科学家开发出更绿色的聚氨酯材料

  聚氨酯是一种常见的塑料,应用范围从可喷射泡沫、粘合剂到合成服装纤维,已经成为21世纪的主要产品,为日常生活的许多方面增加了便利、舒适甚至美丽。

  这种材料目前主要由石油副产品制成,其独特的多功能性使得聚氨酯成为一系列产品的首选塑料。如今,全球每年生产的聚氨酯超过1600万吨。

  “我们生活中很少有不存在聚氨酯的地方,”Phil Pienkos说。他是一位化学家,经过近40年的研究,最近从国家可再生能源实验室(NREL)退休。

  但Phil Pienkos的职业生涯是研究生产生物燃料和材料的新方法。他说,人们越来越倾向于重新思考聚氨酯的生产方式。

  “目前的方法主要依赖有毒化学物质和不可再生石油,我们想开发一种新的塑料,它具有传统聚氨酯的所有有用性能,但不会产生昂贵的环境副作用。”

  有可能吗?实验室的结果是肯定的。

  通过一种利用亚麻籽油、废油脂、甚至藻类等无毒资源的新型化学方法,Phil Pienkos和他的NREL同事、化学工程专家Tao Dong开发了一种无有毒前体的可再生聚氨酯的开创性方法。

  这是一个突破性的突破,具有使鞋类、汽车、床垫等产品市场绿色化的潜力。

  但是,为了理解这项成就的意义,回顾一下科学进步是如何产生的,一个从传统聚氨酯的化学基础到藻类实验室的故事是很有帮助的,在那里,一种新的化学概念首次出现,并逐步发展成新的企业合作伙伴关系,为商业化的前景创造了良好的条件。

  化学问题

  当聚氨酯在20世纪50年代首次商业化时,它在众多产品和应用中迅速普及。这在很大程度上是由于这种材料的动态和可调特性,以及用于制造这种材料的石油基成分的可用性和可承受性。

  通过使用多元醇和异氰酸酯的巧妙化学过程,传统聚氨酯制造商的基本组成部分可以定制其配方,生产出各种各样的聚氨酯材料,每种材料都具有独特和有用的性能。

  例如,用长链多元醇生产,可能会产生柔软的泡沫,用于枕头软床垫。另一种配方可能会产生一种液体,当涂在家具上时,既能保护又能展现木纹的内在美。第三批可能包括二氧化碳(CO2)来使这种材料膨胀,产生一种可喷射的泡沫,干燥成坚硬多孔的隔热材料,非常适合在家里保温。

  “这就是异氰酸酯的美妙之处,” Tao Dong在反思传统聚氨酯时说,“它能形成泡沫。”

  但Tao Dong说,异氰酸酯也带来了明显的负面影响。虽然这些化学物质具有快速的反应速度,使它们对许多工业应用具有高度的适应性,但它们也是剧毒的,而且它们是由毒性更大的原料光气生产的。当吸入异氰酸酯时,会导致一系列的不良健康影响,如皮肤、眼睛和喉咙刺激、哮喘和其他严重的肺部问题。

  “如果含有传统聚氨酯的产品被燃烧,这些异氰酸酯会挥发并释放到大气中。即使是简单地喷涂聚氨酯作为绝缘材料,也会使异氰酸酯雾化,这就要求工人们采取谨慎的预防措施来保护自己的健康。” Phil Pienkos补充道。

  为了解决这些问题和其他问题,例如依赖石油化工产品,来自世界各地实验室的科学家们开始寻找利用生物资源合成聚氨酯的新方法。但这些努力在很大程度上产生了喜忧参半的结果。有些产品缺乏工业应用所需的性能。其他的则不能完全再生。

  因此,改进聚氨酯的挑战,仍然处于很好的创新时机。

  “我们可以做得更好,”五年前,当Phil Pienkos第一次遇到困境时,他想。在这个机会的激励下,他与同样来自NREL的Tao Dong和Lieve Laurens一起寻找更好的聚氨酯化学。

  重新思考聚氨酯的组成部分

  这个想法源于一个看似无关的实验室问题:降低藻类生物燃料的成本。与许多传统的石油化工炼油工艺一样,生物燃料炼油厂也在寻找方法,将其过程中的副产品作为收入来源。

  对于藻类生物净化来说,这个问题变得非常相似。从这一过程中产生的油脂和氨基酸能否成为一种既可再生又无毒的聚氨酯配方的原料?

  对Tao Dong来说,在基本化学水平上回答这个问题是他们当然能做到的最简单的部分。20世纪50年代的科学家们已经证明了从非异氰酸酯途径合成聚氨酯是可能的。

  Tao Dong说,真正的挑战是如何加快反应速度,与传统工艺竞争。他需要生产性能至少和传统材料一样好的聚合物,这是生物基聚氨酯商业化的主要技术障碍。

  “文献中描述的非异氰酸酯生物反应过程的反应速度较慢,” Tao Dong解释说因此,我们需要确保我们的反应性与传统化学相当。”

  NREL的过程克服了障碍,通过一个巧妙的化学过程开发生物基配方。它从一个环氧化过程开始,这一过程可以制备基础油,从菜籽油或亚麻籽油到藻类或食物残渣,以进行进一步的化学反应。通过将这些环氧化脂肪酸与空气或烟气中的二氧化碳反应,生成碳化单体。最后,在聚合过程中,Tao Dong将碳化单体与二胺(来自另一种生物基来源的氨基酸)结合,生成固化成树脂型非异氰酸酯聚氨酯材料。

  通过用精选的天然油取代石油基多元醇,用生物基氨基酸取代有毒异氰酸酯,董成功合成了性能可与传统聚氨酯媲美的聚合物。换言之,他已经开发出一种替代传统聚氨酯的可行的、可再生的、无毒的替代品。

  而且这种化学物质还有一个额外的环境效益。

  “最终聚合物中30%的重量是二氧化碳,考虑到植物或藻类吸收的二氧化碳来制造油脂和氨基酸,这个数字更令人印象深刻。”Phil Pienkos说。

  二氧化碳是一种普遍存在的温室气体,通常被认为是各种工业过程中的一种无用的废物,促使许多公司想方设法吸收、消除二氧化碳,甚至将其作为潜在的利润来源加以利用。Phil Pienkos和Tao Dong通过在聚氨酯的结构中加入二氧化碳,为提高其价值提供了一条途径。

  “这意味着每磅聚合物的原材料更少,成本更低,总体碳足迹更低。在我们看来,这将提供显著的可持续发展机会。” Phil Pienkos继续说道。

  可再生能源解决方案找到了它的商业立足点

  下一步是看这个过程是否可以商业化,扩大规模以满足市场的需求。

  毕竟,无论是否可再生,聚氨酯都需要展示消费者对名牌产品的期望。制造新材料的过程也必须与公司的制造工艺相匹配,这样他们就可以“投入”新材料,而不必对设施或设备进行昂贵的升级。

  “这就是为什么我们需要与行业合作伙伴合作,以确保我们的研究与他们的制造工艺相一致。” Tao Dong解释说。

  在Phil Pienkos和Tao Dong首次证明生产完全可再生、无毒的聚氨酯的可行性后的短短两年里,几家公司已经为其商业化贡献了资源和研究伙伴关系。

  例如,美国能源部2020年的一项技术商业化基金奖带来了73万美元的联邦资金来帮助开发这项技术,以及户外服装公司巴塔哥尼亚、床垫公司Tempur Sealy和一家名为Algix的初创生物技术公司的“实物”成本分摊。

  Phil Pienkos说,其他行业的公司也表现出了初步的兴趣。”这些公司认为这是有希望的。”。

  他们感兴趣的部分原因可能是Phil Pienkos和Tao Dong的方法的可调性,这使得他们能够像传统方法一样,制造出符合行业标准的聚合物。

  “我们已经证明了这种化学反应是可调的,我们可以通过我们的方法控制最终的表现。” Tao Dong说。

  例如,通过控制环氧化过程或碳化量,该过程可以适合于满足产品的性能需求。这样一来,一双跑鞋的外底就有足够的弹性和强度,可以承受在高温或低温沥青路面上行驶数英里。或者它可以给床垫一个刚度和支撑的平衡。

  “这是监管的推动。有市场吸引力。它有可能在成本基础上与非可再生能源竞争。它的碳足迹更低。”Phil Pienkos谈到商业化的机会时说:“这成为我在NREL职业生涯中最令人兴奋的方面。所以,当我退休的时候,我决定要实现这个目标。我希望看到这项技术真正进入市场。”

  去年4月退休后,Phil Pienkos成立了一家名为Polaris Renewables的公司,以帮助加快新型聚氨酯的商业化。因此,当他继续履行作为NREL退休研究员的职责时,他也在拓展行业,以寻找更多的企业合作伙伴,特别是通过国际可持续发展倡议在时尚行业寻找更多的合作伙伴。

  他解释说:“在时尚行业,顾客要求可持续发展。”如果你能展示出更低的碳足迹、更好的生命周期末端处置能力,他们将支付一定的绿色溢价。”

  事实上,对Pienkos和Dong来说,可再生无毒聚氨酯的突破已经不仅仅是一个令人兴奋的科学冒险。在产品上留下一个更少的环境足迹。

  Tao Dong说:“我认为这是一个解决塑料污染问题的好机会,我们需要保护我们的环境,其中一部分是从使塑料再生开始。”

  Pienkos也认为,这项业务在商业上的成功可能是一种催化剂,可以刺激公司进一步发展,并在将可再生、更环保的产品推向市场方面取得进一步成功。

  “这可能是NREL的一个成功案例,这里的成功对世界意义重大。”

  在这种情况下,衡量成功的标准可能不止是生产工艺的可承受性或聚氨酯化学的碳吸收量。在拥有NREL的可再生,无毒聚氨酯的世界里,成功的真正原因可能是我们在服装的耐用性,鞋子的舒适性或在记忆泡沫床垫上睡觉后的焕发活力方面真正感受到的。


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