沒(méi)有它，世界可能會(huì)變得柔軟而溫暖。我們的休閑服裝可能少流水。我們運(yùn)動(dòng)鞋中的鞋墊可能無(wú)法提供相同的治療性足弓支撐。成品家具中的木紋可能不會(huì)“爆裂”。

的確，聚氨酯-一種在從可噴涂泡沫到粘合劑到合成服裝纖維等多種應(yīng)用中的常見(jiàn)塑料-已成為21世紀(jì)的主要產(chǎn)品，為日常生活的各個(gè)方面增加了便利性，舒適性，甚至美觀。

該材料的絕對(duì)多功能性(目前主要由石油副產(chǎn)品制成)使聚氨酯成為許多產(chǎn)品的首選塑料。如今，全球每年生產(chǎn)超過(guò)1600萬(wàn)噸的聚氨酯。

化學(xué)家菲爾·皮恩科斯(Phil Pienkos)反映：“我們的生活中幾乎沒(méi)有什么方面不受聚氨酯的影響。”在近40年的研究之后，他最近從國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)退休。

但是，皮恩科斯(Pienkos)致力于研究生產(chǎn)生物基燃料和材料的新方法，他致力于研究如何生產(chǎn)聚氨酯。

他說(shuō)：“目前的方法主要依靠有毒化學(xué)物質(zhì)和不可再生的石油。” “我們希望開(kāi)發(fā)一種新型塑料，該塑料具有常規(guī)聚合物的所有有用特性，但又不具有昂貴的環(huán)境副作用。”

有可能嗎 實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果是肯定的。

通過(guò)使用亞麻籽油，廢油脂或什至藻類(lèi)等無(wú)毒資源的新型化學(xué)方法，Pienkos和他的NREL同事，化學(xué)工程專(zhuān)家Tao Dong，開(kāi)發(fā)了一種開(kāi)創(chuàng)性的方法來(lái)生產(chǎn)不含毒性前體的可再生聚氨酯。

這是一項(xiàng)突破，具有使鞋類(lèi)，汽車(chē)，床墊等產(chǎn)品的市場(chǎng)綠色化的潛力。

但是，要掌握這項(xiàng)成就的巨大分量，回顧一下科學(xué)的發(fā)展是有幫助的，這個(gè)故事從傳統(tǒng)聚氨酯的化學(xué)基礎(chǔ)走到了藻類(lèi)實(shí)驗(yàn)室，在那里首次提出了新化學(xué)方法，并逐步建立新的企業(yè)合作伙伴關(guān)系，從而為有希望的商業(yè)化未來(lái)奠定基礎(chǔ)。

化學(xué)問(wèn)題

當(dāng)聚氨酯在1950年代首次商業(yè)化銷(xiāo)售時(shí)，它迅速流行起來(lái)，可用于多種產(chǎn)品和應(yīng)用中。這在很大程度上要?dú)w功于該材料的動(dòng)態(tài)和可調(diào)特性，以及用于制造該材料的石油基成分的可用性和可承受性。

通過(guò)使用多元醇和異氰酸酯(常規(guī)聚氨酯的基本組成部分)的巧妙化學(xué)工藝，制造商可以定制其配方，以生產(chǎn)出各種驚人的聚氨酯材料，每種材料都具有獨(dú)特而有用的特性。

例如，由長(zhǎng)鏈多元醇生產(chǎn)可能會(huì)產(chǎn)生用于枕頭柔軟床墊的軟質(zhì)泡沫。另一種配方可能產(chǎn)生一種豐富的液體，當(dāng)該液體散布在家具上時(shí)，既可以保護(hù)木材，又可以揭示木紋的固有美感。第三批可能包含二氧化碳(CO 2)來(lái)使材料膨脹，產(chǎn)生可噴涂的泡沫，然后將其干燥成剛性和多孔的隔熱層，非常適合在家里保溫。

董在談到常規(guī)聚氨酯時(shí)說(shuō)：“這就是異氰酸酯的美。它具有形成泡沫的能力。”

但董說(shuō)，異氰酸酯也帶來(lái)很大的不利影響。盡管這些化學(xué)物質(zhì)具有快速的反應(yīng)速度，使其非常適合許多行業(yè)應(yīng)用，但它們也具有劇毒作用，并且是由劇毒的光氣制成的。吸入異氰酸酯可導(dǎo)致一系列不良健康影響，如皮膚，眼睛和喉嚨刺激，哮喘和其他嚴(yán)重的肺部疾病。

Pienkos補(bǔ)充說(shuō)：“如果燃燒含有常規(guī)聚氨酯的產(chǎn)品，那些異氰酸酯就會(huì)揮發(fā)并釋放到大氣中。” 皮恩科斯說(shuō)，即使簡(jiǎn)單地噴涂聚氨酯作為絕緣材料，也可以使異氰酸酯霧化，要求工人采取謹(jǐn)慎的預(yù)防措施來(lái)保護(hù)自己的健康。

為了解決這些以及其他問(wèn)題，例如對(duì)石化產(chǎn)品的依賴(lài)，來(lái)自世界各地實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始尋找利用生物資源合成聚氨酯的新方法。但是這些努力在很大程度上產(chǎn)生了不同的結(jié)果。有些缺乏工業(yè)應(yīng)用所需的性能。其他的則不是完全可再生的。

因此，改進(jìn)聚氨酯的挑戰(zhàn)仍然是創(chuàng)新的時(shí)機(jī)。

皮恩科斯五年前第一次遇到困境時(shí)說(shuō)：“我們可以做得更好。” 在這個(gè)機(jī)會(huì)的激勵(lì)下，他與同樣來(lái)自NREL的Dong和Lieve Laurens一起，尋求更好的聚氨酯化學(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(wèn)題：降低藻類(lèi)生物燃料的成本。與許多傳統(tǒng)的石化精煉工藝一樣，生物燃料精煉商也在尋找利用其工藝副產(chǎn)品作為收入來(lái)源的方法。

對(duì)于藻類(lèi)生物精制，問(wèn)題變得幾乎相同。該工藝中產(chǎn)生的廢脂和氨基酸能否成為珍貴的可再生和無(wú)毒聚氨酯配方的原料?

對(duì)于Dong來(lái)說(shuō)，在基本化學(xué)水平上回答問(wèn)題是很容易的部分-當(dāng)然可以。1950年代的科學(xué)家表明，可以通過(guò)非異氰酸酯途徑合成聚氨酯。

董說(shuō)，真正的挑戰(zhàn)是弄清楚如何加快反應(yīng)速度以與傳統(tǒng)工藝競(jìng)爭(zhēng)。他需要生產(chǎn)性能至少與傳統(tǒng)材料相同的聚合物，這是生物基聚氨酯商業(yè)化的主要技術(shù)障礙。

Dong解釋說(shuō)：“文獻(xiàn)中描述的基于生物的非異氰酸酯方法的反應(yīng)性較慢。” “因此，我們需要確保我們具有與傳統(tǒng)化學(xué)相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)性。”

NREL的過(guò)程通過(guò)巧妙的化學(xué)過(guò)程開(kāi)發(fā)生物基配方，從而克服了這一障礙。它從環(huán)氧化過(guò)程開(kāi)始，該過(guò)程為基礎(chǔ)油(從低芥酸菜子油或亞麻子油到藻類(lèi)或食物殘?jiān)娜魏挝镔|(zhì))準(zhǔn)備進(jìn)行進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)使這些環(huán)氧化的脂肪酸與空氣或煙道氣中的CO 2反應(yīng)，生成碳酸化的單體。最后，Dong在聚合過(guò)程中將碳酸化的單體與二胺(衍生自氨基酸，另一種基于生物的來(lái)源)結(jié)合在一起，產(chǎn)生一種可固化成樹(shù)脂的材料-非異氰酸酯聚氨酯。

通過(guò)用精選的天然油代替石油基多元醇，并用生物基氨基酸替代有毒異氰酸酯，Dong設(shè)法合成了性能與傳統(tǒng)聚氨酯相當(dāng)?shù)木酆衔?。換句話(huà)說(shuō)，他開(kāi)發(fā)了一種可行的可再生，無(wú)毒的替代傳統(tǒng)聚氨酯的產(chǎn)品。

化學(xué)也帶來(lái)了額外的環(huán)境效益。

Pienkos說(shuō)：“ 最終聚合物的30%都是CO 2，”他補(bǔ)充說(shuō)，當(dāng)考慮到植物或藻類(lèi)吸收的CO 2會(huì)首先產(chǎn)生油和氨基酸時(shí)，該數(shù)字甚至?xí)钊擞∠笊羁?。地點(diǎn)。

CO 2是一種無(wú)處不在的溫室氣體，通常被認(rèn)為是各種工業(yè)過(guò)程中的不幸廢物，促使許多公司尋找吸收，消除或什至很好地將其用作潛在利潤(rùn)來(lái)源的方法。通過(guò)將CO 2摻入聚氨酯的結(jié)構(gòu)中，Pienkos和Dong提供了提高其價(jià)值的途徑。

Pienkos繼續(xù)說(shuō)道：“這意味著每磅聚合物需要更少的原材料，更低的成本以及更低的總體碳足跡。” “在我們看來(lái)，這提供了顯著的可持續(xù)性機(jī)會(huì)。”

尋求可再生解決方案找到了商業(yè)腳

下一步是看該工藝是否可以商業(yè)化，擴(kuò)大規(guī)模以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

畢竟，無(wú)論是否可再生，聚氨酯都需要證明消費(fèi)者對(duì)名牌產(chǎn)品的期望。創(chuàng)建它的過(guò)程還必須與公司的制造過(guò)程相匹配，從而使他們能夠“投入”新材料，而不必花費(fèi)巨額成本進(jìn)行設(shè)施或設(shè)備的升級(jí)。

Dong解釋說(shuō)：“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過(guò)程保持一致。”

自Pienkos和Dong首次展示出生產(chǎn)完全可再生，無(wú)毒聚氨酯的可行性以來(lái)的短短兩年內(nèi)，幾家公司已經(jīng)為推動(dòng)其商業(yè)化做出了貢獻(xiàn)，并建立了研究合作伙伴關(guān)系。

例如，獲得2020年美國(guó)能源部技術(shù)商業(yè)化基金的獎(jiǎng)項(xiàng)，帶來(lái)了730,000美元的聯(lián)邦資金，以幫助開(kāi)發(fā)該技術(shù)，并從戶(hù)外服裝公司Patagonia，床墊公司Tempur Sealy和其他公司獲得了“實(shí)物”成本分?jǐn)?，一家名為Algix的新興生物技術(shù)公司。

皮恩科斯說(shuō)，其他行業(yè)的公司也表現(xiàn)出了初步興趣。他說(shuō)：“這些公司相信這是有希望的。”

他們的興趣在一定程度上是由于Pienkos和Dong的方法的可調(diào)諧性，這使它們像傳統(tǒng)方法一樣，可以制造出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的聚合物。

“我們已經(jīng)證明了化學(xué)反應(yīng)是可調(diào)的，” Dong說(shuō)。“我們可以通過(guò)我們的方法來(lái)控制最終性能。”

例如，通過(guò)控制環(huán)氧化過(guò)程或碳化量，該過(guò)程可適合滿(mǎn)足產(chǎn)品的性能需求。這可以使一雙跑步鞋的外底具有足夠的柔韌性和強(qiáng)度，以承受熱瀝青或冷瀝青中許多英里的沖擊?；蛘咚梢允勾矇|在剛度和支撐之間達(dá)到平衡。

皮恩科斯談到商業(yè)化的機(jī)會(huì)時(shí)說(shuō)：“它有法規(guī)的推動(dòng)。它有市場(chǎng)的吸引力。它有潛力在成本的基礎(chǔ)上與不可再生能源競(jìng)爭(zhēng)。它的碳足跡更低。它擁有一切。” “這成為我在NREL上職業(yè)生涯中最激動(dòng)人心的方面。因此，當(dāng)我退休時(shí)，我決定要實(shí)現(xiàn)這一目標(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，Pienkos繼續(xù)建立了Polaris Renewables公司，以幫助加速新型聚氨酯的商業(yè)化。因此，在他繼續(xù)擔(dān)任NREL退休研究人員的同時(shí)，他還通過(guò)國(guó)際可持續(xù)發(fā)展倡議“ Fashion for Good”，在行業(yè)范圍內(nèi)尋找其他公司合作伙伴，尤其是在時(shí)裝行業(yè)。

他解釋說(shuō)：“在時(shí)裝界，顧客要求可持續(xù)性。” “如果您能展示出更低的碳足跡，更好的使用壽命終止，他們將付出一定的綠色溢價(jià)。”

實(shí)際上，對(duì)于Pienkos和Dong而言，可再生，無(wú)毒聚氨酯的突破已不僅僅是令人興奮的科學(xué)冒險(xiǎn)。它為世界提供了一種在環(huán)境上留下淡淡痕跡的產(chǎn)品的途徑。

董說(shuō)：“我認(rèn)為這是解決塑料污染問(wèn)題的好機(jī)會(huì)。” “我們需要保護(hù)我們的環(huán)境，其中一部分要從制造可再生塑料開(kāi)始。”

皮恩科斯(Pienkos)也認(rèn)為，該合資企業(yè)的商業(yè)成功可能是推動(dòng)進(jìn)一步增長(zhǎng)和將可再生，綠色產(chǎn)品推向市場(chǎng)的成功的催化劑。

他說(shuō)：“這對(duì)于NREL來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)成功的故事。” “在這里取得成功對(duì)全世界來(lái)說(shuō)意義重大。”

在這種情況下，成功的衡量標(biāo)準(zhǔn)不只是生產(chǎn)過(guò)程的可承受性或聚氨酯化學(xué)物質(zhì)的碳吸收量。在一個(gè)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)谝路哪陀眯?，鞋子的舒適性或在記憶泡沫床墊上睡覺(jué)后所煥發(fā)的活力。