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，最近從國家可再生能源實驗室(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，人們越來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，但不會產(chǎn)生昂貴的環(huán)境副作用?！?
有可能嗎?實驗室的結(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)了一種無有毒前體的可再生聚氨酯的開創(chuàng)性方法。
這是一個突破性的突破，具有使鞋類、汽車、床墊等產(chǎn)品市場綠色化的潛力。
但是，為了理解這項成就的意義，回顧一下科學(xué)進(jìn)步是如何產(chǎn)生的，一個從傳統(tǒng)聚氨酯的化學(xué)基礎(chǔ)到藻類實驗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，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，每種材料都具有獨特和有用的性能。
例如，用長鏈多元醇生產(chǎn)，可能會產(chǎn)生柔軟的泡沫，用于枕頭軟床墊。另一種配方可能會產(chǎn)生一種液體，當(dāng)涂在家具上時，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)來使這種材料膨脹，產(chǎn)生一種可噴射的泡沫，干燥成堅硬多孔的隔熱材料，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)聚氨酯時說，“它能形成泡沫。”
但Tao
Dong說，異氰酸酯也帶來了明顯的負(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，會導(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，這些異氰酸酯會揮發(fā)并釋放到大氣中。即使是簡單地噴涂聚氨酯作為絕緣材料，也會使異氰酸酯霧化，這就要求工人們采取謹(jǐn)慎的預(yù)防措施來保護(hù)自己的健康。”
Phil Pienkos補充道。
為了解決這些問題和其他問題，例如依賴石油化工產(chǎn)品，來自世界各地實驗室的科學(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，他想。在這個機(jī)會的激勵下，他與同樣來自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
這個想法源于一個看似無關(guān)的實驗室問題：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)品作為收入來源。
對于藻類生物凈化來說，這個問題變得非常相似。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毒的聚氨酯配方的原料?
對Tao
Dong來說，在基本化學(xué)水平上回答這個問題是他們當(dāng)然能做到的最簡單的部分。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)工藝競爭。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，通過一個巧妙的化學(xué)過程開發(fā)生物基配方。它從一個環(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渣，以進(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(來自另一種生物基來源的氨基酸)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、無毒的替代品。
而且這種化學(xué)物質(zhì)還有一個額外的環(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制造油脂和氨基酸，這個數(shù)字更令人印象深刻。”Phil 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來源加以利用。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，這將提供顯著的可持續(xù)發(fā)展機(jī)會?！?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
下一步是看這個過程是否可以商業(yè)化，擴(kuò)大規(guī)模以滿足市場的需求。
畢竟，無論是否可再生，聚氨酯都需要展示消費者對名牌產(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，而不必對設(shè)施或設(shè)備進(jìn)行昂貴的升級。
“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，美國能源部2020年的一項技術(shù)商業(yè)化基金獎帶來了73萬美元的聯(lián)邦資金來幫助開發(fā)這項技術(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。”這些公司認(rèn)為這是有希望的。”。
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，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床墊一個剛度和支撐的平衡。
“這是監(jiān)管的推動。有市場吸引力。它有可能在成本基礎(chǔ)上與非可再生能源競爭。它的碳足跡更低?！盤hil
Pienkos談到商業(yè)化的機(jī)會時說：“這成為我在NREL職業(yè)生涯中最令人興奮的方面。所以，當(dāng)我退休的時候，我決定要實現(xiàn)這個目標(biāo)。我希望看到這項技術(shù)真正進(jìn)入市場。”
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，他也在拓展行業(yè)，以尋找更多的企業(yè)合作伙伴，特別是通過國際可持續(xù)發(fā)展倡議在時尚行業(yè)尋找更多的合作伙伴。
他解釋說：“在時尚行業(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?！?
事實上，對Pienkos和Dong來說，可再生無毒聚氨酯的突破已經(jīng)不僅僅是一個令人興奮的科學(xué)冒險。在產(chǎn)品上留下一個更少的環(huán)境足跡。
Tao Dong說：“我認(rèn)為這是一個解決塑料污染問題的好機(jī)會，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)品推向市場方面取得進(jìn)一步成功。
“這可能是NREL的一個成功案例，這里的成功對世界意義重大?！?
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，無毒聚氨酯的世界里，成功的真正原因可能是我們在服裝的耐用性，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。
