生物基聚氨酯成为开发新方向

http://www.plas.hc360.com2015年01月07日17:55 来源:中国科学报T|T

    慧聪塑料网讯:无处不在的雾霾天气给整个化工业亮起了环保“警示灯”,“生物基”一词的出现则为化工产品的绿色转型带来转机,特别是针对产销大户聚氨酯。

  据美国市场研究公司grandviewresearch最新发布的研究报告显示,至2020年,全球聚氨酯市场预计将达736亿美元,未来6年内,生物基聚氨酯将成为开发新方向。

  不过,华南理工大学轻工与食品学院研究员谌凡更告诉记者,目前生物质基聚氨酯品种偏少,还无法满足用户对产品的差异化需求,生物基聚氨酯要想成为聚氨酯产品的主流,还须跨过多道技术门槛。

  “生物基”受追捧

  聚氨酯被誉为“第五大塑料”,具有耐磨、抗撕裂、抗挠曲性好等特点,是高分子材料中唯一一种在塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂和功能高分子等领域均有应用价值的有机合成材料。

  据上述美国研究报告的调查显示,亚太地区是全球最大的聚氨酯区域市场,中国则是亚太地区最大的聚氨酯消费国,2013年需求量在该区域占25%以上。中国聚氨酯工业协会预测,“十二五”期间,我国聚氨酯产品年消费量还将达到900万~1000万吨,实现产值2700亿~4000亿元。

  然而,在庞大需求和火暴市场的背后,却是以牺牲环境和资源为代价。

  浙江科技学院生物与化学工程学院教授王仕财表示,生产聚氨酯的原料、中间体大多来自石油、煤等不可再生资源,且这些原料多为有毒、有害的化学品。另外,聚氨酯材料难以降解、其废弃物回收困难,从而造成很大的环境污染。

  出于环保考虑,用生物质产品替代石油原料生产绿色环保型聚氨酯,备受追捧。

  例如,福特汽车公司2011新款福特explorer汽车的亮点之一就是使用大豆聚氨酯来制造汽车座垫及座椅靠背;鞋材供应商欧士莱德将非食用性生物油代替传统石化品作为原料,制造出首款生物基聚氨酯泡沫鞋底,并投放市场。

  聚氨酯主要由异氰酸酯、聚醚多元醇、聚酯多元醇等反应制得,据估计,若用生物基多元醇代替石油类多元醇,每100万磅可节省2200桶原油。与石油类多元醇相比,植物油多元醇总体能源消耗降低23%,非可再生资源消耗降低61%,向大气排放温室气体减少36%。

  技术壁垒短期难打破

  不过,由于受多重技术壁垒的限制,生物基聚氨酯产品还很难成为主流。

  “用户现在对生物基聚氨酯产品还存在疑虑,其性能还无法与石油基聚氨酯媲美,所以也影响了产品的推广。”谌凡更对记者说,目前研究开发生物基聚氨酯主要是用生物质基聚醚代替石油基聚醚,这就要求生物基聚醚具有与石油基聚醚相近的物理化学特性,但是要做到这一点比较困难。

  中国塑料加工工业协会降解塑料专业委员会秘书长翁云宣也对记者表示,对比石油基聚氨酯,生物基聚氨酯的稳定性相对较差。谌凡更也指出,由生物质原料生产的多种生物质基聚醚,存在结构可控性差的缺点。

  “目前人们难以像生产石油基聚醚那样,根据对产品性能的需求来设计生物质聚醚结构,并且按照这样的设计来合成生物质聚醚产品。”谌凡更说。

  另外,大多生物质原料还存在原料特性随原料产地、生长期不同而有较大差异的情况。不仅如此,对于当前开发热点之一的生物可降解植物基聚氨酯材料,王仕财表示,其合成机理、结构性能关系、降解机理及其降解速度的可控性等,也都有待于进一步研究。

  如何迎接黄金期

  分析人士指出,随着国内聚氨酯下游制品需求量的增加以及众多跨国企业将业务重点和研发中心转移至中国市场,未来国内聚氨酯产业将迎来黄金期。

  为抢占市场先机,国内聚氨酯企业纷纷将目光投向生物基产品的开发中。

  “其实,国内生物基聚氨酯开发技术并不比国外差。”翁云宣对记者介绍称,例如南京红宝丽利用可再生植物油为原料制备聚氨酯硬泡;江苏中科金龙以二氧化碳为原料生产出高阻燃聚氨酯保温材料;植物纤维基多元醇以及植物纤维基聚氨酯也开始走向工业生产。

  不过,在谌凡更看来,目前国内生物基聚氨酯材料研究开发的总体水平仍不够高。“从研究和开发本身来讲,需要有更多的研究机构和企业参与,开发出更多的生物质基聚氨酯产品,适应不同的用户需求;从聚氨酯开发者的角度讲,仍需要通过新的合成手段来实现产品结构与性能的可控。”

  他认为,生物基聚氨酯的发展还需要国家政策的支持,例如制定专门的适用于生物基聚氨酯的技术标准;在政府采购以及税收等方面,应当制定一些有利于生物基产品的政策,以便让新产品在社会上起到示范作用。

  另外,聚氨酯的阻燃性提高与否是聚氨酯材料能否进一步在国内推广利用的关键,而这也是生物质基聚氨酯今后的研究发展方向。

  翁云宣则表示,聚氨酯企业的合成反应装置由于习惯了石油基原料,要想适应新的生物基多元醇原料,还需要有一个摸索的过程。不过,在他看来,生物基聚氨酯产品仍是聚氨酯产品未来的发展趋势。

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  可降解聚氨酯材料制备技术发展历程

  根据可降解聚氨酯材料的设计方法和制备手段的不同,并按照方法的复杂程度或出现的时间顺序,可降解聚氨酯材料的发展大致经历了四个阶段,即与天然高分子的直接复合;与改性天然高分子复合;植物多元醇基聚氨酯;主链设计型可降解聚氨酯。

  与天然高分子直接复合是最初广泛采用的一种制备可降解聚氨酯泡沫塑料的途径,即在聚氨酯基体中引入纤维素、淀粉、甲壳素等天然高分子。天然高分子为储量丰富的可再生资源,在自然界大多具有良好的可生物降解性,将其以填料形式引入聚氨酯基体,可以赋予聚氨酯一定可生物降解性。

  与改性天然高分子复合是针对天然高分子直接引入聚氨酯基体存在相容性差、反应效率低等问题,通过改性后共混的方法能够进一步改善聚氨酯材料的降解性能和力学性能。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将木材、稻草、秸秆等生物原料利用聚乙二醇液化试剂在酸催化下进行液化,作为多元醇与有机多异氰酸酯反应合成聚氨酯。由于在聚氨酯链段中引入了可以自然降解的天然多糖系成分,这种聚氨酯具有较好的降解性能。但是,以植物原料的多元醇液化途径制取植物多元醇,进而用于可降解聚氨酯材料制备的方法,尚存在一些需要解决的难题。

  从分子主链结构出发,是可降解聚氨酯设计与制备的必由之路。主链设计型可降解聚氨酯的优势在于可以达到完全降解,并且力学性能和降解速度可调性强,但其未来发展还需要解决新型原料的设计与合成成本较高等问题。

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责任编辑:宋丹娥

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