無處不在的霧霾天氣給整個化工業(yè)亮起了環(huán)保“警示燈”，“生物基”一詞的出現(xiàn)則為化工產(chǎn)品的綠色轉(zhuǎn)型帶來轉(zhuǎn)機，特別是針對產(chǎn)銷大戶聚氨酯。
據(jù)美國市場研究公司grandviewresearch最新發(fā)布的研究報告顯示，至2020年，全球聚氨酯市場預計將達736億美元，未來6年內(nèi)，生物基聚氨酯將成為開發(fā)新方向。
不過，華南理工大學輕工與食品學院研究員諶凡更告訴記者，目前生物質(zhì)基聚氨酯品種偏少，還無法滿足用戶對產(chǎn)品的差異化需求，生物基聚氨酯要想成為聚氨酯產(chǎn)品的主流，還須跨過多道技術門檻。
“生物基”受追捧
聚氨酯被譽為“第五大塑料”，具有耐磨、抗撕裂、抗撓曲性好等特點，是高分子材料中唯一一種在塑料、橡膠、纖維、涂料、膠黏劑和功能高分子等領域均有應用價值的有機合成材料。
據(jù)上述美國研究報告的調(diào)查顯示，亞太地區(qū)是全球最大的聚氨酯區(qū)域市場，中國則是亞太地區(qū)最大的聚氨酯消費國，2013年需求量在該區(qū)域占25%以上。中國聚氨酯工業(yè)協(xié)會預測，“十二五”期間，我國聚氨酯產(chǎn)品年消費量還將達到900萬~1000萬噸，實現(xiàn)產(chǎn)值2700億~4000億元。
然而，在龐大需求和火暴市場的背后，卻是以犧牲環(huán)境和資源為代價。
浙江科技學院生物與化學工程學院教授王仕財表示，生產(chǎn)聚氨酯的原料、中間體大多來自石油、煤等不可再生資源，且這些原料多為有毒、有害的化學品。另外，聚氨酯材料難以降解、其廢棄物回收困難，從而造成很大的環(huán)境污染。
出于環(huán)保考慮，用生物質(zhì)產(chǎn)品替代石油原料生產(chǎn)綠色環(huán)保型聚氨酯，備受追捧。
例如，福特汽車公司2011新款福特explorer汽車的亮點之一就是使用大豆聚氨酯來制造汽車座墊及座椅靠背;鞋材供應商歐士萊德將非食用性生物油代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化品作為原料，制造出首款生物基聚氨酯泡沫鞋底，并投放市場。
聚氨酯主要由異氰酸酯、聚醚多元醇、聚酯多元醇等反應制得，據(jù)估計，若用生物基多元醇代替石油類多元醇，每100萬磅可節(jié)省2200桶原油。與石油類多元醇相比，植物油多元醇總體能源消耗降低23%，非可再生資源消耗降低61%，向大氣排放溫室氣體減少36%。
技術壁壘短期難打破
不過，由于受多重技術壁壘的限制，生物基聚氨酯產(chǎn)品還很難成為主流。
“用戶現(xiàn)在對生物基聚氨酯產(chǎn)品還存在疑慮，其性能還無法與石油基聚氨酯媲美，所以也影響了產(chǎn)品的推廣?！敝R凡更對記者說，目前研究開發(fā)生物基聚氨酯主要是用生物質(zhì)基聚醚代替石油基聚醚，這就要求生物基聚醚具有與石油基聚醚相近的物理化學特性，但是要做到這一點比較困難。
中國塑料加工工業(yè)協(xié)會降解塑料專業(yè)委員會秘書長翁云宣也對記者表示，對比石油基聚氨酯，生物基聚氨酯的穩(wěn)定性相對較差。諶凡更也指出，由生物質(zhì)原料生產(chǎn)的多種生物質(zhì)基聚醚，存在結構可控性差的缺點。
“目前人們難以像生產(chǎn)石油基聚醚那樣，根據(jù)對產(chǎn)品性能的需求來設計生物質(zhì)聚醚結構，并且按照這樣的設計來合成生物質(zhì)聚醚產(chǎn)品。”諶凡更說。
另外，大多生物質(zhì)原料還存在原料特性隨原料產(chǎn)地、生長期不同而有較大差異的情況。不僅如此，對于當前開發(fā)熱點之一的生物可降解植物基聚氨酯材料，王仕財表示，其合成機理、結構性能關系、降解機理及其降解速度的可控性等，也都有待于進一步研究。
如何迎接黃金期
分析人士指出，隨著國內(nèi)聚氨酯下游制品需求量的增加以及眾多跨國企業(yè)將業(yè)務重點和研發(fā)中心轉(zhuǎn)移至中國市場，未來國內(nèi)聚氨酯產(chǎn)業(yè)將迎來黃金期。
為搶占市場先機，國內(nèi)聚氨酯企業(yè)紛紛將目光投向生物基產(chǎn)品的開發(fā)中。
“其實，國內(nèi)生物基聚氨酯開發(fā)技術并不比國外差?！蔽淘菩麑τ浾呓榻B稱，例如南京紅寶麗利用可再生植物油為原料制備聚氨酯硬泡;江蘇中科金龍以二氧化碳為原料生產(chǎn)出高阻燃聚氨酯保溫材料;植物纖維基多元醇以及植物纖維基聚氨酯也開始走向工業(yè)生產(chǎn)。
不過，在諶凡更看來，目前國內(nèi)生物基聚氨酯材料研究開發(fā)的總體水平仍不夠高?！皬难芯亢烷_發(fā)本身來講，需要有更多的研究機構和企業(yè)參與，開發(fā)出更多的生物質(zhì)基聚氨酯產(chǎn)品，適應不同的用戶需求;從聚氨酯開發(fā)者的角度講，仍需要通過新的合成手段來實現(xiàn)產(chǎn)品結構與性能的可控?！?/p>
他認為，生物基聚氨酯的發(fā)展還需要國家政策的支持，例如制定專門的適用于生物基聚氨酯的技術標準;在政府采購以及稅收等方面，應當制定一些有利于生物基產(chǎn)品的政策，以便讓新產(chǎn)品在社會上起到示范作用。
另外，聚氨酯的阻燃性提高與否是聚氨酯材料能否進一步在國內(nèi)推廣利用的關鍵，而這也是生物質(zhì)基聚氨酯今后的研究發(fā)展方向。
翁云宣則表示，聚氨酯企業(yè)的合成反應裝置由于習慣了石油基原料，要想適應新的生物基多元醇原料，還需要有一個摸索的過程。不過，在他看來，生物基聚氨酯產(chǎn)品仍是聚氨酯產(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢。
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可降解聚氨酯材料制備技術發(fā)展歷程
根據(jù)可降解聚氨酯材料的設計方法和制備手段的不同,并按照方法的復雜程度或出現(xiàn)的時間順序,可降解聚氨酯材料的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段,即與天然高分子的直接復合;與改性天然高分子復合;植物多元醇基聚氨酯;主鏈設計型可降解聚氨酯。
與天然高分子直接復合是最初廣泛采用的一種制備可降解聚氨酯泡沫塑料的途徑，即在聚氨酯基體中引入纖維素、淀粉、甲殼素等天然高分子。天然高分子為儲量豐富的可再生資源,在自然界大多具有良好的可生物降解性,將其以填料形式引入聚氨酯基體,可以賦予聚氨酯一定可生物降解性。
與改性天然高分子復合是針對天然高分子直接引入聚氨酯基體存在相容性差、反應效率低等問題，通過改性后共混的方法能夠進一步改善聚氨酯材料的降解性能和力學性能。研究表明,用改性后的淀粉合成的聚氨酯泡沫塑料更易于降解。
植物多元醇基聚氨酯是指將木材、稻草、秸稈等生物原料利用聚乙二醇液化試劑在酸催化下進行液化,作為多元醇與有機多異氰酸酯反應合成聚氨酯。由于在聚氨酯鏈段中引入了可以自然降解的天然多糖系成分,這種聚氨酯具有較好的降解性能。但是,以植物原料的多元醇液化途徑制取植物多元醇,進而用于可降解聚氨酯材料制備的方法,尚存在一些需要解決的難題。
從分子主鏈結構出發(fā),是可降解聚氨酯設計與制備的必由之路。主鏈設計型可降解聚氨酯的優(yōu)勢在于可以達到完全降解，并且力學性能和降解速度可調(diào)性強，但其未來發(fā)展還需要解決新型原料的設計與合成成本較高等問題。
