聚氨酯是一种常见的塑料，其应用范围从可喷涂泡沫和粘合剂到合成服装纤维。它已成为21世纪的主要产品，为日常生活的许多方面增加了便利，舒适甚至美观。该材料目前主要由石油副产品制成，其独特的多功能性使聚氨酯成为一系列产品的首选塑料。如今，全球每年生产超过1600万吨的聚氨酯。菲尔·皮恩科斯说：“在我们的生活中，很少有聚氨酯不存在的地方。”他是一名化学家，经过近40年的研究，他最近从国家可再生能源实验室（NREL）退休。但是Phil Pienkos的职业生涯一直在研究生产生物燃料和材料的新方法。他说，人们越来越倾向于重新思考聚氨酯的生产方式。 “目前的方法主要依靠有毒化学物质和不可再生石油。我们希望开发一种新型塑料，该塑料具有传统聚氨酯的所有有用特性，但不会产生昂贵的环境副作用。”可能吗？实验室的结果是肯定的。通过利用亚麻籽油，废油甚至藻类等无毒资源的新化学方法，Phil Pienkos和他的NREL同事以及化学工程专家Tao Dong开发了一种开创性的，无毒前体的可再生聚氨酯方法。

这是一项突破，有潜力使鞋类，汽车，床垫和其他产品的市场绿色化。但是，为了理解该成就的重要性，回顾一下科学进步是有帮助的。从传统聚氨酯的化学基础到藻类实验室的故事很有帮助，新的化学概念首次出现在这里。并逐渐发展成新的企业合作伙伴关系，创造了良好的商业化前景健康）状况。化学问题聚氨酯在1950年代首次商业化时，迅速在许多产品和应用中获得普及。这主要是由于这种材料的动态和可调节特性，以及用于制造这种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的巧妙化学工艺，传统聚氨酯制造商的基本组分可以定制其配方，以生产各种聚氨酯材料，每种材料均具有独特而有用的性能。例如，用长链多元醇生产可能会产生软泡沫，该泡沫可用于枕头和床垫。另一种配方可以产生一种液体，将其应用于家具时，可以保护并显示木纹的固有美感。第三批可包含二氧化碳（CO2），以使材料膨胀以产生可喷涂的泡沫，该泡沫可干燥成坚硬且多孔的隔热材料，是在家中保暖的理想选择。陶栋在谈到传统聚氨酯时说：“这就是异氰酸酯的美。它可以形成泡沫。”但是陶栋说异氰酸酯也带来明显的负面影响。尽管这些化学物质反应速度快，使其非常适合许多工业应用，但它们还是剧毒的，它们是由剧毒的光气原料制成的。吸入异氰酸酯会导致一系列不良健康影响，例如皮肤，眼睛和喉咙发炎，哮喘和其他严重的肺部疾病。 “如果燃烧包含传统聚氨酯的产品，这些异氰酸酯将挥发并释放到大气中。即使只是喷涂聚氨酯作为绝缘材料也会使异氰酸酯雾化，这要求工人采取谨慎的预防措施以保护自己的健康。”

 Phil Pienkos添加了。解决这些问题和其他来自诸如石化产品的问题，来自世界各地实验室的科学家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。一些产品缺乏工业应用所需的性能。其他不能完全再生。因此，改进聚氨酯的挑战仍然是创新的好时机。 “我们可以做得更好，”五年前菲尔·皮恩科斯（Phil Pienkos）第一次遇到困难时，他想道。受这个机会的激励，他与NREL的Tao Dong和Lieve Laurens一起寻找更好的聚氨酯化学。重新思考聚氨酯的成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。像许多传统的石化炼油工艺一样，生物燃料炼油厂也在寻找方法，将其过程的副产品用作收入来源。对于藻类生物纯化，这个问题变得非常相似。通过该方法生产的油和氨基酸能否成为可再生且无毒的聚氨酯配方的原料？对于陶栋来说，在基本化学水平上回答这个问题当然是他们最容易做的部分。 1950年代的科学家证明，可以通过非异氰酸酯途径合成聚氨酯。陶栋说，真正的挑战是如何加快反应速度并与传统手工艺品竞争。他需要生产性能至少与传统材料一样好的聚合物，这是生物基聚氨酯商业化的主要技术障碍。陶冬解释说：“文献中描述的非异氰酸酯生物反应过程的反应速度较慢。”因此，我们需要确保我们的反应性与传统化学相当。 “ NREL克服的过程克服障碍，通过巧妙的化学工艺开发了生物基配方。它从环氧化过程开始，该过程可以从菜籽油或亚麻子油到藻类或食物残渣制备基础油，以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二氧化碳反应，可生成碳化的单体。最后，在聚合过程中，陶东将碳化的单体与二胺（另一种基于生物的来源的氨基酸）结合在一起，形成了一种基于树脂的非异氰酸酯聚氨酯材料。通过用某些天然油替代石油基多元醇，用生物基氨基酸替代有毒异氰酸酯，Dong成功地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，可再生，无毒的传统聚氨酯替代品。

这种化学物质还具有额外的环境效益。 “最终聚合物的30％重量是二氧化碳。考虑到植物或藻类吸收的二氧化碳可用来制造油和氨基酸，这一数字更加令人印象深刻。”菲尔·皮肯斯说。二氧化碳是一种无处不在的温室气体，在各种工业过程中通常被视为无用的废物，促使许多公司寻找吸收和消除二氧化碳的方法，甚至将其用作潜在的利润来源。 Phil Pienkos和Tao Dong提供了一种通过在结构中添加二氧化碳来增加聚氨酯价值的方法。 “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。我们认为，这将为可持续发展提供重要的机会。” Phil Pienkos继续。可再生能源解决方案已经找到了商业立足点。下一步是看这个过程是否可以商业化并扩大大规模满足市场需求。毕竟，无论是否可再生，聚氨酯都需要证明消费者对品牌产品的期望。制造新材料的过程还必须与公司的制造过程相匹配，以便他们可以“投资”新材料，而不必对设备或设备进行昂贵的升级。 “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的原因。”陶东解释。在Phil Pienkos和Tao Dong首次展示生产完全可再生的无毒聚氨酯的可行性之后的短短两年内，几家公司为该产品的商业化提供了资源和研究合作伙伴关系。例如，美国能源部颁发的2020年技术商业化基金奖励带来了730,000美元的联邦资金，以帮助开发该技术，以及户外服装公司Patagonia，床垫公司Tempur Sealy和一家名为Algix的新兴生物技术公司“物理”成本分摊。菲尔·皮恩科斯（Phil Pienkos）说，其他行业的公司也表现出了最初的兴趣。 “这些公司认为这是有希望的。”他们的部分兴趣可能是Phil Pienkos和Tao Dong的方法的可调谐性，这使他们能够制造满足行业标准（如传统方法）的聚合物。 “我们已经证明该化学反应是可调节的，并且可以通过我们的方法控制最终性能。”陶东说。例如，通过控制环氧化过程或碳化的量，该过程可适于满足产品的性能要求。这样，一双跑鞋的外底具有足够的弹性和强度以承受在高温或低温沥青路面上行驶数英里的情况。或者它可以给床垫一个刚度和支撑的平衡。 “这是一项法规上的推动。它对市场具有吸引力。它可能在成本上与不可再生能源竞争。

它的碳足迹较低。”菲尔·皮恩科斯（Phil Pienkos）谈到商业化机会：NREL职业生涯中最激动人心的方面。因此，当我退休时，我决定实现这一目标。我希望看到这项技术真正进入市场。”去年4月退休后，Phil Pienkos成立了一家名为Polaris Renewables的公司，以帮助加速新型聚氨酯的商业化。因此，随着他继续履行其在NREL的退休研究员的职责，他还通过国际可持续发展计划扩大了行业，以寻找更多的公司合作伙伴，尤其是在时装行业。他解释说：“在时装界，顾客要求可持续发展。”如果您可以显示较低的碳足迹和更好的报废处理能力，则他们将支付一定的绿色溢价。 “事实上，对于Pienkos和Dong而言，可再生无毒聚氨酯的突破不仅仅是令人兴奋的科学冒险。它在产品上留下了较小的环境足迹。陶冬说：“我认为这是一个很好的机会，解决塑料污染问题。我们需要保护环境，其中一部分要从回收塑料开始。皮恩科斯还认为，这项业务的商业成功可能是刺激公司进一步发展并在将可再生和更环保产品推向市场的过程中取得成功的催化剂。 “这可能是一个NREL。成功的故事，这里的成功对世界意义重大。在这种情况下，成功的衡量标准可能不仅仅是生产工人。耐化学性或聚氨酯化学的碳吸收。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服装的耐用性，鞋子的舒适性或在记忆泡沫床垫上睡觉后的复兴方面的真实感受。