80岁的“老陈老师”特地去台州指导生产，一待就是半个多月。
边新超最担心的是示范生产线出问题，可是怕什么来什么。2007年2月，示范生产线突然因不明原因停工，管路堵塞、找不到堵点。“每天相当于烧掉一辆帕萨特”，这样的状况整整持续了3个月。
“快倒闭了吧？”在食堂吃饭时，有人揶揄道。
虽然陈学思、白骅一次次鼓励自己“不要退缩”，可眼看真金白银不断往里投，边新超的内心久久不能平静。将所有设备检查了一遍又一遍后，他发现真空度下降得厉害，怀疑是齿轮泵漏气导致了失败。来不及多想，他和同事赶紧把重约300斤的齿轮泵拆下来抬上了大巴。边新超独自一人坐了一天一夜的长途车来到河北沧州，找到厂家，终于发现了问题所在，并快速拿出了解决方案。
那阵子，大家都觉得边新超的举止有些怪异，总是用手捂着脸。原来在一次试车中，边新超发现工人排料操作不当存在生产风险，于是抢先一步关闭阀门，可是部分高温熔体还是喷溅出来，落到地面又弹起来，把他的脸和手都烫伤了。彼时，边新超刚结婚4个月，他不敢告诉妻子，怕她担心，更怕她把自己叫回去。
就是通过这样忘我的努力，长春应化所与企业终于在2007年建成了5000吨/年产能的示范线。这是国内第一条聚乳酸示范线，也是全球第二条聚乳酸生产线。
其间还有一个小插曲：原本对我国技术保密的日本帝仁株式会社，看到陈学思团队的成熟样品后，彻底公开了中试生产线的工艺。
2015年，陈学思团队在进行技术改进的同时，把这条生产线扩产至1.5万吨/年，使得这项技术真正成熟。
至此，长春应化所帮助企业首次在国内实现了万吨级聚乳酸稳定生产，2004年到2015年累计产值超过10亿元。随着中国的加入，美国、中国、欧洲在全球聚乳酸行业形成了三足鼎立的态势。
迭代升级，拿捏聚乳酸的“小脾气”
聚乳酸制作的餐具。
面对方方面面的挑战，团队始终坚持工程化与基础研究“两条腿走路”。
化学制品的生成离不开催化剂。之前设计催化剂的思路是，让它拥有所需要的所有活性位点，但这样往往导致活性位点数量不够多，催化效率很低。
有一天，团队成员、长春应化所研究员庞烜突然从电视剧中的狙击小分队获得科研灵感，激动得直拍大腿：“狙击小分队由一名狙击手、一名观察手、一名随队负责警戒保卫的步枪手组成，大家各司其职。借用到催化剂活性位点上，就是把1个活性位点变成3个，一个负责把单体吸引过来，一个负责把环打开，一个负责把它接上链，这样效率一下子就上去了。”
陈学思向来鼓励有科学依据的奇思妙想，这一次也不例外。大家说干就干。
一开始合成确实困难，庞烜反复试验，不仅要使3个活性位点之间的距离合适，而且要证明它们确实能按照预期各司其职、分工协作。随着问题被逐一破解，实验结果让庞烜十分惊讶——效率提升远不止之前估计的3倍，而是200倍！
改进催化剂的直观效果就是，将聚乳酸的熔点做到全球最高，可达179℃，这非常接近理论上的最高温度。过去聚乳酸制造的婴儿奶瓶，连一次蒸汽消毒都扛不过去；改进催化剂后生产的聚乳酸耐热温度升至120℃以上，制成奶瓶后进行蒸汽消毒完全不在话下。
针对聚乳酸产品不耐摔的问题，团队通过提升缺口冲击强度，把聚乳酸杯子的韧性提升了30倍，稳稳当当通过了1.5米跌落试验。
“在聚乳酸使用寿命方面，通过加入抗水解剂，我们做到了聚乳酸寿命长短可控。”团队成员、长春应化所研究员刘焱龙表示。
地膜保水、增温、除草，在我国大面积推广使用。过去6微米以下的超薄地膜被疾风一吹便成了白条条，回收难度极大。通过控制可降解的速度，聚乳酸地膜3到6个月内便会自动消失，无须动用大型拖拉机专门回收。汽车后视镜等塑料配件的使用周期一般是15年，聚乳酸原本达不到这么长的寿命，但团队经过努力，将这一不可能完成的任务变为现实，有望减少大量汽车报废后的污染。
2019年1月，中国石油和化学工业联合会组织的专家组鉴定认为，长春应化所团队研发的“万吨级聚乳酸产业化成套技术及系列产品开发”整体技术处于国际领先水平。
该团队突破了聚乳酸产业化过程中的系列关键技术，获授权中国发明专利46件，开发了乳酸低聚、裂解、丙交酯聚合3种高效催化剂，研制了导流筒卧式乳酸脱水、低聚乳酸膜式裂解、塔式丙交酯聚合反应器等关键设备，开发了高效的聚乳酸成核剂、增容剂、扩链剂等助剂，突破了系列改性和加工关键技术，产品具有优异的耐热和力学性能。
不惜代价，一定要做好产业化
2015年，吉林省在全国范围内率先颁布禁塑令。随后，海南、河南等多个省份纷纷颁布禁塑令。2018年，我国全面禁止进口固体废物，国外向我国倾销“洋垃圾”的时代彻底结束。
禁塑令、“洋垃圾”禁令执行后，“可消失的塑料”——聚乳酸一度供不应求，单价从每吨1.8万元飙升至4万元。找边新超要材料的厂商，可谓络绎不绝。有人羡慕他们，“不用干别的，光倒腾原材料就可以实现财富自由”。陈学思听了，只是笑笑：“这种事情，我们不会去做，也不能做。”
随着碳减排、碳中和等理念和政策的提出、实施，陈学思笃信绿色环保是大势所趋，同时也对团队的科技创新成果非常有信心：“这一次，我们一定不能受制于他国。”
2021年，边新超再次领命，去安徽芜湖创办普立思生物科技有限公司，一期项目7.5万吨乳酸和5万吨聚乳酸连续生产线已稳定投产，产品应用于一次性吸管、一次性纸杯、生物降解胶带、无纺布等领域，下一步将朝着国家制定的30万吨聚乳酸目标进发。
在聚乳酸的高端应用上，在长春莲花山产业园，陈学思一口气布局了可吸收敷料、鼻腔止血材料、可吸收缝合线等六七个医用产品，一期厂房建设已完成、设备正在安装，预计2024年内陆续投产。
聚乳酸生产厂房。长春应化所供图
一步步走来并不容易。“产业化验证阶段最需要经费支持，可此时外界对项目往往有诸多质疑，导致最需要经费时却拿不到，让人很头疼。”陈学思说。
陈学思为在中国科学院工作而感到幸运。在聚乳酸顺利产业化过程中，长春应化所每年持续提供的项目经费、中国科学院“科技服务网络计划”以及科技部、吉林省多个专项的支持，都为成果转化提供了坚强保障。
“一定要做好产业化。”陈学思内心笃定。从小目睹父亲为显影剂、合成橡胶、尼龙-11等项目产业化不断忙碌的陈学思，决心继承包括父亲在内的老一辈科学家的优良传统，怀着家国情怀带领团队接续奋斗，为中国创造一个更加绿色的未来。
《中国科学报》 (2024-08-30 第4版 专题)