埃里克·林格尔，国家可再生能源实验室 一种开创性的可再生配方——NREL研究员陶冬(右)和前实习生斯蒂芬妮·费德勒(左)研究了生物基无毒聚氨酯树脂，这是传统聚氨酯的一种有前途的替代品
信用:丹尼斯·施罗德，NREL 没有它，世界可能会变得不那么柔软，不那么温暖
我们的休闲服装可能会减少水分
我们运动鞋里的鞋垫可能不会提供同样的足弓支撑
成品家具中的木纹可能不会“爆裂”
" 事实上，聚氨酯——一种从可喷射泡沫到粘合剂再到合成服装纤维等应用中常见的塑料——已经成为21世纪的主要产品，为日常生活的许多方面增添了便利、舒适甚至美观
这种材料用途广泛，目前主要由石油副产品制成，这使得聚氨酯成为一系列产品的首选塑料
今天，全球每年生产1600多万吨聚氨酯
经过近40年的研究，最近从国家可再生能源实验室(NREL)退休的化学家菲尔·皮恩科斯说:“我们生活中很少有方面不受聚氨酯的影响。”
但是皮恩科斯——他的职业是研究生产生物燃料和材料的新方法——表示，人们越来越强烈地要求重新思考聚氨酯是如何生产的
“目前的方法主要依赖有毒化学品和不可再生的石油，”他说
“我们想开发一种新的塑料，它具有传统聚的所有有用特性，但没有昂贵的环境副作用
" 有可能吗？实验室的结果给出了响亮的“是”
皮恩科斯和他的NREL同事、化学工程专家陶冬通过一种新的化学方法，利用无毒资源，如亚麻籽油、废油脂甚至藻类，开发出一种不含有毒前体的可再生聚氨酯的开创性方法
这是一个突破，有可能为从鞋类、汽车、床垫等产品的市场带来绿色
但要理解这一成就的绝对重要性，回顾一下科学进步是如何发生的是有帮助的，这是一个从传统聚氨酯的化学基础出发，进入藻类实验室的故事，在那里一种新化学的想法首次出现，并逐渐走向新的企业合作伙伴关系，为未来有希望的商业化奠定了基础
一个化学问题 当聚氨酯在20世纪50年代首次商业化时，它在许多产品和应用中的使用迅速增长
这在很大程度上是由于材料的动态和可调特性，以及用于制造它的石油基部件的可用性和可负担性
通过使用多元醇和异氰酸酯(传统聚氨酯的基本构件)的巧妙化学工艺，制造商可以定制配方，生产出各种令人惊叹的聚氨酯材料，每种材料都具有独特而有用的性能
例如，用长链多元醇生产，可能会生产出枕头软床垫用的软质泡沫
另一种配方可能会产生丰富的液体，当涂抹在家具上时，既保护又显示出木纹的内在美
第三批可能包括二氧化碳(CO2)来膨胀材料，产生一种可喷雾的泡沫，干燥成坚硬的多孔隔热材料，非常适合在家里保温
“这就是异氰酸酯的美，”董在谈到传统聚氨酯时说道，“它能形成泡沫
" 但是董说异氰酸酯也有明显的缺点
虽然这些化学物质具有快速的反应速率，使得它们高度适用于许多工业应用，但是它们也是高毒性的，并且它们是由毒性更大的原料光气生产的
当吸入时，异氰酸酯会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问题
“如果燃烧含有传统聚氨酯的产品，这些异氰酸酯会挥发并释放到大气中，”皮恩科斯补充说
皮恩科斯说，即使只是喷涂聚氨酯作为隔热材料，也会使异氰酸酯雾化，这就要求工人采取谨慎的预防措施来保护他们的健康
最近退休的菲尔·皮恩科斯(如图)成立了一家新公司——北极星可再生能源公司，以帮助加速新型聚氨酯的商业化，这一想法最初源于他在NREL的藻类生物燃料研究
信用:丹尼斯·施罗德，NREL 为了尝试解决这些和其他问题——比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
但这些努力在很大程度上产生了喜忧参半的结果
有些缺乏工业应用所需的性能
其他的不完全可再生
因此，改进聚氨酯的挑战对于创新来说仍然是成熟的
“我们可以做得更好，”五年前，当皮恩科第一次遭遇困境时，他这样想
受到这一机遇的鼓舞，他与董(音译)和来自的利夫·劳伦斯(Lieve Laurens)一起寻找更好的聚氨酯化学
对聚氨酯建筑砌块的再思考 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
如同许多传统的石油化学提炼过程一样，生物燃料提炼者寻找方法将他们过程的副产品作为收入来源
对于藻类生物精炼来说，这个问题变得非常相似
加工过程中产生的废弃脂类和氨基酸能成为一种珍贵的可再生无毒聚氨酯配方的成分吗？ 对董来说，在基础化学水平上回答这个问题是容易的——他们当然可以
20世纪50年代的科学家已经证明了从非异氰酸酯途径合成聚氨酯是可能的
董说，真正的挑战是找出如何加快反应速度，与传统工艺竞争
他需要生产性能至少和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
“文献中描述的非异氰酸酯生物基工艺的反应速度较慢，”董解释说
“所以我们需要确保我们的反应能力与传统化学相当
" NREL的方法通过巧妙的化学过程开发生物配方，克服了这一障碍
它始于一个环氧化过程，该过程为进一步的化学反应准备基础油——从菜籽油或亚麻籽油到藻类或食物残渣
通过这些环氧化脂肪酸与来自空气或烟道气的CO2反应，产生碳酸单体
最后，董将碳酸单体与二胺(源自氨基酸，另一种生物来源)在聚合过程中结合，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，用生物基氨基酸代替有毒的异氰酸酯，董成功地合成了性能与传统聚氨酯相当的聚合物
换句话说，他已经开发出了一种可行的可再生的、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CO2，”皮恩科斯说，并补充说，考虑到植物或藻类吸收的CO2最初用于产生油和氨基酸，这个数字更令人印象深刻
二氧化碳，一种无处不在的温室气体，通常被认为是各种工业过程中不幸的废物，促使许多公司寻找吸收、消除它的方法，甚至将其作为潜在的利润来源加以利用
皮恩科斯和董通过将二氧化碳结合到聚氨酯的结构中，为提高其价值提供了一条途径
“这意味着每磅聚合物的原材料更少，成本更低，总体碳足迹更低，”皮恩科斯继续说道
“在我们看来，这提供了显著的可持续发展机会
" 广受欢迎的可再生能源解决方案找到了商业立足点 下一步是看这个过程是否可以商业化，扩大规模以满足市场需求
聚NREL化学的组成部分将天然油与容易获得的二氧化碳反应，生成可再生的无毒聚氨酯，这是创造各种绿色材料和产品的途径
学分:国家可再生能源实验室 毕竟，无论是否可再生，聚氨酯都需要展示消费者对名牌产品的期望
制造它的过程也必须与公司的制造过程相匹配，允许他们“顺便”引进新材料，而不需要对设施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，”董解释说，“以确保我们的研究与他们的制造过程相一致
" 在皮恩科斯和董首次证明生产完全可再生、无毒聚氨酯的可行性后的短短两年内，几家公司已经投入资源和研究合作，推动其商业化
2020年的美国
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例如，美国能源部技术商业化基金(Department of Energy Technology Commercial Fund)获得了73万美元的联邦资金来帮助开发这项技术，并从户外服装公司巴塔哥尼亚(Patagonia)、床垫公司Tempur Sealy和一家名为Algix的初创生物技术公司那里获得了相应的“实物”成本份额
皮恩科斯说，其他行业的公司也表现出了初步的兴趣
“这些公司相信这是有希望的，”他说
他们的兴趣可能部分是由于皮恩科斯和董的方法的可调性，这种方法让他们像传统方法一样，创造出符合工业标准的聚合物
“我们已经证明了化学性质是可调的，”董说
“我们可以通过我们的方法控制最终性能
" 例如，通过控制环氧化过程或碳化量，该方法可以适合于满足产品的性能需求
这可能会给一双跑鞋的外底足够的弹性和力量来承受在热或冷的沥青路面上行驶数英里的冲击
或者它可以给床垫一个刚度和支撑的平衡
“它得到了监管的推动
它有市场吸引力
基于成本，它有潜力与非可再生能源竞争
它的碳足迹更低
它什么都有，”皮恩科斯谈到商业化的机会时说
“这成为我在NREL职业生涯中最激动人心的一面
所以，当我退休的时候，我决定要让这成为现实
我想看到这项技术真正进入市场
" 去年4月退休后，皮恩科斯继续建立了一家公司，北极星可再生能源公司，以帮助加速新型聚氨酯的商业化
因此，在他继续履行NREL荣誉退休研究员职责的同时，他也在拓展行业，寻找更多的企业合作伙伴，特别是通过国际可持续发展倡议“时尚为善”在时尚行业
“在时尚行业，顾客要求可持续性，”他解释道
“如果你能展示更低的碳足迹、更好的生命终结处置，他们会支付一定的绿色溢价
" 事实上，对于皮恩科斯和董来说，可再生无毒聚氨酯的突破已经不仅仅是一个激动人心的科学冒险
它为世界提供了一条道路，让产品在环境中留下更浅的印记
“我认为这是一个解决塑料污染问题的好机会，”董说
“我们需要拯救我们的环境，其中一部分从制造可再生塑料开始
" 皮恩科斯也认为，这项投资的商业成功可能会成为一种催化剂，刺激进一步增长，并进一步成功地将可再生、更环保的产品推向市场
“这可能是NREL的一个成功故事，”他说
“这里的成功对世界意义重大
" 在这种情况下，衡量成功的标准可能不仅仅是生产工艺的可承受性或聚氨酯化学的碳吸收
在一个拥有NREL可再生、无毒聚氨酯的世界里，成功可能是我们能够真正感受到的东西，体现在我们的衣服的耐用性、我们的鞋子提供的舒适性，或者我们在记忆泡沫床垫上睡觉后的返老还童感
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