没有它，世界可能会变得柔软而温暖。我们的休闲服装可能少流水。我们运动鞋中的鞋垫可能无法提供相同的治疗性足弓支撑。成品家具中的木纹可能不会“爆裂”。

的确，聚氨酯-一种在从可喷涂泡沫到粘合剂到合成服装纤维等多种应用中的常见塑料-已成为21世纪的主要产品，为日常生活的各个方面增加了便利性，舒适性，甚至美观。

该材料的绝对多功能性(目前主要由石油副产品制成)使聚氨酯成为许多产品的首选塑料。如今，全球每年生产超过1600万吨的聚氨酯。

化学家菲尔·皮恩科斯(Phil Pienkos)反映：“我们的生活中几乎没有什么方面不受聚氨酯的影响。”在近40年的研究之后，他最近从国家可再生能源实验室(NREL)退休。

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

他说：“目前的方法主要依靠有毒化学物质和不可再生的石油。” “我们希望开发一种新型塑料，该塑料具有常规聚合物的所有有用特性，但又不具有昂贵的环境副作用。”

有可能吗 实验室的结果是肯定的。

通过使用亚麻籽油，废油脂或什至藻类等无毒资源的新型化学方法，Pienkos和他的NREL同事，化学工程专家Tao Dong，开发了一种开创性的方法来生产不含毒性前体的可再生聚氨酯。

这是一项突破，具有使鞋类，汽车，床垫等产品的市场绿色化的潜力。

但是，要掌握这项成就的巨大分量，回顾一下科学的发展是有帮助的，这个故事从传统聚氨酯的化学基础走到了藻类实验室，在那里首次提出了新化学方法，并逐步建立新的企业合作伙伴关系，从而为有希望的商业化未来奠定基础。

化学问题

当聚氨酯在1950年代首次商业化销售时，它迅速流行起来，可用于多种产品和应用中。这在很大程度上要归功于该材料的动态和可调特性，以及用于制造该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(常规聚氨酯的基本组成部分)的巧妙化学工艺，制造商可以定制其配方，以生产出各种惊人的聚氨酯材料，每种材料都具有独特而有用的特性。

例如，由长链多元醇生产可能会产生用于枕头柔软床垫的软质泡沫。另一种配方可能产生一种丰富的液体，当该液体散布在家具上时，既可以保护木材，又可以揭示木纹的固有美感。第三批可能包含二氧化碳(CO 2)来使材料膨胀，产生可喷涂的泡沫，然后将其干燥成刚性和多孔的隔热层，非常适合在家里保温。

董在谈到常规聚氨酯时说：“这就是异氰酸酯的美。它具有形成泡沫的能力。”

但董说，异氰酸酯也带来很大的不利影响。尽管这些化学物质具有快速的反应速度，使其非常适合许多行业应用，但它们也具有剧毒作用，并且是由剧毒的光气制成的。吸入异氰酸酯可导致一系列不良健康影响，如皮肤，眼睛和喉咙刺激，哮喘和其他严重的肺部疾病。

Pienkos补充说：“如果燃烧含有常规聚氨酯的产品，那些异氰酸酯就会挥发并释放到大气中。” 皮恩科斯说，即使简单地喷涂聚氨酯作为绝缘材料，也可以使异氰酸酯雾化，要求工人采取谨慎的预防措施来保护自己的健康。

为了解决这些以及其他问题，例如对石化产品的依赖，来自世界各地实验室的科学家已经开始寻找利用生物资源合成聚氨酯的新方法。但是这些努力在很大程度上产生了不同的结果。有些缺乏工业应用所需的性能。其他的则不是完全可再生的。

因此，改进聚氨酯的挑战仍然是创新的时机。

皮恩科斯五年前第一次遇到困境时说：“我们可以做得更好。” 在这个机会的激励下，他与同样来自NREL的Dong和Lieve Laurens一起，寻求更好的聚氨酯化学。

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。与许多传统的石化精炼工艺一样，生物燃料精炼商也在寻找利用其工艺副产品作为收入来源的方法。

对于藻类生物精制，问题变得几乎相同。该工艺中产生的废脂和氨基酸能否成为珍贵的可再生和无毒聚氨酯配方的原料?

对于Dong来说，在基本化学水平上回答问题是很容易的部分-当然可以。1950年代的科学家表明，可以通过非异氰酸酯途径合成聚氨酯。

董说，真正的挑战是弄清楚如何加快反应速度以与传统工艺竞争。他需要生产性能至少与传统材料相同的聚合物，这是生物基聚氨酯商业化的主要技术障碍。

Dong解释说：“文献中描述的基于生物的非异氰酸酯方法的反应性较慢。” “因此，我们需要确保我们具有与传统化学相当的反应性。”

NREL的过程通过巧妙的化学过程开发生物基配方，从而克服了这一障碍。它从环氧化过程开始，该过程为基础油(从低芥酸菜子油或亚麻子油到藻类或食物残渣的任何物质)准备进行进一步的化学反应。通过使这些环氧化的脂肪酸与空气或烟道气中的CO 2反应，生成碳酸化的单体。最后，Dong在聚合过程中将碳酸化的单体与二胺(衍生自氨基酸，另一种基于生物的来源)结合在一起，产生一种可固化成树脂的材料-非异氰酸酯聚氨酯。

通过用精选的天然油代替石油基多元醇，并用生物基氨基酸替代有毒异氰酸酯，Dong设法合成了性能与传统聚氨酯相当的聚合物。换句话说，他开发了一种可行的可再生，无毒的替代传统聚氨酯的产品。

化学也带来了额外的环境效益。

Pienkos说：“ 最终聚合物的30%都是CO 2，”他补充说，当考虑到植物或藻类吸收的CO 2会首先产生油和氨基酸时，该数字甚至会更令人印象深刻。地点。

CO 2是一种无处不在的温室气体，通常被认为是各种工业过程中的不幸废物，促使许多公司寻找吸收，消除或什至很好地将其用作潜在利润来源的方法。通过将CO 2掺入聚氨酯的结构中，Pienkos和Dong提供了提高其价值的途径。

Pienkos继续说道：“这意味着每磅聚合物需要更少的原材料，更低的成本以及更低的总体碳足迹。” “在我们看来，这提供了显着的可持续性机会。”

寻求可再生解决方案找到了商业脚

下一步是看该工艺是否可以商业化，扩大规模以满足市场需求。

毕竟，无论是否可再生，聚氨酯都需要证明消费者对名牌产品的期望。创建它的过程还必须与公司的制造过程相匹配，从而使他们能够“投入”新材料，而不必花费巨额成本进行设施或设备的升级。

Dong解释说：“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过程保持一致。”

自Pienkos和Dong首次展示出生产完全可再生，无毒聚氨酯的可行性以来的短短两年内，几家公司已经为推动其商业化做出了贡献，并建立了研究合作伙伴关系。

例如，获得2020年美国能源部技术商业化基金的奖项，带来了730,000美元的联邦资金，以帮助开发该技术，并从户外服装公司Patagonia，床垫公司Tempur Sealy和其他公司获得了“实物”成本分摊，一家名为Algix的新兴生物技术公司。

皮恩科斯说，其他行业的公司也表现出了初步兴趣。他说：“这些公司相信这是有希望的。”

他们的兴趣在一定程度上是由于Pienkos和Dong的方法的可调谐性，这使它们像传统方法一样，可以制造出符合行业标准的聚合物。

“我们已经证明了化学反应是可调的，” Dong说。“我们可以通过我们的方法来控制最终性能。”

例如，通过控制环氧化过程或碳化量，该过程可适合满足产品的性能需求。这可以使一双跑步鞋的外底具有足够的柔韧性和强度，以承受热沥青或冷沥青中许多英里的冲击。或者它可以使床垫在刚度和支撑之间达到平衡。

皮恩科斯谈到商业化的机会时说：“它有法规的推动。它有市场的吸引力。它有潜力在成本的基础上与不可再生能源竞争。它的碳足迹更低。它拥有一切。” “这成为我在NREL上职业生涯中最激动人心的方面。因此，当我退休时，我决定要实现这一目标。我希望看到这项技术真正进入市场。”

去年4月退休后，Pienkos继续建立了Polaris Renewables公司，以帮助加速新型聚氨酯的商业化。因此，在他继续担任NREL退休研究人员的同时，他还通过国际可持续发展倡议“ Fashion for Good”，在行业范围内寻找其他公司合作伙伴，尤其是在时装行业。

他解释说：“在时装界，顾客要求可持续性。” “如果您能展示出更低的碳足迹，更好的使用寿命终止，他们将付出一定的绿色溢价。”

实际上，对于Pienkos和Dong而言，可再生，无毒聚氨酯的突破已不仅仅是令人兴奋的科学冒险。它为世界提供了一种在环境上留下淡淡痕迹的产品的途径。

董说：“我认为这是解决塑料污染问题的好机会。” “我们需要保护我们的环境，其中一部分要从制造可再生塑料开始。”

皮恩科斯(Pienkos)也认为，该合资企业的商业成功可能是推动进一步增长和将可再生，绿色产品推向市场的成功的催化剂。

他说：“这对于NREL来说可能是一个成功的故事。” “在这里取得成功对全世界来说意义重大。”

在这种情况下，成功的衡量标准不只是生产过程的可承受性或聚氨酯化学物质的碳吸收量。在一个拥有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衣服的耐用性，鞋子的舒适性或在记忆泡沫床垫上睡觉后所焕发的活力。