無處不在的霧霾天氣給整個化工業(yè)亮起了環(huán)?！熬緹簟?，“生物基”一詞的出現(xiàn)則為化工產(chǎn)品的綠色轉(zhuǎn)型帶來轉(zhuǎn)機(jī)，特別是針對產(chǎn)銷大戶聚氨酯。
據(jù)美國市場研究公司grandviewresearch最新發(fā)布的研究報(bào)告顯示，至2020年，全球聚氨酯市場預(yù)計(jì)將達(dá)736億美元，未來6年內(nèi)，生物基聚氨酯將成為開發(fā)新方向。
不過，華南理工大學(xué)輕工與食品學(xué)院研究員諶凡更告訴記者，目前生物質(zhì)基聚氨酯品種偏少，還無法滿足用戶對產(chǎn)品的差異化需求，生物基聚氨酯要想成為聚氨酯產(chǎn)品的主流，還須跨過多道技術(shù)門檻。
“生物基”受追捧
聚氨酯被譽(yù)為“第五大塑料”，具有耐磨、抗撕裂、抗撓曲性好等特點(diǎn)，是高分子材料中唯一一種在塑料、橡膠、纖維、涂料、膠黏劑和功能高分子等領(lǐng)域均有應(yīng)用價值的有機(jī)合成材料。
據(jù)上述美國研究報(bào)告的調(diào)查顯示，亞太地區(qū)是全球最大的聚氨酯區(qū)域市場，中國則是亞太地區(qū)最大的聚氨酯消費(fèi)國，2013年需求量在該區(qū)域占25%以上。中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會預(yù)測，“十二五”期間，我國聚氨酯產(chǎn)品年消費(fèi)量還將達(dá)到900萬~1000萬噸，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值2700億~4000億元。
然而，在龐大需求和火暴市場的背后，卻是以犧牲環(huán)境和資源為代價。
浙江科技學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院教授王仕財(cái)表示，生產(chǎn)聚氨酯的原料、中間體大多來自石油、煤等不可再生資源，且這些原料多為有毒、有害的化學(xué)品。另外，聚氨酯材料難以降解、其廢棄物回收困難，從而造成很大的環(huán)境污染。
出于環(huán)?？紤]，用生物質(zhì)產(chǎn)品替代石油原料生產(chǎn)綠色環(huán)保型聚氨酯，備受追捧。
例如，福特汽車公司2011新款福特explorer汽車的亮點(diǎn)之一就是使用大豆聚氨酯來制造汽車座墊及座椅靠背;鞋材供應(yīng)商歐士萊德將非食用性生物油代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化品作為原料，制造出首款生物基聚氨酯泡沫鞋底，并投放市場。
聚氨酯主要由異氰酸酯、聚醚多元醇、聚酯多元醇等反應(yīng)制得，據(jù)估計(jì)，若用生物基多元醇代替石油類多元醇，每100萬磅可節(jié)省2200桶原油。與石油類多元醇相比，植物油多元醇總體能源消耗降低23%，非可再生資源消耗降低61%，向大氣排放溫室氣體減少36%。
技術(shù)壁壘短期難打破
不過，由于受多重技術(shù)壁壘的限制，生物基聚氨酯產(chǎn)品還很難成為主流。
“用戶現(xiàn)在對生物基聚氨酯產(chǎn)品還存在疑慮，其性能還無法與石油基聚氨酯媲美，所以也影響了產(chǎn)品的推廣?！敝R凡更對記者說，目前研究開發(fā)生物基聚氨酯主要是用生物質(zhì)基聚醚代替石油基聚醚，這就要求生物基聚醚具有與石油基聚醚相近的物理化學(xué)特性，但是要做到這一點(diǎn)比較困難。
中國塑料加工工業(yè)協(xié)會降解塑料專業(yè)委員會秘書長翁云宣也對記者表示，對比石油基聚氨酯，生物基聚氨酯的穩(wěn)定性相對較差。諶凡更也指出，由生物質(zhì)原料生產(chǎn)的多種生物質(zhì)基聚醚，存在結(jié)構(gòu)可控性差的缺點(diǎn)。
“目前人們難以像生產(chǎn)石油基聚醚那樣，根據(jù)對產(chǎn)品性能的需求來設(shè)計(jì)生物質(zhì)聚醚結(jié)構(gòu)，并且按照這樣的設(shè)計(jì)來合成生物質(zhì)聚醚產(chǎn)品。”諶凡更說。
另外，大多生物質(zhì)原料還存在原料特性隨原料產(chǎn)地、生長期不同而有較大差異的情況。不僅如此，對于當(dāng)前開發(fā)熱點(diǎn)之一的生物可降解植物基聚氨酯材料，王仕財(cái)表示，其合成機(jī)理、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、降解機(jī)理及其降解速度的可控性等，也都有待于進(jìn)一步研究。
如何迎接黃金期
分析人士指出，隨著國內(nèi)聚氨酯下游制品需求量的增加以及眾多跨國企業(yè)將業(yè)務(wù)重點(diǎn)和研發(fā)中心轉(zhuǎn)移至中國市場，未來國內(nèi)聚氨酯產(chǎn)業(yè)將迎來黃金期。
為搶占市場先機(jī)，國內(nèi)聚氨酯企業(yè)紛紛將目光投向生物基產(chǎn)品的開發(fā)中。
“其實(shí)，國內(nèi)生物基聚氨酯開發(fā)技術(shù)并不比國外差。”翁云宣對記者介紹稱，例如南京紅寶麗利用可再生植物油為原料制備聚氨酯硬泡;江蘇中科金龍以二氧化碳為原料生產(chǎn)出高阻燃聚氨酯保溫材料;植物纖維基多元醇以及植物纖維基聚氨酯也開始走向工業(yè)生產(chǎn)。
不過，在諶凡更看來，目前國內(nèi)生物基聚氨酯材料研究開發(fā)的總體水平仍不夠高?！皬难芯亢烷_發(fā)本身來講，需要有更多的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)參與，開發(fā)出更多的生物質(zhì)基聚氨酯產(chǎn)品，適應(yīng)不同的用戶需求;從聚氨酯開發(fā)者的角度講，仍需要通過新的合成手段來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能的可控?！?/p>
他認(rèn)為，生物基聚氨酯的發(fā)展還需要國家政策的支持，例如制定專門的適用于生物基聚氨酯的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn);在政府采購以及稅收等方面，應(yīng)當(dāng)制定一些有利于生物基產(chǎn)品的政策，以便讓新產(chǎn)品在社會上起到示范作用。
另外，聚氨酯的阻燃性提高與否是聚氨酯材料能否進(jìn)一步在國內(nèi)推廣利用的關(guān)鍵，而這也是生物質(zhì)基聚氨酯今后的研究發(fā)展方向。
翁云宣則表示，聚氨酯企業(yè)的合成反應(yīng)裝置由于習(xí)慣了石油基原料，要想適應(yīng)新的生物基多元醇原料，還需要有一個摸索的過程。不過，在他看來，生物基聚氨酯產(chǎn)品仍是聚氨酯產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢。
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可降解聚氨酯材料制備技術(shù)發(fā)展歷程
根據(jù)可降解聚氨酯材料的設(shè)計(jì)方法和制備手段的不同,并按照方法的復(fù)雜程度或出現(xiàn)的時間順序,可降解聚氨酯材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段,即與天然高分子的直接復(fù)合;與改性天然高分子復(fù)合;植物多元醇基聚氨酯;主鏈設(shè)計(jì)型可降解聚氨酯。
與天然高分子直接復(fù)合是最初廣泛采用的一種制備可降解聚氨酯泡沫塑料的途徑，即在聚氨酯基體中引入纖維素、淀粉、甲殼素等天然高分子。天然高分子為儲量豐富的可再生資源,在自然界大多具有良好的可生物降解性,將其以填料形式引入聚氨酯基體,可以賦予聚氨酯一定可生物降解性。
與改性天然高分子復(fù)合是針對天然高分子直接引入聚氨酯基體存在相容性差、反應(yīng)效率低等問題，通過改性后共混的方法能夠進(jìn)一步改善聚氨酯材料的降解性能和力學(xué)性能。研究表明,用改性后的淀粉合成的聚氨酯泡沫塑料更易于降解。
植物多元醇基聚氨酯是指將木材、稻草、秸稈等生物原料利用聚乙二醇液化試劑在酸催化下進(jìn)行液化,作為多元醇與有機(jī)多異氰酸酯反應(yīng)合成聚氨酯。由于在聚氨酯鏈段中引入了可以自然降解的天然多糖系成分,這種聚氨酯具有較好的降解性能。但是,以植物原料的多元醇液化途徑制取植物多元醇,進(jìn)而用于可降解聚氨酯材料制備的方法,尚存在一些需要解決的難題。
從分子主鏈結(jié)構(gòu)出發(fā),是可降解聚氨酯設(shè)計(jì)與制備的必由之路。主鏈設(shè)計(jì)型可降解聚氨酯的優(yōu)勢在于可以達(dá)到完全降解，并且力學(xué)性能和降解速度可調(diào)性強(qiáng)，但其未來發(fā)展還需要解決新型原料的設(shè)計(jì)與合成成本較高等問題。
