全球聚氨酯市场预计将达736亿美元生物基聚氨酯成主流

生物基聚氨酯进入主流

聚氨酯可用作建筑物外层的保温材料。图片来源：百度图片

■本刊记者李惠宇

无处不在的雾霾天气，点亮了整个化工行业的环保“警示灯”。这个词的出现，为化工产品的绿色转型带来了一个转折点，尤其是聚氨酯这一产销大户。

根据美国市场研究公司Grand View Research发布的最新研究报告，到2020年，全球聚氨酯市场预计将达到736亿美元。未来六年，生物基聚氨酯将成为新的发展方向。

不过，华南理工大学轻工与食品学院研究员陈凡告诉《中国科学报》记者，目前生物质基聚氨酯品种太少，不能满足用户对产品的差异化需求。要想成为聚氨酯产品的主流，必须跨越许多技术门槛。

“生物基”受追捧

聚氨酯素有“第五大塑料”之称，具有耐磨、抗撕裂、抗弯性能好等特点，是聚合物中唯一在塑料、橡胶等领域具有应用价值的有机合成材料、纤维、涂料、粘合剂和功能聚合物。

根据上述美国研究报告，亚太地区是全球最大的聚氨酯区域市场，而中国是亚太地区最大的聚氨酯消费国，占该地区需求的25%以上2013年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将达到900-1000万吨，产值2700-4000亿元。 .

然而聚氨酯网络，在巨大的需求和火爆的市场背后，是以牺牲环境和资源为代价的。

浙江科技大学生物与化学工程学院教授王世才表示，聚氨酯生产的原材料和中间体大部分来自石油、煤炭等不可再生资源，而大部分这些原材料是有毒有害的化学物质。此外，聚氨酯材料难降解，废弃物难以回收利用，对环境造成较大污染。

出于环保考虑，利用生物质产品替代石油原料生产绿色环保聚氨酯备受追捧。

例如，福特汽车公司 2011 年新款福特 Explorer 汽车的一大亮点是使用大豆聚氨酯制造汽车座垫和座椅靠背；鞋材供应商 Os Ryder 替代非食用生物油 以传统石化产品为原料，制造出第一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。据测算，如果用生物基多元醇代替石油多元醇，每百万磅可节约原油2200桶。与石油多元醇相比，植物油多元醇整体能耗降低23%，不可再生资源消耗降低61%，温室气体排放减少36%。

短期内难以突破技术壁垒

但受多道技术壁垒的限制，生物基聚氨酯产品难以成为主流。

“用户对生物基聚氨酯产品仍有疑虑聚氨酯网络，其性能无法与石油基聚氨酯相媲美，因此也影响了产品的推广。”陈凡告诉记者，目前生物基聚氨酯产品的研发主要是用生物质基聚醚代替石油基聚醚，这要求生物基聚醚具有与石油基聚醚相似的物理化学性能，但很难做到这一点。

中国塑料加工工业协会降解塑料专业委员会秘书长翁云轩也告诉《中国科学报》记者，与石油基聚氨酯相比，生物基聚氨酯的稳定性相对较差。陈方耕还指出，以生物质为原料生产的多种生物质基聚醚存在结构可控性差的缺点。

“目前人们很难像石油基聚醚的生产那样，按照产品性能的要求来设计生物质聚醚的结构，并按照这样的设计合成生物质聚醚产品。”陈凡庚说。

另外，对于大多数生物质原料来说，原料的特性随着原料的产地和生长期的不同而有很大差异。不仅如此，对于目前发展的热点之一的可生物降解植物基聚氨酯材料，王士才表示，其合成机理、构效关系、降解机理及其降解速率的可控性等方面也有待进一步研究。

如何迎接黄金期

分析人士指出，随着国内对聚氨酯下游产品的需求增加，以及多家跨国公司将业务重心和研发中心转移到中国市场，未来国内聚氨酯行业将迎来黄金期。

为抢占市场先机，国内聚氨酯企业纷纷将目光转向生物基产品的开发。

“其实国内的生物基聚氨酯开发技术并不比国外差。”翁云轩告诉记者，例如，南京宏宝利以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高阻燃聚氨酯保温材料；植物纤维基多元醇和植物纤维基聚氨酯也开始走向工业化生产。

但是，在陈方耕看来，我国生物基聚氨酯材料的整体研发水平还不够高。 “从研发本身来看，需要更多的研究机构和企业参与，开发更多的生物质基聚氨酯产品，以满足不同用户的需求；从聚氨酯开发商的角度来看，还是需要通过新的合成意味着实现产品结构和性能可控。”

他认为，生物基聚氨酯的发展还需要国家政策的支持，比如制定生物基聚氨酯专项技术标准；在采购和税收方面，要制定一些有利于生物基产品的政策，让新产品在社会上发挥示范作用。

另外，聚氨酯阻燃性的提高是我国聚氨酯材料进一步推广利用的关键，这也是未来生物质基聚氨酯的研发方向。

翁云轩表示，由于聚氨酯企业的合成反应装置习惯于石油基原料，为了适应新型生物基多元醇原料，还有一个探索的过程。但在他看来，生物基聚氨酯产品仍是未来聚氨酯产品的发展趋势。

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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方法的不同，根据方法的复杂程度，可降解聚氨酯材料的发展大致经历了四个阶段，即与天然聚合物直接复合；与改性天然聚合物复合；植物多元醇基聚氨酯；主链设计的可降解聚氨酯。 .

与天然大分子直接复合是一种广泛使用的制备可降解聚氨酯泡沫的方法，即在聚氨酯基体中引入纤维素、淀粉、甲壳素等天然大分子。天然聚合物是丰富的可再生资源，在自然界中大多具有良好的生物降解性。将它们以填料的形式引入聚氨酯基体中，可使聚氨酯具有一定的生物降解性。

与改性天然聚合物复合是针对天然聚合物直接引入聚氨酯基体时相容性差、反应效率低的问题。改性后共混可进一步提高聚氨酯材料的降解性能。和力学性能。研究表明，改性淀粉合成的聚氨酯泡沫更容易降解。

植物多元醇基聚氨酯是指用聚乙二醇液化试剂在酸催化下，将木材、稻草、秸秆等生物原料液化，多元醇与有机多异氰酸酯反应合成聚氨酯。由于聚氨酯链段中引入了可自然降解的天然多糖成分，这种聚氨酯具有良好的降解性能。然而，将植物原料中的多元醇液化制备植物多元醇，再用于制备可降解聚氨酯材料的方法，仍存在一些亟待解决的问题。

从分子主链结构入手，是设计制备可降解聚氨酯的必由之路。主链设计的可降解聚氨酯的优点是可实现完全降解，其力学性能和降解速度可调性强，但其未来发展仍需解决新原料设计合成成本高的问题。 （仲夏采集）

中国科学杂志（2015-01-06第7版生物学）