沒有它，世界可能會變得柔軟而溫暖。我們的休閑服裝可能少流水。我們運動鞋中的鞋墊可能無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“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用中的常見塑料-已成為21世紀的主要產(chǎn)品，為日常生活的各個方面增加了便利性，舒適性，甚至美觀。

該材料的絕對多功能性(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1600萬噸的聚氨酯。

化學家菲爾·皮恩科斯(Phil Pienkos)反映：“我們的生活中幾乎沒有什么方面不受聚氨酯的影響。”在近40年的研究之后，他最近從國家可再生能源實驗室(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：“目前的方法主要依靠有毒化學物質和不可再生的石油。” “我們希望開發(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 實驗室的結果是肯定的。

通過使用亞麻籽油，廢油脂或什至藻類等無毒資源的新型化學方法，Pienkos和他的NREL同事，化學工程專家Tao Dong，開發(fā)了一種開創(chuàng)性的方法來生產(chǎn)不含毒性前體的可再生聚氨酯。

這是一項突破，具有使鞋類，汽車，床墊等產(chǎn)品的市場綠色化的潛力。

但是，要掌握這項成就的巨大分量，回顧一下科學的發(fā)展是有幫助的，這個故事從傳統(tǒng)聚氨酯的化學基礎走到了藻類實驗室，在那里首次提出了新化學方法，并逐步建立新的企業(yè)合作伙伴關系，從而為有希望的商業(yè)化未來奠定基礎。

化學問題

當聚氨酯在1950年代首次商業(yè)化銷售時，它迅速流行起來，可用于多種產(chǎn)品和應用中。這在很大程度上要歸功于該材料的動態(tài)和可調特性，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，每種材料都具有獨特而有用的特性。

例如，由長鏈多元醇生產(chǎn)可能會產(chǎn)生用于枕頭柔軟床墊的軟質泡沫。另一種配方可能產(chǎn)生一種豐富的液體，當該液體散布在家具上時，既可以保護木材，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)聚氨酯時說：“這就是異氰酸酯的美。它具有形成泡沫的能力。”

但董說，異氰酸酯也帶來很大的不利影響。盡管這些化學物質具有快速的反應速度，使其非常適合許多行業(yè)應用，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，哮喘和其他嚴重的肺部疾病。

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

為了解決這些以及其他問題，例如對石化產(chǎn)品的依賴，來自世界各地實驗室的科學家已經(jīng)開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)生了不同的結果。有些缺乏工業(yè)應用所需的性能。其他的則不是完全可再生的。

因此，改進聚氨酯的挑戰(zhàn)仍然是創(chuàng)新的時機。

皮恩科斯五年前第一次遇到困境時說：“我們可以做得更好。” 在這個機會的激勵下，他與同樣來自NREL的Dong和Lieve Laurens一起，尋求更好的聚氨酯化學。

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(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)品作為收入來源的方法。

對于藻類生物精制，問題變得幾乎相同。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毒聚氨酯配方的原料?

對于Dong來說，在基本化學水平上回答問題是很容易的部分-當然可以。1950年代的科學家表明，可以通過非異氰酸酯途徑合成聚氨酯。

董說，真正的挑戰(zhàn)是弄清楚如何加快反應速度以與傳統(tǒng)工藝競爭。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)化的主要技術障礙。

Dong解釋說：“文獻中描述的基于生物的非異氰酸酯方法的反應性較慢。” “因此，我們需要確保我們具有與傳統(tǒng)化學相當?shù)姆磻浴?rdquo;

NREL的過程通過巧妙的化學過程開發(fā)生物基配方，從而克服了這一障礙。它從環(huán)氧化過程開始，該過程為基礎油(從低芥酸菜子油或亞麻子油到藻類或食物殘渣的任何物質)準備進行進一步的化學反應。通過使這些環(huán)氧化的脂肪酸與空氣或煙道氣中的CO 2反應，生成碳酸化的單體。最后，Dong在聚合過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源)結合在一起，產(chǎn)生一種可固化成樹脂的材料-非異氰酸酯聚氨酯。

通過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設法合成了性能與傳統(tǒng)聚氨酯相當?shù)木酆衔?。換句話說，他開發(fā)了一種可行的可再生，無毒的替代傳統(tǒng)聚氨酯的產(chǎn)品。

化學也帶來了額外的環(huán)境效益。

Pienkos說：“ 最終聚合物的30%都是CO 2，”他補充說，當考慮到植物或藻類吸收的CO 2會首先產(chǎn)生油和氨基酸時，該數(shù)字甚至會更令人印象深刻。地點。

CO 2是一種無處不在的溫室氣體，通常被認為是各種工業(yè)過程中的不幸廢物，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來源的方法。通過將CO 2摻入聚氨酯的結構中，Pienkos和Dong提供了提高其價值的途徑。

Pienkos繼續(xù)說道：“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，這提供了顯著的可持續(xù)性機會。”

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，擴大規(guī)模以滿足市場需求。

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

Dong解釋說：“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程保持一致。”

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

例如，獲得2020年美國能源部技術商業(yè)化基金的獎項，帶來了730,000美元的聯(lián)邦資金，以幫助開發(fā)該技術，并從戶外服裝公司Patagonia，床墊公司Tempur Sealy和其他公司獲得了“實物”成本分攤，一家名為Algix的新興生物技術公司。

皮恩科斯說，其他行業(yè)的公司也表現(xiàn)出了初步興趣。他說：“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)標準的聚合物。

“我們已經(jīng)證明了化學反應是可調的，” Dong說。“我們可以通過我們的方法來控制最終性能。”

例如，通過控制環(huán)氧化過程或碳化量，該過程可適合滿足產(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度，以承受熱瀝青或冷瀝青中許多英里的沖擊。或者它可以使床墊在剛度和支撐之間達到平衡。

皮恩科斯談到商業(yè)化的機會時說：“它有法規(guī)的推動。它有市場的吸引力。它有潛力在成本的基礎上與不可再生能源競爭。它的碳足跡更低。它擁有一切。” “這成為我在NREL上職業(yè)生涯中最激動人心的方面。因此，當我退休時，我決定要實現(xiàn)這一目標。我希望看到這項技術真正進入市場。”

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)擔任NREL退休研究人員的同時，他還通過國際可持續(xù)發(fā)展倡議“ Fashion for Good”，在行業(yè)范圍內尋找其他公司合作伙伴，尤其是在時裝行業(yè)。

他解釋說：“在時裝界，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。”

實際上，對于Pienkos和Dong而言，可再生，無毒聚氨酯的突破已不僅僅是令人興奮的科學冒險。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：“我認為這是解決塑料污染問題的好機會。” “我們需要保護我們的環(huán)境，其中一部分要從制造可再生塑料開始。”

皮恩科斯(Pienkos)也認為，該合資企業(yè)的商業(yè)成功可能是推動進一步增長和將可再生，綠色產(chǎn)品推向市場的成功的催化劑。

他說：“這對于NREL來說可能是一個成功的故事。” “在這里取得成功對全世界來說意義重大。”

在這種情況下，成功的衡量標準不只是生產(chǎn)過程的可承受性或聚氨酯化學物質的碳吸收量。在一個擁有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衣服的耐用性，鞋子的舒適性或在記憶泡沫床墊上睡覺后所煥發(fā)的活力。