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科学家研发聚氨酯环保生产工艺可用于生产鞋类、汽车等产品

2020-11-11 05:58 作者: 来源: 本站 浏览: 14次 字号:

摘要:    盖世汽车讯 如果没有常见塑料聚氨酯,世界就会没有那么柔软、没有那么温暖,休闲服可能不那么透气、运动鞋鞋垫可能无法提供足弓支撑、家具中的木料纹理可能也不会流行起来。此种塑料的应用范围可以从可喷泡沫剂到粘合剂再到合成服装纤维,已经成为21世纪的主要产品,为日...

  

盖世汽车讯 如果没有常见塑料聚氨酯,世界就会没有那么柔软、没有那么温暖,休闲服可能不那么透气、运动鞋鞋垫可能无法提供足弓支撑、家具中的木料纹理可能也不会流行起来。此种塑料的应用范围可以从可喷泡沫剂到粘合剂再到合成服装纤维,已经成为21世纪的主要产品,为日常生活的许多方面带来了便利性、舒适性,甚至美丽。

  

  

(图片来源:NREL)

  

此种材料具多功能性,主要由石油的副产品制成,可用于制成多种产品。现在,全球每年生产的聚氨酯超过1600万吨。不过,现在的生产方式大多依赖有毒的化学物质和不可再生的石油。据外媒报道,美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员表示,希望可以研发一种具有传统聚苯乙烯所有有用特性的新型塑料,同时又不造成昂贵的环境副作用。

  

研究人员利用一种无毒资源(如亚麻籽油、废油脂甚至藻类)的新化学物质,研发出一种突破性方法,可以生产不含有毒前体的可再生聚氨酯。此外,该研究对于鞋类、汽车、床垫等产品而言都是一个突破。

  

不过,为了了解为何此次研究有如此重大的影响,可以先来回顾这一科学进步是如何发生的,这个故事可以从传统聚氨酯的化学基本品延伸至藻类实验室(新型化学品首次研发),再扩展至新型企业合作,旨在为该产品的商业化前景奠定基础。

  

20世纪50年代,聚氨酯首次实现商业化,并在众多产品和应用中迅速得到普及,这在很大程度上是由于此种材料具有动态特性和可调节的特性,以及可以获取制造此种材料的石油成分,且石油储量在可承受范围内。

  

通过一个巧妙的化学工艺,利用多元醇和异氰酸脂(传统聚氨酯的基本组成部分),制造商可以定制配方生产各种各样的聚氨酯材料,而且每一种都可以具备独特且有用的特性。例如,用长链多元醇可能会生产出柔软的泡沫,用于枕头般柔软的床垫。另一种配方可能是生产出一种丰富的液体,当涂在家具上时,既可以保护木纹又可以展示木纹的美。还有可能与二氧化碳结合使用,生产出可以喷涂的泡沫,干燥后形成刚性多孔绝缘材料,适合用于家中保温。

  

不过,研究人员表示,异氰酸脂也会带来显著的负面影响。虽然此类化学物质反应速度快,适合用于多种工业应用,但是毒性也很高,而且由毒性更大的原料光气制成。吸入异氰酸脂后还会导致一系列不良健康反应,如刺激皮肤、眼睛和喉咙,导致哮喘和其他严重的肺部问题。

  

为了尝试解决依赖石油等问题,全球的科学家都在寻找利用生物资源合成聚氨酯的新方法。但是,此类尝试得到的结果好坏参半。有些缺乏工业应用所需的性能,有些不是完全可再生的方法。因此,既需要改进聚氨酯,又需要保持创新。

  

结果,需要降低藻类生物燃料的成本。与许多传统的石化炼制过程一样,生物燃料炼制商也在寻找利用炼制过程中的副产品以获得收入的方法。生产过程中产生的废脂和氨基酸能否成为可再生无毒的聚氨酯原料?其实早在20世纪50年代,科学家就已经证明,可以利用非异氰酸酯合成聚氨酯。

  

真正的挑战在于想办法加快反应速度,使其能够与传统工艺竞争。需要生产至少能够与传统材料媲美的聚合物,这也是生物基聚氨酯实现商业化的主要技术障碍。

  

  

(图片来源:NREL)

  

NREL就利用巧妙的化学工艺,研发出生物基配方,以克服该障碍。首先,采用了环氧化工艺,准备了基础油(菜籽油、亚麻籽油、藻类或食物残渣)以进行进一步的化学反应。通过将此类环氧化脂肪酸与空气或烟气中的二氧化碳反应,生成了碳酸单体。最后,研究人员将碳酸单体与二胺(来自氨基酸,另一种生物源)在聚合过程中结合,生成一种可以固化成树脂-非异氰酸酯的材料。

  

通过用精选的天然油代替石油基多元醇,用生物基氨基酸代替有毒异氰酸酯,研究人员成功合成了与传统聚氨酯性能相当的聚合物,即研发了一种可行的、可再生、无毒传统聚氨酯替代品。

  

此外,该种化学物质还对环境有利。研究人员表示:“最终聚合物中有30%是二氧化碳。考虑到用于制造油和氨基酸的植物或藻类也会吸收二氧化碳,这个数字就更令人印象深刻了。”

  

研究人员的下一步是看看该工艺是否可以实现商业化,扩大规模以满足市场需求。