广州创新英雄

大洋网讯 铝材等金属材料为保证使用寿命和装饰效果,都需要经过金属铬化前处理然后进行涂料涂装处理。这个过程中溶剂型涂料会挥发大量VOC(挥发性有机物),铬化前处理会产生重金属污染。

为了研发替代铬的铝材前处理技术,张凯“死磕”了十年。在这十年里,张凯做出了退学、辞职等人生抉择,全身心投入研发,并成功开发了第一代产品,从源头解决了重金属污染。如今,重返校园并且成为中山大学和广东省建筑科学研究院集团股份有限公司联合培养的博士后的他,又投入了第二代产品的研发,希望解决铝加工处理过程中的VOC污染问题。

自立门户:不迷信权威 埋头实验室

2007年,张凯在华南理工大学就读硕士,当时导师有一个已经进行了十年的课题组,目的是找到无铬的铝材前处理技术。铝材为了延长寿命和提高使用安全,都要做前处理,而这又往往用到重金属铬。使用含铬的前处理技术,每生产1吨铝材会产生5~6吨污水,每吨污水的处理成本达20元以上。为了节约成本,不少企业将含铬污水直接排放,造成严重重金属污染。

当时全球都在找替代铬的铝材前处理技术,这其中又分成了“纯无机”和“纯有机”两个体系。张凯所在的课题组属于前者。“当时的研究工作都是基于稀土铈盐体系,但我认为,这种技术成膜慢,即使添加促进剂也要1~2个小时。而若促进剂添加太多,又容易造成溶液加速老化、沉淀,不能完整成膜。”

硕士毕业后,张凯获得了提前攻博的机会。但由于对当时的技术体系有质疑,他选择退学并建立自己的实验室。可是公司拿到的资金有限,他不得不一边工作一边做实验。

两边兼顾的日子过得并不容易。工作的第一年,他被派到洛阳实习。每个周末,张凯都从洛阳回广州做实验。最终,张凯觉得如果不能全身心投入,很难出成果,于是干脆把工作也辞掉,一心一意埋头于增槎路的实验室做产品配方。

第一桶金:新无铬技术 敲市场大门

罗马不是一日建成,一个产品的成功也需要经过大量试验和波折。在试验初期,张凯在成果出来后往往需要辗转寻找铝材企业进行性能测试,这浪费了他大量的时间,为了节省时间,他咬牙把实验设备配齐,直接在自己的实验室试验产品。由于缺少经验,初期的试验屡试不成。但在一次购买喷涂设备时,安装工人随口说:“那些传统含铬配方里面都含有某种离子”,张凯顿觉“醍醐灌顶”,立刻改变添加剂成分,使之后的多次实验成功达标。

但好事多磨,新的配方仍被发现很不稳定,实验中又屡屡出现不达标的情况。“主盐锰的价态太多,形成的转化膜物相不稳定。”张凯大胆决定把主盐换成“钛酸盐+有机物”。但这两者如何结合是一个关键问题。经过上千次反复实验,并结合理论计算,张凯终于发现了一种“催化剂”,使钛盐和有机物在很少的剂量下快速反应。这便是第一代金属有机复合膜“MOF”膜技术。

研发虽然成功,可让产品打入市场却比研发还难。张凯说,这是因为铝材企业曾在其他无铬产品中吃过亏。“2010年前后,出于环保压力,铝加工企业大多选择了无铬化前处理技术,但此时以两家德国企业为代表的无铬转化膜技术不稳定,抗腐蚀性能差,导致门窗幕墙用的铝型材涂层大面积脱落,使得铝加工企业对无铬技术失去信心。”

幸运的是,一次“退货事件”让张凯找到了第一个客户——一家大型铝材集团的佛山分厂。该厂原本使用的是德国的无铬技术,但有一批铝材因大面积脱涂层被退回。而此前张凯一直与该厂有联系,并在厂里做了两个多月的现场实验,没有出现问题。于是该厂紧急决定试用张凯的产品。

可产品毕竟是直接从实验室走上生产线,尚欠磨合,第三天就出现了粉末涂层附着力不合格的大问题。“为了攻关,那时至少10天没合过眼。工人每天三班倒,我是10天当作一个班,不敢离开生产线半步。”通过调整生产工艺、改善配方,一个月后生产线终于稳定。再后来,该企业的所有生产线都改用了张凯的技术,销售终于打开了局面。

持续创新:回校读博士 研发新技术

2014年前后,公司拿到了机构和私人1000余万元的投资,还拿到了科技部科技型中小企业创新基金、工信部中央地方特色中小企业发展专项基金等基金支持,又陆续获得广州市科技创新小巨人、广东省高新技术企业,“公司总算渡过难关。”张凯说,公司走上正轨后,他在2016年选择重回学校做博士生,研究方向是大气污染的解决方案。

“我们的技术从源头上替代了重金属铬,解决了铝材生产过程中的水污染。第二代技术,则是希望解决铝加工过程中出现的大气污染。”

张凯说,第二代“MOF”膜技术已经进行7个月产业化“中试”,处理铝基金属产品超过12000吨,合格率100%。产品质量得到了德国和瑞士两国实验室的测试认证,还与世界第二大氟树脂供应商建立了产品互认、资源共享与业务捆绑的合作模式。

2018年初张凯博士毕业,并成为中山大学和广东省建筑科学研究院集团股份有限公司联合培养的博士后。“从学校退学、从石化公司辞职,都是一个选择过程。我觉得干了不后悔,不干才后悔。”张凯说,整个研发的过程中,有过数次人生抉择,博士毕业后还有一所国外的科技大学向其伸出橄榄枝,给出安置家人等诱人的条件,但他最终还是没有去,原因就是“不想放弃”。

创新感言

我认为创新首先不要迷信权威,对没有经过科学证实的东西要敢于否定。其次,要用理论指导实践,科研成果应该应用到生产一线。第三,创新要有容错机制,敢于否定自己,系统坚持、不断修正。科创不应停留在实验中,还应用到生产一线,解决社会民生问题。

张凯

工学博士,珠江科技新星,中国有色工业科技进步一等奖、全国有色金属标准委员会优秀标准二等奖获得者。创业7年,公司获广州市科技创新小巨人,广东省高新技术企业。

从事环保材料科研及工程应用研究近10年。先后主持科技部、工信部、广东省科技厅、原广东省质监局及广州市科技局等部门多项科技攻关及人才计划项目,参与多项国家自然科学基金,广东省重大科技专项。

链接

张凯的第一代金属有机复合膜“MOF”膜技术从源头上替代了重金属铬,解决了铝材生产过程中的水污染。目前,重回校园的他开始攻坚第二代技术,目的是在解决了水污染的基础上,进一步解决铝加工过程中的大气污染。

据了解,铝材的喷涂会产生大量VOC。解决VOC污染的一个途径,就是以“粉”代“漆”,通过粉末替代涂料的有机溶剂,从源头杜绝VOC排放。这也是第二代技术想要集中解决的问题。

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