• 科學家開發出更綠色的聚氨酯材料

      聚氨酯是一種常見的塑料,應用范圍從可噴射泡沫、粘合劑到合成服裝纖維,已經成為21世紀的主要產品,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品制成,其獨特的多功能性使得聚氨酯成為一系列產品的首選塑料。如今,全球每年生產的聚氨酯超過1600萬噸。

      “我們生活中很少有不存在聚氨酯的地方,”Phil Pienkos說。他是一位化學家,經過近40年的研究,最近從國家可再生能源實驗室(NREL)退休。

      但Phil Pienkos的職業生涯是研究生產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方式。

      “目前的方法主要依賴有毒化學物質和不可再生石油,我們想開發一種新的塑料,它具有傳統聚氨酯的所有有用性能,但不會產生昂貴的環境副作用。”

      有可能嗎?實驗室的結果是肯定的。

      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方法,Phil Pienkos和他的NREL同事、化學工程專家Tao Dong開發了一種無有毒前體的可再生聚氨酯的開創性方法。

      這是一個突破性的突破,具有使鞋類、汽車、床墊等產品市場綠色化的潛力。

      但是,為了理解這項成就的意義,回顧一下科學進步是如何產生的,一個從傳統聚氨酯的化學基礎到藻類實驗室的故事是很有幫助的,在那里,一種新的化學概念首次出現,并逐步發展成新的企業合作伙伴關系,為商業化的前景創造了良好的條件。

      化學問題

      當聚氨酯在20世紀50年代首次商業化時,它在眾多產品和應用中迅速普及。這在很大程度上是由于這種材料的動態和可調特性,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過程,傳統聚氨酯制造商的基本組成部分可以定制其配方,生產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,可能會產生柔軟的泡沫,用于枕頭軟床墊。另一種配方可能會產生一種液體,當涂在家具上時,既能保護又能展現木紋的內在美。第三批可能包括二氧化碳(CO2)來使這種材料膨脹,產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面影響。雖然這些化學物質具有快速的反應速度,使它們對許多工業應用具有高度的適應性,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的。當吸入異氰酸酯時,會導致一系列的不良健康影響,如皮膚、眼睛和喉嚨刺激、哮喘和其他嚴重的肺部問題。

      “如果含有傳統聚氨酯的產品被燃燒,這些異氰酸酯會揮發并釋放到大氣中。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慎的預防措施來保護自己的健康。” 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品,來自世界各地實驗室的科學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生了喜憂參半的結果。有些產品缺乏工業應用所需的性能。其他的則不能完全再生。

      因此,改進聚氨酯的挑戰,仍然處于很好的創新時機。

      “我們可以做得更好,”五年前,當Phil Pienkos第一次遇到困境時,他想。在這個機會的激勵下,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。

      重新思考聚氨酯的組成部分

      這個想法源于一個看似無關的實驗室問題:降低藻類生物燃料的成本。與許多傳統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,在基本化學水平上回答這個問題是他們當然能做到的最簡單的部分。20世紀50年代的科學家們已經證明了從非異氰酸酯途徑合成聚氨酯是可能的。

      Tao Dong說,真正的挑戰是如何加快反應速度,與傳統工藝競爭。他需要生產性能至少和傳統材料一樣好的聚合物,這是生物基聚氨酯商業化的主要技術障礙。

      “文獻中描述的非異氰酸酯生物反應過程的反應速度較慢,” Tao Dong解釋說因此,我們需要確保我們的反應性與傳統化學相當。”

      NREL的過程克服了障礙,通過一個巧妙的化學過程開發生物基配方。它從一個環氧化過程開始,這一過程可以制備基礎油,從菜籽油或亞麻籽油到藻類或食物殘渣,以進行進一步的化學反應。通過將這些環氧化脂肪酸與空氣或煙氣中的二氧化碳反應,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聚氨酯媲美的聚合物。換言之,他已經開發出一種替代傳統聚氨酯的可行的、可再生的、無毒的替代品。

      而且這種化學物質還有一個額外的環境效益。

      “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,通常被認為是各種工業過程中的一種無用的廢物,促使許多公司想方設法吸收、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通過在聚氨酯的結構中加入二氧化碳,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發展機會。” Phil Pienkos繼續說道。

      可再生能源解決方案找到了它的商業立足點

      下一步是看這個過程是否可以商業化,擴大規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,而不必對設施或設備進行昂貴的升級。

      “這就是為什么我們需要與行業合作伙伴合作,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,幾家公司已經為其商業化貢獻了資源和研究伙伴關系。

      例如,美國能源部2020年的一項技術商業化基金獎帶來了73萬美元的聯邦資金來幫助開發這項技術,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的初創生物技術公司的“實物”成本分攤。

      Phil Pienkos說,其他行業的公司也表現出了初步的興趣。”這些公司認為這是有希望的。”。

      他們感興趣的部分原因可能是Phil Pienkos和Tao Dong的方法的可調性,這使得他們能夠像傳統方法一樣,制造出符合行業標準的聚合物。

      “我們已經證明了這種化學反應是可調的,我們可以通過我們的方法控制最終的表現。” Tao Dong說。

      例如,通過控制環氧化過程或碳化量,該過程可以適合于滿足產品的性能需求。這樣一來,一雙跑鞋的外底就有足夠的彈性和強度,可以承受在高溫或低溫瀝青路面上行駛數英里。或者它可以給床墊一個剛度和支撐的平衡。

      “這是監管的推動。有市場吸引力。它有可能在成本基礎上與非可再生能源競爭。它的碳足跡更低。”Phil Pienkos談到商業化的機會時說:“這成為我在NREL職業生涯中最令人興奮的方面。所以,當我退休的時候,我決定要實現這個目標。我希望看到這項技術真正進入市場。”

      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化。因此,當他繼續履行作為NREL退休研究員的職責時,他也在拓展行業,以尋找更多的企業合作伙伴,特別是通過國際可持續發展倡議在時尚行業尋找更多的合作伙伴。

      他解釋說:“在時尚行業,顧客要求可持續發展。”如果你能展示出更低的碳足跡、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不僅僅是一個令人興奮的科學冒險。在產品上留下一個更少的環境足跡。

      Tao Dong說:“我認為這是一個解決塑料污染問題的好機會,我們需要保護我們的環境,其中一部分是從使塑料再生開始。”

      Pienkos也認為,這項業務在商業上的成功可能是一種催化劑,可以刺激公司進一步發展,并在將可再生、更環保的產品推向市場方面取得進一步成功。

      “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,衡量成功的標準可能不止是生產工藝的可承受性或聚氨酯化學的碳吸收量。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活力方面真正感受到的。


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