聚氨酯是一種常見的塑料，應(yīng)用范圍從可噴射泡沫、粘合劑到合成服裝纖維，已經(jīng)成為21世紀(jì)的主要產(chǎn)品，為日常生活的許多方面增加了便利、舒適甚至美麗。
這種材料目前主要由石油副產(chǎn)品制成，其獨(dú)特的多功能性使得聚氨酯成為一系列產(chǎn)品的首選塑料。如今，全球每年生產(chǎn)的聚氨酯超過1600萬(wàn)噸。
“我們生活中很少有不存在聚氨酯的地方，”Phil
Pienkos說。他是一位化學(xué)家，經(jīng)過近40年的研究，最近從國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)退休。
但Phil Pienkos的職業(yè)生涯是研究生產(chǎn)生物燃料和材料的新方法。他說，人們?cè)絹?lái)越傾向于重新思考聚氨酯的生產(chǎn)方式。
“目前的方法主要依賴有毒化學(xué)物質(zhì)和不可再生石油，我們想開發(fā)一種新的塑料，它具有傳統(tǒng)聚氨酯的所有有用性能，但不會(huì)產(chǎn)生昂貴的環(huán)境副作用。”
有可能嗎?實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果是肯定的。
通過一種利用亞麻籽油、廢油脂、甚至藻類等無(wú)毒資源的新型化學(xué)方法，Phil Pienkos和他的NREL同事、化學(xué)工程專家Tao
Dong開發(fā)了一種無(wú)有毒前體的可再生聚氨酯的開創(chuàng)性方法。
這是一個(gè)突破性的突破，具有使鞋類、汽車、床墊等產(chǎn)品市場(chǎng)綠色化的潛力。
但是，為了理解這項(xiàng)成就的意義，回顧一下科學(xué)進(jìn)步是如何產(chǎn)生的，一個(gè)從傳統(tǒng)聚氨酯的化學(xué)基礎(chǔ)到藻類實(shí)驗(yàn)室的故事是很有幫助的，在那里，一種新的化學(xué)概念首次出現(xiàn)，并逐步發(fā)展成新的企業(yè)合作伙伴關(guān)系，為商業(yè)化的前景創(chuàng)造了良好的條件。
化學(xué)問題
當(dāng)聚氨酯在20世紀(jì)50年代首次商業(yè)化時(shí)，它在眾多產(chǎn)品和應(yīng)用中迅速普及。這在很大程度上是由于這種材料的動(dòng)態(tài)和可調(diào)特性，以及用于制造這種材料的石油基成分的可用性和可承受性。
通過使用多元醇和異氰酸酯的巧妙化學(xué)過程，傳統(tǒng)聚氨酯制造商的基本組成部分可以定制其配方，生產(chǎn)出各種各樣的聚氨酯材料，每種材料都具有獨(dú)特和有用的性能。
例如，用長(zhǎng)鏈多元醇生產(chǎn)，可能會(huì)產(chǎn)生柔軟的泡沫，用于枕頭軟床墊。另一種配方可能會(huì)產(chǎn)生一種液體，當(dāng)涂在家具上時(shí)，既能保護(hù)又能展現(xiàn)木紋的內(nèi)在美。第三批可能包括二氧化碳(CO2)來(lái)使這種材料膨脹，產(chǎn)生一種可噴射的泡沫，干燥成堅(jiān)硬多孔的隔熱材料，非常適合在家里保溫。
“這就是異氰酸酯的美妙之處，” Tao Dong在反思傳統(tǒng)聚氨酯時(shí)說，“它能形成泡沫?！?
但Tao
Dong說，異氰酸酯也帶來(lái)了明顯的負(fù)面影響。雖然這些化學(xué)物質(zhì)具有快速的反應(yīng)速度，使它們對(duì)許多工業(yè)應(yīng)用具有高度的適應(yīng)性，但它們也是劇毒的，而且它們是由毒性更大的原料光氣生產(chǎn)的。當(dāng)吸入異氰酸酯時(shí)，會(huì)導(dǎo)致一系列的不良健康影響，如皮膚、眼睛和喉嚨刺激、哮喘和其他嚴(yán)重的肺部問題。
“如果含有傳統(tǒng)聚氨酯的產(chǎn)品被燃燒，這些異氰酸酯會(huì)揮發(fā)并釋放到大氣中。即使是簡(jiǎn)單地噴涂聚氨酯作為絕緣材料，也會(huì)使異氰酸酯霧化，這就要求工人們采取謹(jǐn)慎的預(yù)防措施來(lái)保護(hù)自己的健康?！?
Phil Pienkos補(bǔ)充道。
為了解決這些問題和其他問題，例如依賴石油化工產(chǎn)品，來(lái)自世界各地實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開始尋找利用生物資源合成聚氨酯的新方法。但這些努力在很大程度上產(chǎn)生了喜憂參半的結(jié)果。有些產(chǎn)品缺乏工業(yè)應(yīng)用所需的性能。其他的則不能完全再生。
因此，改進(jìn)聚氨酯的挑戰(zhàn)，仍然處于很好的創(chuàng)新時(shí)機(jī)。
“我們可以做得更好，”五年前，當(dāng)Phil Pienkos第一次遇到困境時(shí)，他想。在這個(gè)機(jī)會(huì)的激勵(lì)下，他與同樣來(lái)自NREL的Tao Dong和Lieve
Laurens一起尋找更好的聚氨酯化學(xué)。
重新思考聚氨酯的組成部分
這個(gè)想法源于一個(gè)看似無(wú)關(guān)的實(shí)驗(yàn)室問題：降低藻類生物燃料的成本。與許多傳統(tǒng)的石油化工煉油工藝一樣，生物燃料煉油廠也在尋找方法，將其過程中的副產(chǎn)品作為收入來(lái)源。
對(duì)于藻類生物凈化來(lái)說，這個(gè)問題變得非常相似。從這一過程中產(chǎn)生的油脂和氨基酸能否成為一種既可再生又無(wú)毒的聚氨酯配方的原料?
對(duì)Tao
Dong來(lái)說，在基本化學(xué)水平上回答這個(gè)問題是他們當(dāng)然能做到的最簡(jiǎn)單的部分。20世紀(jì)50年代的科學(xué)家們已經(jīng)證明了從非異氰酸酯途徑合成聚氨酯是可能的。
Tao
Dong說，真正的挑戰(zhàn)是如何加快反應(yīng)速度，與傳統(tǒng)工藝競(jìng)爭(zhēng)。他需要生產(chǎn)性能至少和傳統(tǒng)材料一樣好的聚合物，這是生物基聚氨酯商業(yè)化的主要技術(shù)障礙。
“文獻(xiàn)中描述的非異氰酸酯生物反應(yīng)過程的反應(yīng)速度較慢，” Tao Dong解釋說因此，我們需要確保我們的反應(yīng)性與傳統(tǒng)化學(xué)相當(dāng)?！?
NREL的過程克服了障礙，通過一個(gè)巧妙的化學(xué)過程開發(fā)生物基配方。它從一個(gè)環(huán)氧化過程開始，這一過程可以制備基礎(chǔ)油，從菜籽油或亞麻籽油到藻類或食物殘?jiān)赃M(jìn)行進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)。通過將這些環(huán)氧化脂肪酸與空氣或煙氣中的二氧化碳反應(yīng)，生成碳化單體。最后，在聚合過程中，Tao
Dong將碳化單體與二胺(來(lái)自另一種生物基來(lái)源的氨基酸)結(jié)合，生成固化成樹脂型非異氰酸酯聚氨酯材料。
通過用精選的天然油取代石油基多元醇，用生物基氨基酸取代有毒異氰酸酯，董成功合成了性能可與傳統(tǒng)聚氨酯媲美的聚合物。換言之，他已經(jīng)開發(fā)出一種替代傳統(tǒng)聚氨酯的可行的、可再生的、無(wú)毒的替代品。
而且這種化學(xué)物質(zhì)還有一個(gè)額外的環(huán)境效益。
“最終聚合物中30%的重量是二氧化碳，考慮到植物或藻類吸收的二氧化碳來(lái)制造油脂和氨基酸，這個(gè)數(shù)字更令人印象深刻?！盤hil Pienkos說。
二氧化碳是一種普遍存在的溫室氣體，通常被認(rèn)為是各種工業(yè)過程中的一種無(wú)用的廢物，促使許多公司想方設(shè)法吸收、消除二氧化碳，甚至將其作為潛在的利潤(rùn)來(lái)源加以利用。Phil
Pienkos和Tao Dong通過在聚氨酯的結(jié)構(gòu)中加入二氧化碳，為提高其價(jià)值提供了一條途徑。
“這意味著每磅聚合物的原材料更少，成本更低，總體碳足跡更低。在我們看來(lái)，這將提供顯著的可持續(xù)發(fā)展機(jī)會(huì)?！?Phil Pienkos繼續(xù)說道。
可再生能源解決方案找到了它的商業(yè)立足點(diǎn)
下一步是看這個(gè)過程是否可以商業(yè)化，擴(kuò)大規(guī)模以滿足市場(chǎng)的需求。
畢竟，無(wú)論是否可再生，聚氨酯都需要展示消費(fèi)者對(duì)名牌產(chǎn)品的期望。制造新材料的過程也必須與公司的制造工藝相匹配，這樣他們就可以“投入”新材料，而不必對(duì)設(shè)施或設(shè)備進(jìn)行昂貴的升級(jí)。
“這就是為什么我們需要與行業(yè)合作伙伴合作，以確保我們的研究與他們的制造工藝相一致。” Tao Dong解釋說。
在Phil Pienkos和Tao
Dong首次證明生產(chǎn)完全可再生、無(wú)毒的聚氨酯的可行性后的短短兩年里，幾家公司已經(jīng)為其商業(yè)化貢獻(xiàn)了資源和研究伙伴關(guān)系。
例如，美國(guó)能源部2020年的一項(xiàng)技術(shù)商業(yè)化基金獎(jiǎng)帶來(lái)了73萬(wàn)美元的聯(lián)邦資金來(lái)幫助開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以及戶外服裝公司巴塔哥尼亞、床墊公司Tempur
Sealy和一家名為Algix的初創(chuàng)生物技術(shù)公司的“實(shí)物”成本分?jǐn)偂?
Phil Pienkos說，其他行業(yè)的公司也表現(xiàn)出了初步的興趣?！边@些公司認(rèn)為這是有希望的?！薄?
他們感興趣的部分原因可能是Phil Pienkos和Tao Dong的方法的可調(diào)性，這使得他們能夠像傳統(tǒng)方法一樣，制造出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的聚合物。
“我們已經(jīng)證明了這種化學(xué)反應(yīng)是可調(diào)的，我們可以通過我們的方法控制最終的表現(xiàn)?！?Tao Dong說。
例如，通過控制環(huán)氧化過程或碳化量，該過程可以適合于滿足產(chǎn)品的性能需求。這樣一來(lái)，一雙跑鞋的外底就有足夠的彈性和強(qiáng)度，可以承受在高溫或低溫瀝青路面上行駛數(shù)英里?；蛘咚梢越o床墊一個(gè)剛度和支撐的平衡。
“這是監(jiān)管的推動(dòng)。有市場(chǎng)吸引力。它有可能在成本基礎(chǔ)上與非可再生能源競(jìng)爭(zhēng)。它的碳足跡更低。”Phil
Pienkos談到商業(yè)化的機(jī)會(huì)時(shí)說：“這成為我在NREL職業(yè)生涯中最令人興奮的方面。所以，當(dāng)我退休的時(shí)候，我決定要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。我希望看到這項(xiàng)技術(shù)真正進(jìn)入市場(chǎng)。”
去年4月退休后，Phil Pienkos成立了一家名為Polaris
Renewables的公司，以幫助加快新型聚氨酯的商業(yè)化。因此，當(dāng)他繼續(xù)履行作為NREL退休研究員的職責(zé)時(shí)，他也在拓展行業(yè)，以尋找更多的企業(yè)合作伙伴，特別是通過國(guó)際可持續(xù)發(fā)展倡議在時(shí)尚行業(yè)尋找更多的合作伙伴。
他解釋說：“在時(shí)尚行業(yè)，顧客要求可持續(xù)發(fā)展?！比绻隳苷故境龈偷奶甲阚E、更好的生命周期末端處置能力，他們將支付一定的綠色溢價(jià)?！?
事實(shí)上，對(duì)Pienkos和Dong來(lái)說，可再生無(wú)毒聚氨酯的突破已經(jīng)不僅僅是一個(gè)令人興奮的科學(xué)冒險(xiǎn)。在產(chǎn)品上留下一個(gè)更少的環(huán)境足跡。
Tao Dong說：“我認(rèn)為這是一個(gè)解決塑料污染問題的好機(jī)會(huì)，我們需要保護(hù)我們的環(huán)境，其中一部分是從使塑料再生開始?！?
Pienkos也認(rèn)為，這項(xiàng)業(yè)務(wù)在商業(yè)上的成功可能是一種催化劑，可以刺激公司進(jìn)一步發(fā)展，并在將可再生、更環(huán)保的產(chǎn)品推向市場(chǎng)方面取得進(jìn)一步成功。
“這可能是NREL的一個(gè)成功案例，這里的成功對(duì)世界意義重大。”
在這種情況下，衡量成功的標(biāo)準(zhǔn)可能不止是生產(chǎn)工藝的可承受性或聚氨酯化學(xué)的碳吸收量。在擁有NREL的可再生，無(wú)毒聚氨酯的世界里，成功的真正原因可能是我們?cè)诜b的耐用性，鞋子的舒適性或在記憶泡沫床墊上睡覺后的煥發(fā)活力方面真正感受到的。
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