对话杰出科技青年奖获得者|沈困知：破解高端热敏染料“卡脖子”难题，推动环保显色剂国产化替代

时间：2026-04-01作者：财阀佳分类：沈阳生活浏览：4684

　　人物简介

　　沈困知，沈阳感光化工研究院有限公司研究员、研发部部长。吉林大学高分子化学与物理专业硕博连读，长期从事精细化学品与高分子材料领域的研究与成果转化工作。聚焦精细化学品创新研发及产业化，在高端热敏染料、环保显色剂等方向取得一系列关键突破，打破国外企业长期以来的技术垄断，推动多项成果实现国产化替代与规模化落地。

　　研究方向

　　主要从事精细化学品、高分子材料的分子设计与合成工艺研究，重点聚焦影像材料、药物中间体等领域“卡脖子”技术突破。围绕荧烷类热敏染料开展分子结构创新与合成路线优化，开发含叠氮基荧烷衍生物等新型化合物；研究环保显色剂与热敏显色体系的配方相容性与性能调控；推动无酚热敏纸配方开发及产业化应用。研究方向涵盖功能染料分子设计、关键反应工艺优化、绿色制造技术及精细化学品工程化转化。

　　学术成就

　　作为核心研发人员，设计并合成了新型荧烷类衍生物，建立自主知识产权的合成路线，规避国外专利壁垒，相关成果获专利(如CN112250691A)。优化荧烷染料关键反应步骤(闭环、卤化、烷基化等)，将产物纯度提升至99%以上，实现卤废水减排约80%。推动环保显色剂等国产化替代技术落地，为国产热敏纸企业提供高性价比产品。相关成果纳入全国感光材料标准化工作，任标委会委员，助力行业绿色升级。累计实现销售收入超2.6亿元，技术成果在中试及产业化层面实现稳定转化。

　　研究经历

　　长期从事精细化学品与高分子材料的研发及工程化转化工作，专注于荧烷类热敏染料及环保显色剂体系的技术突破。围绕分子结构设计、合成工艺优化、配方适配与绿色制造等环节，构建从实验室研发到中试放大、再到产业化落地的完整技术链条。在高端热敏染料领域，设计并合成新型荧烷类衍生物，开发具有自主知识产权的合成路线，突破高纯度、高性能产品的工艺瓶颈。在环保显色剂方向，参与无酚热敏纸配方开发，推动染料、显色剂与增感剂体系的协同适配，满足出口欧美市场要求。研究过程中注重工艺绿色化改造与三废资源化利用，建立卤化物回收系统，实现源头减排与末端治理相结合的工艺体系。

　　一、分子结构设计的创新逻辑

　　提问：您团队开发的含叠氮基荧烷衍生物(专利CN112250691A)，在分子结构上做了哪些关键设计？这类化合物有什么特性？

　　沈困知：核心是围绕探针的信号输出、特异性识别和性能适配，进行了系统性的分子结构设计。我们以荧烷类共轭结构作为分子核心骨架，这是探针实现光学响应、输出荧光信号的基础前提。同时，特意引入叠氮基作为特异性识别基团，通过它与硫化氢的特异性反应，引发分子共轭结构变化，从而实现对硫化氢的精准识别。此外，在荧烷母核的特定位点引入各类功能取代基，其中二烷基氨基等供电子基团可调节分子电子云分布、优化荧光性能；烷基、卤素、硝基等取代基则通过推拉电子效应，调控探针的响应灵敏度与选择性，同时改善分子溶解性。我们还保留或引入羟基、甲氧基等含氧极性基团，兼顾分子溶解性与结构稳定性，辅助优化电子共轭体系及响应效率。另外，我们将烷基限定为C1-C10直链烷基，优先选用短链烷基并明确各类取代基范围，既保障了分子的合成可行性，也确保了其性能与实际应用场景的适配。

　　二、从源头抑制副反应，实现卤废水减排80%

　　提问：高端荧烷染料合成涉及多步反应，其中“环化”“卤化”等步骤常因副反应导致纯度不足。您是如何优化工艺，让卤废水减排达到80%的？

　　沈困知：首先，在环化等关键步骤中，副反应容易导致异构体生成。我们通过筛选专用高效催化体系，并对反应温度和时间进行精细化匹配控制，使环化反应选择性由约85%提升至98%以上，从源头显著抑制副产物生成，减少后续分离过程带来的废水压力。

　　其次，在卤化反应环节，我们采用精准滴加与梯度控速策略，避免卤化试剂过量投加，同时引入相转移催化体系，提高反应转化效率，使卤原子利用率由约50%提升至90%以上，从而减少未反应卤素进入废水体系。

　　最后，在末端治理方面，我们构建了卤水资源化回收系统，通过精馏与萃取等手段回收废水中的卤化物及有机溶剂，并循环回用于生产过程，实现由“处理”向“资源化利用”的转变。

　　通过上述系统优化，不仅将产品纯度稳定提升至99%以上，同时实现卤废水减排约80%，在解决产品质量问题的同时，也显著提升了工艺的绿色化水平。

　　三、AI辅助研发的探索与定位

　　提问：您团队通过分子结构创新(如引入叠氮基团)提升了荧烷染料性能。当前AI在新材料研发中快速发展，比如用生成式模型预测染料显色性能或毒性。您是否尝试利用AI工具加速新型环保染料的筛选与设计？

　　沈困知：我们已经在尝试将AI工具引入研发过程中，但整体仍处于辅助应用和探索阶段。目前，团队主要是基于已有荧烷类染料的数据，开展了一些数据整理与简单建模工作，初步建立了分子结构与部分性能指标(如显色波长、溶解性等)之间的关联关系。这类模型可以在一定程度上帮助我们做趋势性判断，例如不同取代基对显色性能的影响方向，从而为分子设计提供参考。

　　在实际应用中，AI更多是作为一种辅助筛选和优先级排序工具，帮助我们在方案设计阶段缩小范围、减少明显无效的尝试，但关键分子设计和工艺开发仍然依赖实验经验与反复验证。从效果来看，这类方法在一定程度上提升了研发效率，减少了部分试错成本，但整体提升是渐进式的，还没有达到完全依赖AI进行分子设计的程度。

　　下一步，我们也在考虑逐步完善数据积累，并结合环保法规相关指标(如REACH等)做一些探索性预测，使AI在未来能够在绿色化设计和合规性评估方面发挥更实际的辅助作用。

　　四、聚焦染料与显色剂，协同下游共筑合规体系

　　提问：无BPA热敏纸要满足欧美市场要求，不仅显色剂要环保，整套配方(包括微胶囊壁材)都需通过REACH/FDA认证。您如何确保染料-显色剂-壁材三者的协同性能达标？

　　沈困知：无BPA热敏纸的性能与合规，本质上是一个产业链协同的问题。我们在其中的重点，主要聚焦于显色剂与染料本身的设计及合规控制，同时与下游客户做好技术衔接。

　　首先，在分子设计阶段，我们会充分考虑染料与主流环保显色剂(如Pergafast系列)的匹配性，通过调控荧烷染料的取代基结构，增强两者之间的相互作用(如氢键作用)，以保证良好的显色灵敏度和稳定性。这一部分是我们重点把控的核心技术环节。

　　其次，在开发过程中，我们会开展针对性的相容性与性能验证，例如与典型配方体系进行复配测试，评估显色效果、稳定性以及环境适应性等指标，为下游客户的配方开发提供可靠数据支持。但微胶囊壁材选择及整套配方体系的优化，通常由终端应用企业根据具体产品需求进行设计。

　　在合规方面，我们重点确保所开发的染料及相关化学品满足REACH等法规要求，包括原料筛选、杂质控制及基础安全性评估等，同时配合客户完成其终端产品在FDA等标准下的应用验证。总体来说，我们更多是通过提升关键材料性能与合规水平，并与下游形成有效协同，来共同满足欧美市场对无BPA热敏纸的综合要求。

　　五、接近进口水平的成本，未来降本空间在哪

　　提问：目前国产环保显色剂(如pergafast系列)仍面临成本高于BPA的问题。您的技术是否已实现成本与进口产品持平？未来还有哪些降本空间？

　　沈困知：从行业整体来看，环保显色剂(如Pergafast系列)在成本上仍普遍高于传统BPA，这主要是由其合成路线决定的。相比酚类显色剂以简单缩合反应为主、成本较低，非酚类显色剂通常涉及氨基化等步骤，部分还需要使用异氰酸酯等原料，整体原料和工艺成本相对更高。

　　在这样的背景下，我们通过工艺优化和体系配套，在部分产品上已经实现了接近进口产品的成本水平，具备一定的国产替代竞争力。主要措施包括：一是对合成路线进行优化，在保证性能的前提下尽量缩短反应路径、提高收率，降低单位产品的物料消耗；二是推动关键原材料的国产化应用，减少对高价进口原料的依赖，从而提升整体成本可控性。

　　当然，我们也清醒地认识到，环保显色剂相对于BPA的成本劣势在短期内仍然客观存在。未来的降本空间，主要集中在几个方面：一是进一步提升反应效率和工艺稳定性，降低能耗及三废处理成本；二是通过规模化生产摊薄制造费用；三是持续探索结构更简洁、原料更易获取的新型环保显色剂体系，在保证环保与性能的前提下，逐步向更具成本竞争力的方向发展。

　　总体来看，我们的目标不是简单对标BPA的绝对成本，而是在满足环保法规要求的前提下，实现性能与成本的综合平衡，为下游提供可持续的解决方案。

　　六、面向高附加值场景的性能储备与适配

　　提问：热敏纸正逐步拓展到医疗记录、冷链物流标签等高附加值领域。您的新型染料体系能否满足耐高温、耐溶剂、长期保存等特殊需求？

　　沈困知：热敏纸在医疗记录、冷链物流等领域的应用，对材料性能确实提出了更高要求。我们在这方面的工作，主要是围绕染料分子结构设计及其在不同应用场景下的适配性开展。

　　在分子层面，我们通过结构调控提升染料的稳定性和环境适应性，使其在耐热性、耐溶剂性以及长期保存方面具备良好基础。例如，通过取代基优化，提高染料在一定温度范围内的抗背景显色能力，以及对常见有机溶剂的耐受性，为医疗、电子等应用提供材料基础。

　　针对冷链等低温场景，我们也积累了一些实际经验。低温条件下，染料在体系中的晶型状态及其与显色剂的相互作用会发生变化，这对显色性能影响较大。我们通过分子设计与基础性能评估，筛选出在低温条件下仍具备良好显色响应潜力的染料品种，并为客户提供相应的选型建议和数据支持。但具体的低温配方体系及微观结构调控，通常由下游客户结合其工艺进行开发。

　　总体来看，我们更侧重于提供性能可调、适配性强的染料产品，并结合应用场景积累经验，为客户在高附加值领域的应用开发提供支撑，共同满足不同场景下的性能需求。

　　七、从实验室到量产，两大工程化挑战如何攻克

　　提问：累计销售收入超2.6亿元，说明技术已成功走向市场。从实验室到量化生产，最大的工程化挑战是什么？您的团队是如何解决这些问题的？

　　沈困知：最大的工程化挑战主要有两个：一是反应放大过程中的参数匹配问题，二是产品批次稳定性的控制。实验室小试时，反应体系小、参数易控制，但放大到中试、量产规模后，温度、压力、试剂滴加速率等参数的微小变化，都会导致副反应增加、产品纯度波动，这也是精细化工领域从实验室到量产的共性难题；二是量产过程中的三废处理与环保达标，规模化生产会产生更多的废水、废气，如何实现环保达标，同时控制处理成本，也是我们面临的重要挑战。

　　针对第一个挑战，我们团队采用“逐步放大、精准控参”的策略，先进行小试优化，再通过中试逐步调整反应参数，建立参数数据库，明确不同规模下的最优反应条件，同时引入自动化控制系统，实时监测反应过程中的温度、压力、pH值等关键参数，实现精准调控，确保量产产品与实验室产品的性能一致；针对第二个挑战，我们提前布局三废处理系统，采用“源头减排+末端治理”相结合的方式，比如前面提到的卤废水回收系统，同时优化反应工艺，减少废气、废渣产生，配套建设废气处理、废渣无害化处理装置，确保三废排放达到国家环保标准，同时通过资源化利用降低处理成本。此外，我们还组建了专门的工程化团队，联动研发、生产、质量检测等多个部门，及时解决量产过程中出现的问题，确保技术顺利转化落地。

　　八、直接供应为主、间接合作为辅的市场格局

　　提问：您能否介绍一下市场上主要的合作对象？是直接供应给热敏纸制造企业(如冠豪高新、王子纸业)，还是通过材料贸易商或涂层服务商间接进入产业链？

　　沈困知：我们的合作模式以“直接供应为主、间接合作为辅”，核心合作对象主要分为三类：第一类是国内大型热敏纸制造企业，比如冠豪高新、王子纸业等，我们直接为其提供高端荧烷染料、环保显色剂及配套配方，协助其优化生产工艺，满足其高端产品和出口产品的需求；第二类是中小型热敏纸生产企业，针对其产能规模和产品定位，我们提供定制化的产品和技术支持，帮助其实现产品升级，降低生产成本；第三类是涂层服务商，部分中小型热敏纸企业不具备自主涂层能力，我们通过与涂层服务商合作，将我们的染料、显色剂融入涂层方案，间接为终端热敏纸企业提供服务。目前，我们已与国内20余家主流热敏纸制造企业和5家涂层服务商建立了长期稳定的合作关系，产品不仅供应国内市场，还通过合作企业出口到欧美、日韩等地区，获得了市场的广泛认可。

　　九、自给率超60%，“卡脖子”品类仍是攻坚重点

　　提问：当前全球供应链波动加剧，您认为国产高端热敏染料的自给率已达到什么水平？还有哪些品类仍严重依赖进口？

　　沈困知：随着我们及国内其他科研团队、企业的不断突破，目前国产高端热敏染料的自给率已达到60%以上，基本能满足国内中高端热敏纸市场的需求，尤其是在常规高端荧烷染料领域，我们的产品已完全实现国产化替代，打破了日本、德国企业的垄断，有效规避了全球供应链波动带来的供应风险。

　　但我们也必须清醒地认识到，仍有部分高端品类仍严重依赖进口，主要集中在两个方面：一是高端特种荧烷染料，比如用于高端医疗影像、军事防伪等领域的专用染料，这类染料对显色精度、稳定性、耐候性的要求极高，国内目前的研发和生产能力仍有差距，主要依赖进口；二是配套的高端助剂，比如部分专用分散剂、稳定剂，虽然用量不大，但对产品性能影响显著，目前仍主要依赖德国、日本企业的产品。未来，我们团队也将重点聚焦这些“卡脖子”品类，加大研发投入，推动其国产化替代，进一步提升国产高端热敏染料的自给率，筑牢产业链供应链安全。