1、研究人员将聚氨酯泡沫升级回收为坚韧耐用的复合材料，强度与水泥相当

由加州大学洛杉矶分校化学工程师领导的一个研究小组发现了一种方法，通过回收沙发和床垫中常见的聚合物泡沫，制造出强度与水泥相当的坚韧耐用的复合材料。

这一发现的灵感来自于天然的高强度材料，如贝壳或珍珠层。这些材料的特点是其独特的微型互连板结构，这使它们在应力作用下非常耐开裂。在加州大学洛杉矶分校萨穆埃利工程学院化学和生物分子工程副教授Samavaya Srivastava的领导下，该研究团队旨在创造一种由无机相和有机相组成、强度相当的合成复合材料，这一直是该领域的一个长期挑战。

这项研究发表在《ACS Polymers Au》杂志上，重点介绍了这种新材料像岩石一样的性质。与水泥（水泥与水或沙子混合，可以制成建筑基础设施的混凝土）相比，这种复合材料重量更轻，固化时间更短，抗弯强度更强。

该复合材料还为聚氨酯泡沫开辟了一条新的回收途径，不需要高温或复杂的加工条件。聚氨酯泡沫通常用于沙发、床垫等家具或车内。到目前为止，回收这些材料一直是一个挑战，因为最终产品通常具有不一致的特性，例如化学性质不稳定和颜色不理想。

该研究的第一作者之一、加州大学洛杉矶分校萨穆埃利分校化学工程博士毕业生Divya Iyer称：“这些高强度复合材料可以作为出色的隔热和隔音屏障。为了制造它们，我们设计了一种化学途径，将一种常见的聚合物升级回收为具有优于市售材料（包括水泥）的机械和功能性能的材料。”

2、研究人员找到一种更经济的方法，可高效回收软质聚氨酯泡沫

大多数聚氨酯泡沫化学回收工作都以软质聚氨酯泡沫的解聚为目标，其原因是多数的商业软质软质泡沫产品，是基于不同异氰酸酯和多元醇组成的共聚物，但分离这些产品容易产生有毒的物质。

日前，拥有近百年历史的丹麦奥尔胡斯大学(Aarhus University, AU)的研究人员通过一种“酸解工艺”的新方法，将软质聚氨酯泡沫进行有效分离，变成可重复利用的原材料。这项研究成果于2024年6月底发表在《绿色化学》期刊上。

研究人员采用的“酸解工艺”关键在于琥珀酸，琥珀酸被用于解聚剂(分解聚合物)。因为琥珀酸能够有效地将软质聚氨酯泡沫分解成甲苯二胺琥珀酰亚胺，并通过水解或钌(Ru)金属催化氢化，最终得到二苯胺(TDA)和多元醇。

这两种物质都可以被用于生产新的聚氨酯泡沫材料，而二苯胺可以重新生产新的异氰酸酯，整个过程对于回收十分有利。

他们选用琥珀酸的原因还在于它是一种天然、易取得的酸，常用于食品添加剂或塑胶制造，还可以作为某些可生物降解聚合物的物质，且被证明无需其它化学物品也能与聚氨酯泡沫进行反应。

实验过程中，他们先是将酸解软质聚氨酯泡沫浸泡在琥珀酸环境中，使其能够轻松将里面的多元醇分离出来。之后再利用氢氧化钠水溶液进行碱解，获得二苯胺相关物质，且过程中释放出许多无毒的二氧化碳。这种方法产生多元醇和二苯胺的回收率高达83%。

另外，研究人员还尝试把该技术应用于硬质聚氨酯泡沫，去验证这种方法是否能够扩展到其它种类的聚氨酯。实验结果显示，效果要比聚氨酯泡沫回收率差，仅可以收回一部分的原材料，不过初步结果表明该方法具有潜力，只需要做进一步改进。

加州大学圣迭戈分校领导的研究人员开发了一种可生物降解的热塑性聚氨酯(TPU)。这种TPU材料填充了细菌孢子，当接触到堆肥中的营养物质时，这些细菌孢子会发芽并在其生命周期结束时分解材料。

2024年4月30日发表在《自然·通讯》杂志上的一篇论文详细介绍了此项研究成果。

可生物降解的TPU添加的是枯草芽孢杆菌孢子，该细菌孢子具有分解塑料聚合物材料的能力。

研究人员使用了细菌孢子，这是一种休眠形式的细菌，能抵抗恶劣的环境条件。与具有生殖能力的真菌孢子不同，细菌孢子具有保护性蛋白质屏障，使细菌能在缺乏营养时存活下来。

为了制造可生物降解的塑料，研究人员将枯草芽孢杆菌孢子和TPU颗粒放入塑料挤出机中。将这些成分混合并在135℃下熔化，然后挤压成薄塑料条。

为了评估材料的生物降解性，将塑料条放置在微生物活性和无菌堆肥环境中。堆肥装置保持在37℃，相对湿度在44%至55%之间。堆肥中的水和其他营养物质促使孢子在塑料条内发芽，在五个月内降解90%。

尽管研究人员仍需要研究材料降解后留下的物质，但他们指出，任何残留的细菌孢子可能都是无害的。枯草芽孢杆菌是一种用于益生菌的菌株，通常被认为对人类和动物是安全的，甚至对植物健康有益。

在这项研究中，细菌孢子经过进化改造，能够在TPU生产所需的高温下生存。研究人员使用一种称为适应性实验室进化的技术来创造一种对挤压温度具有弹性的菌株。这个过程包括培养孢子，将它们置于极端温度下一段时间，并让它们自然突变。然后分离出在此过程中幸存下来的菌株并再次进行循环。

细菌孢子还可以用作增强填料，类似于钢筋加固混凝土的方式。其结果是改性TPU材料具有增强的机械性能，需要更大的力才能断裂并表现出更大的拉伸性。

虽然目前的研究重点是生产较小的实验室规模的产品以了解其可行性，但研究人员正在努力优化该方法以用于工业规模。正在进行的努力包括将产量扩大到公斤级，进化细菌以更快地分解塑料材料，以及探索TPU以外的其他类型的塑料。

韩国化学技术研究院 (KRICT)的研究人员提出了一种合成二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的可持续工艺。该工艺利用CO2生产合成气，然后通过加氢反应分离合成气，胺的氧化羰基化形成4,4'-二苯甲烷二氨基甲酸甲酯(MDC)，然后热分解产生MDI。与传统MDI制造工艺相比，该方法具有显著的环境优势。

聚氨酯是用途最广泛的聚合物之一。鉴于人们对含有CO2的聚合物的强烈兴趣，人们已经进行了多次尝试，将CO2引入聚氨酯中，作为化石基原料的替代品。然而，这些努力主要集中在相对容易合成的多元醇上，多元醇是聚氨酯合成中使用的单体之一。聚氨酯的另一种单体二异氰酸酯的合成仍然依赖于使用光气的传统方法，光气是一种源自石油资源的剧毒物质。因此，开发基于CO2的二异氰酸酯合成技术对于生产真正的基于CO2的聚氨酯至关重要，这样聚氨酯的两种关键单体多元醇和二异氰酸酯中都可使用CO2作为原料。

德国的Carbon2Polymers项目是唯一一个探索替代二异氰酸酯的项目。该项目旨在开发利用从钢铁厂排放中捕获的CO2和H2生产二异氰酸酯的技术。在聚氨酯二异氰酸酯领域占有最大市场份额的二苯基甲烷二异氰酸酯 (MDI)和甲苯二异氰酸酯 (TDI) 之间，该研究项目主要集中在合成绿色TDI上。该项目采用的工艺包括CO2加氢和酯化成甲酸甲酯，用于通过氧化羰基化将2,4-甲苯二胺 (TDA) 转化为二甲基甲苯-2,4-二氨基甲酸酯 (TDC)。然后将TDC热分解为TDI。虽然这是实现基于CO2的异氰酸酯的一种有趣方法，但提高低于50%的低TDC产率以及确保绿色H2是该技术工业化的关键任务。此外，整个过程需要设计优化并对其环境影响的评估。

在韩国化学技术研究院 (KRICT)团队的研究中，研究人员提出并评估了一种新的绿色工艺，该工艺通过将单元反应整合到多步骤工艺中，利用CO2原料生产二异氰酸酯（重点是MDI）。工艺流程如下：

第一步是CO2干重整，它涉及二氧化碳和甲烷之间的反应，生成1:1比例的CO和H2。由于该反应能高效地转化二氧化碳，因此在CCU和催化领域引起了极大的兴趣。已经进行了大量研究来提高干重整催化剂的活性和耐久性。德国Caloric Anlagenbau公司开发了一种综合装置，通过天然气和二氧化碳的反应生产合成气，并将CO净化至99.9%。

第二步是通过反应分离合成气，利用二氧化碳干重整获得的CO和H2混合物。合成气用于硝基苯加氢生成苯胺，选择性地利用H2与硝基苯反应，生成苯胺（后续步骤的反应物），同时还生成高纯度CO（后续反应的反应物）。这种新方法通过最大限度地减少额外的分离过程，大大简化了生产过程。

第三步是通过苯胺和甲醛的反应合成MDA。该反应已被广泛研究并用于MDI生产的工业过程。

第四步是MDA的氧化羰基化。在该反应中，MDA与CO，O2和甲醇反应生成MDC。MDA的氧化羰基化始于MDA转化为尿素，然后进行甲氧基化得到MDC。研究人员之前为该反应开发了一种有效的Pd / CeO2催化剂，可在温和的反应条件下产生TDC和MDC。在这项研究中，研究人员推出了一种新的基于TiO2的催化剂和一种改进的反应方案，通过最大限度地减少不必要的聚合，显著减少了副产物的形成。

最后一步是MDC的热解，包括在高温下加热MDC以将其分解为MDI和甲醇。许多研究人员开展了调整反应条件以优化异氰酸酯生产的研究，重点关注反应物稳定性、产物纯度和反应效率。

稻草秸秆是收割稻田后留下的农业副产品。通常，它被留在田里分解或焚烧，这两者都会导致严重的环境问题。

菲律宾棉兰老国立大学的一个团队一直在寻找这种废物的替代用途——将其转化为多元醇原料，用于生产硬质聚氨酯泡沫保温板。稻草秸秆中含有木质素和纤维素成分，这两种成分都有转化为多元醇的潜力。

首先，当地农场的稻草秸秆经过液化处理，制造出生物基多元醇。将其在110°C的烘箱中干燥几天，然后研磨、过筛，并通过在甘油中加热并加入硫酸进行液化。将所得残留物过滤并干燥，并用于与购自陶氏的MDI一起制造硬质聚氨酯泡沫。

硬质聚氨酯泡沫的综合表征过程表明，高达50%的石油基多元醇可以成功地被生物基多元醇取代，并且仍然能提供高功能性。该硬质聚氨酯泡沫具有18-24kg/m3的低表观密度、良好的导热性和大于250kPa的抗压强度。

他们认为，稻草秸秆可能是聚氨酯多元醇的一种有价值的替代生物质来源，尤其是因为它不会与食物链竞争。它还可以帮助解决重大的废物管理问题。

浙江大学团队在国际学术期刊《科学》发表论文介绍——联合团队模仿北极熊毛的“核-壳”结构，制备出了一种封装气凝胶的超保暖人造纤维。它不但有传统保温材料的隔热功能，还能“封锁”人体向外辐射的红外线，可以直接在商用纺织机上编织成面料。这种材料同时具备保暖、轻薄和耐用的特点。

该成果由浙江大学化学工程与生物工程学院柏浩教授和高分子科学与工程学系高微微副教授团队完成。

据称，北极熊依靠一身超强保暖的毛发能适应-40℃的环境。他们发现，北极熊毛是中空结构，里面封装了大量“静止”的空气，每一根毛发都有一层壳。在电子显微镜下，这层壳大概有20微米厚，占了毛发直径的近四分之一。

图为北极熊毛在光学显微镜下的照片

受到这个发现的启发，研究团队历时近6年，制备出一种新型“核—壳”结构纤维。纤维的中心是高分子气凝胶，其内部分布着直径大约为10至30微米的纤长的小孔。小孔朝着同一个方向排列，像一个个存储空气的“仓库”。纤维表面有一层TPU（热塑性聚氨酯橡胶）外壳将内部的气凝胶包裹起来。

柏浩教授表示：“‘核’负责实现超强保暖，通过调控纤维内部小孔的方向与尺寸，有望‘锁住’红外辐射，防止热量的流失；‘壳’负责强韧耐用，为纤维提供了良好的力学支撑，使其耐磨、耐拉伸、耐水洗。”

为了验证保暖效果，研究人员在-20℃的恒温冷库中，试穿验证了初始温度相同羽绒衣、羊毛衣、棉毛衫和“北极熊毛衣”的保暖效果。衣物表面温度上升得越少代表人体热量流失越少、衣物的保暖性能越好。

图为研究人员在-20℃的冷库中测试“北极熊毛衣”、羽绒衣、羊毛衣、棉毛衫（从左至右）四种服装的保暖效果

研究人员发现，测试数分钟后，棉毛衫的表面温度上升到10.8℃，羽绒衣的表面温度上升到了3.8℃。而厚度与羊毛衣接近，仅为羽绒衣三分之一至五分之一厚度的“北极熊毛衣”表面仅上升到3.5℃。

7、蛋壳制成的生物炭有望成为降噪聚氨酯泡沫的填料

柔性聚氨酯泡沫材料在降噪应用中得到了广泛的应用，其高度连通的孔隙是消散声波能力的重要因素。通过仔细选择催化剂、稳定剂和发泡剂的量，可以优化腔体尺寸和孔隙结构。添加填料也可以提高性能。

现在，艾因夏姆斯大学和埃及石油研究所的科学家已经研究了使用蛋壳制成的生物炭的潜力。蛋壳(主要是碳酸钙)通常未经适当处理就被丢弃在垃圾填埋场。如果可以将它们升级为生物炭，作为降噪聚氨酯泡沫的填料，会怎么样？

生物炭是一种多孔碳质材料，在富氮环境中以约450℃至550℃的温度通过热解制成，温度会影响其性能，可以在降噪泡沫中用作石墨烯和碳纳米管等昂贵填料的替代品。生物炭表面上的羟基、羧基和羰基可增强与聚合物基材的物理交联，用硅烷偶联剂处理可以获得更好的分散性，从而进一步改善其声学性能。

他们使用来自生活垃圾的鸡蛋壳制作生物炭进行实验。清洗蛋壳以去除污染物，干燥、切碎和粉碎，然后在550℃下煅烧去除多余的生物材料并释放碳酸钙。然后将粉末在管式炉中氮气环境下以500℃进行热解，最后研磨并用3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS) 偶联剂改性。

将生物炭用作使用聚醚多元醇和TDI制成的聚氨酯泡沫中的填料，使用DABCO和蒸馏水作为发泡剂进行一次性自由基聚合。当生物炭的重量百分比为0.7%时，聚氨酯泡沫的声学性能最佳。APTMS改性进一步增强了其噪音阻隔能力，且较小的颗粒比较大颗粒的效果更好。

8、研究人员将乳制品废弃物转化为聚氨酯及其他生物基材料

随着美国塑料污染问题的持续升级，农业研究局(ARS) 的科学家正在开发一种新方法来应对这一问题。Atanu Biswas是美国伊利诺伊州皮奥里亚农业研究局(ARS)国家农业利用研究中心的化学家，他职业生涯的大部分时间都在探索将农业废弃物转化为生物塑料的方法。

Atanu Biswas的最新研发涉及利用乳制品废弃物，特别是乳糖——乳制品工业产生的一种副产品。乳糖由糖类组成，拥有形成生物塑料的化学成分。以这种材料为起点，Atanu Biswas已能够将其转化为聚氨酯和其他生物塑料聚合物，在各个行业和消费品中具有广泛的潜在应用。

该方法的一项重大进步是微波技术的使用，这使他能够快速制造生物塑料聚合物。此外，由于乳糖是半乳糖和葡萄糖的二糖，因此它可能是可生物降解的，尽管需要进一步的研究来证实这一点。

开发新型生物塑料的科学家面临的挑战是复制传统塑料所提供的特性，例如硬度和柔韧性。虽然基于乳糖的生物塑料目前无法复制传统塑料所提供的全部特性，但它们可用于某些应用，例如保温材料、家具、鞋材等。Atanu Biswas相信，通过额外的工作，它们可以进一步开发以适用于数百种应用。

Atanu Biswas解释说，总体而言，生物塑料可以取代很大一部分传统塑料用品，但可能无法完全取代它们。但从现在的情况来看，这是一个相当大的飞跃。

新型生物塑料代表了工业、农民和消费者的“三赢局面”。对于工业而言，它们提供了一个展示更清洁、更环保的形象的机会，同时利用易于获得的可再生原料。当消费者认识到塑料存在的问题时，会青睐对环境影响更小的选择。对于农民来说，用本来会被浪费的东西创造有价值的产品，是一项成功的突破。

9、中科院理化所实现电化学合成己二酸

己二酸是各种尼龙聚合物、药物、润滑剂、增塑剂和食品添加剂的关键原料，尤其是作为单体制备尼龙6,6和聚氨酯。已有明确报道的商业化己二酸产品均由苯出发，经热催化加氢和硝酸氧化两步法制备。然而，该路线面临着一些问题。

中国科学院理化技术研究所光化学转换与合成中心研究员陈勇团队提出以木质素衍生的酚类化合物为原料，以水为唯一的氢源/氧源，利用电化学成对电解策略实现己二酸的绿色电合成。该工作通过设计合成双金属催化剂，实现了高的电催化活性。

研究显示，以PtAu合金为阴极催化剂，实现苯酚高效转化生成KA油，产率为92%，法拉第效率为43%；KA油在CuCo2O4阳极催化剂上被电氧化为己二酸，产率为85%，法拉第效率为84%。

KA油特别是环己酮在水溶液中的溶解性差且扩散缓慢，使其难以在催化剂表面富集和吸附以进行电催化氧化反应，导致其催化活性差。此外，由于传质限制，作为竞争反应的析氧反应将在高电流密度下占主导地位，从而降低法拉第效率、增加反应能耗。针对上述问题，该团队提出催化剂界面微环境调控策略，设计合成了四氧化三钴/石墨炔(Co3O4/GDY)复合电催化剂。利用GDY本征的全碳结构疏水性和丰富的炔键，GDY可以作为催化剂疏水性和活性中心电子结构调节剂。电化学动力学实验结合分子动力学模拟结果表明，该复合催化剂可以更高效地富集、吸附有机反应底物，提高KA油电氧化制备己二酸的反应速率和法拉第效率。与不修饰GDY的Co3O4相比，该Co3O4/GDY生成己二酸的反应速率提高达1.6倍，法拉第效率从73%提高到92%。

10、新突破！室温下快速生产不含异氰酸酯的生物基聚氨酯泡沫

列日大学CERM(高分子教育与研究中心)的研究人员最新开发了一种创新工艺，利用室温配方快速发泡技术生产不含异氰酸酯、可回收的生物基聚氨酯(PU)泡沫。

聚氨酯泡沫几十年来一直通过有毒的异氰酸酯化学物质生产，目前其使用受到严格限制，但仍然是我们日常生活中必不可少的材料。硬质聚氨酯泡沫在地板、墙壁和屋顶以及冰箱门中用作隔热板时，能够大幅减少我们对能源的需求。软质聚氨酯泡沫主要用于床垫、沙发、汽车座椅和运动鞋鞋底的舒适应用，也用于隔音或减震材料。

尽管目前正在制定各种聚氨酯回收策略，但聚氨酯泡沫的报废管理仍然存在问题。此外，泡沫行业的许多客户正在寻找不含异氰酸酯且理想的生物基材料。研究人员正在积极寻找利用当地可用资源生产泡沫的替代方案，同时使它们易于回收。开发这种循环且更可持续的泡沫是一项重大挑战，尤其是在必须考虑改造现有工业泡沫基础设施的情况下。

列日大学CERM的化学家Christophe Detrembleur解释道：“2022年，我们推出了首个可回收的非异氰酸酯聚氨酯泡沫(NIPU)制造工艺，用水生产发泡剂(CO2)，这是迄今为止最简单、最经济的系统。”

“这项技术模仿了传统聚氨酯的发泡，但不使用有毒的异氰酸酯。它是基于使用水和添加到由环状碳酸酯和胺组成的配方中的催化剂。部分环状碳酸酯转化为发泡剂(CO2)使基材膨胀，另一部分有助于基材的成型和固化。”

由于这种发泡工艺需要进行热处理，因此非常适合在加热模具中制造非异氰酸酯聚氨酯泡沫(NIPU)，用于复杂形状的泡沫(汽车座椅、鞋底等)。然而，它不适合许多泡沫生产商所要求的在室温下快速发泡。

列日大学CERM研究员Maxime Bourguignon解释道：“在一个刚刚申请专利的新研究项目中，我们正在证明这一工艺如何在创纪录的时间内从室温配方中生产非异氰酸酯聚氨酯泡沫(NIPU)，同时仍然使用水来生成发泡剂。我们的想法是创造自发且快速发生的级联反应，从而通过模仿传统的异氰酸酯基工艺加快无异氰酸酯聚氨酯泡沫 (NIPU)基材的制造及其发泡。”

“因此，几乎所有聚氨酯泡沫的应用，无论是硬质还是软质，都可以使用这项技术，而无需使用外部热源进行制造。此外，具有高生物基含量(70%-90%)的泡沫可以在不到两分钟的时间内轻松生产。”