该研究提出了一种基于共价键动态平衡的原子经济闭环回收策略，利用单一化学试剂（丙酮肟）的可逆作用实现热固性聚氨酯泡沫（PUF）的高效再生。再生PUF保留原始化学结构与热稳定性，机械性能与原生泡沫相当，部分工况下性能更优。无需催化剂与溶剂，丙酮肟可100%回收，较传统工艺降低47.8%的化石资源消耗，生产成本仅为后者的28.6%。
近日，浙江大学谢涛教授和杭州师范大学朱雨田教授合作，在《Nature Communications》发表题为《Atom economic closed-loop recycling of thermoset polyurethane foams》的论文，提出基于共价键动态平衡的原子经济闭环回收策略，实现热固性聚氨酯泡沫高效再生。
热固性聚氨酯泡沫（PUF）凭借优良性能，广泛应用于汽车座椅、家具和绝缘板等工业和消费产品，2022年全球年产量达1400万吨，占聚氨酯市场的67%。然而，其报废后的回收处理一直是行业难题。传统的物理回收、化学回收等方法，存在成本高昂、试剂大量消耗、回收材料性能下降等问题。即便采用动态键策略，也常需额外催化剂或发泡剂，难以兼顾原子经济性和材料性能，闭环回收的实用价值大打折扣。
该研究的核心技术基于PUF网络中共价键的固有平衡特性。研究人员发现，加入丙酮肟可推动聚氨酯网络中尿素、氨基甲酸酯和缩二脲键的热平衡向解离方向移动，使整体泡沫分解为表面功能化微粒。而在蒸发除去丙酮肟后，原始共价键又能重新形成，这些微粒重新结合形成新泡沫。丙酮肟不仅作为反应试剂促进网络解离，还在蒸发后充当造孔剂，实现“泡沫到泡沫”的直接再生。在整个过程中，丙酮肟是唯一使用的化学试剂，且在流程结束后可被完全回收。
解构阶段：将PUF机械研磨后与过量丙酮肟在130℃混合，微粒尺寸随时间减小，丙酮肟/PUF比例影响碎片化程度。 网络解构化学机理：通过模型化合物（含尿素、氨基甲酸酯、缩二脲键）的核磁共振分析，证实丙酮肟与三类键发生热交换反应，解离速率顺序为：尿素>氨基甲酸酯≈缩二脲。重构阶段：在真空条件下加热解构产物，丙酮肟蒸发后微粒重新交联，形成具有多孔结构的再生泡沫，孔隙率可达90%。
经检测，再生PUF能完全保留原始材料的化学结构与热稳定性，其压缩模量、回弹性等机械性能与原生泡沫相当，在部分工况下，甚至因孔隙结构优化呈现更优的应变硬化特性。此外，该策略无需使用催化剂和溶剂，唯一涉及的化学试剂丙酮肟可100%回收。与传统化学回收工艺相比，该方法降低47.8%的化石资源消耗，生产成本仅为后者的28.6%，真正实现了材料性能无损循环与环境、经济价值的双赢。
综上所述，这项基于可逆转换共价键平衡的商品化PUF化学回收工艺，通过将材料网络部分解构为表面功能化颗粒，实现了无溶剂、催化剂及单体消耗的泡沫再生。尽管目前再发泡过程受丙酮肟蒸发速度限制，未来可通过优化工艺缩短耗时，并探索更简易的发泡技术。但这种原子经济性的泡沫闭环循环模式，已展现出显著的经济与环境效益，为工业热固性塑料的可持续发展开辟了极具潜力的新路径。 图1:聚氨酯泡沫原子经济闭环回收的设计原理(PUF)。a尿素、氨基甲酸乙酯和缩二脲的热平衡状态。b过量肟的移动平衡。cPUF的闭环回收。图2:聚氨酯泡沫(PUF)分解成表面官能化颗粒。解构时间对粒子的影响(a)大小和(b)在固定的丙酮肟/PUF比为20时的形态。丙酮肟/PUF的比例对颗粒(c)大小和(d)在20分钟的固定解构时间的形态学。ePUF在130℃的丙酮肟中溶胀前后的照片。图3:聚氨酯泡沫(PUF)分解的化学机理。a丙酮肟与尿素、氨基甲酸乙酯和缩二脲键的热交换反应的核磁共振氢谱分析，在所有三种情况下，光谱对应于2 h的反应时间。氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)作为溶剂1核磁共振分析。对应于芳族氢的峰的总强度设定为1，对应于CH3在肟中，氨基甲酸乙酯用于计算转化率。b来自NMR分析的单个键反应动力学相对于它们在网络中的摩尔含量标准化(脲:氨基甲酸乙酯:缩二脲= 3:1:0.2)。c脲、氨基甲酸乙酯和缩二脲键的总断裂数。d化学解构后网络结构演变示意图。图4:聚氨酯泡沫的重建(PUF)。a原始PUF、分解后的丙酮肟/颗粒混合物和再生puf的照片 b原始和再生PUF的SEM图像比较 c再生puf的孔隙率对应于不同的分解时间 数据表示为平均值和平均值的标准误差(s.e.m .)。中心值表示平均值。误差线表示标准差。n=样本的5 d原始和再生puf的压缩应力-应变曲线对应于不同的分解时间，插图显示了小应变范围的放大 e再生PUF的第一、第十和第三十循环压缩应力-应变曲线 f第一、第二和第三再生puf的压缩应力-应变曲线 g生命周期评估的比较特征结果谢涛，男，江西赣州人，浙江大学化工系教授，博士生导师。浙江大学化学工程与生物工程学院教授。近年来从事多功能智能高分子材料基础及应用研究，在形状记忆高分子、质子交换膜、仿生智能高分子等方向取得了多项重要研究成果。近五年作为通讯作者在包括Nature主刊，Advanced Materials，Advanced Functional Materials等期刊发表近20篇论文。拥有超过70项美国，德国，日本，中国及世界专利。朱雨田，男，2006年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，师从姜伟研究员；2006年至2008年，加入比利时天主教鲁汶大学化工系从事博士后研究；2008年至2010年，加入美国孟菲斯大学化学系从事博士后研究；2010年至2018年，作为从国外招聘的研究骨干任中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室副研究员。2018年，经“卓越人才计划”引进杭州师范大学。近年来，以通讯作者/第一作者在Angew. Chem. Int. Ed.，Advanced Functional Materials，ACS Nano等期刊发表论文100余篇。
内容来源：Nature、网络公开信息
文章涉及翻译，如有错误请指正谅解。谢谢！
