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  熱固性聚氨酯泡沫（PUF）因其優(yōu)異的機(jī)械性能和尺寸穩(wěn)定性而廣泛應(yīng)用于床墊、沙發(fā)墊、汽車座椅、包裝材料和隔熱隔音板等產(chǎn)品，其全球年產(chǎn)量在2022年已達(dá)1400萬噸。鑒于PUF的低密度特性，其年體積產(chǎn)量高達(dá)驚人的4億立方米，這也導(dǎo)致其報(bào)廢后引發(fā)的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻。鑒于PUF的熱固性本質(zhì)，其回收利用極具挑戰(zhàn)性。以醇解為典型代表的化學(xué)回收法可將其解聚為原料，用于新材料的合成，再生產(chǎn)品可媲美初始產(chǎn)品，已被學(xué)術(shù)和企業(yè)界深入研究數(shù)十年。但該法通常需要消耗大量的試劑（斷鍵試劑、再鍵合試劑、催化劑等）；而且通常僅能回收多元醇，對二異氰酸酯副產(chǎn)物卻難以回收利用，不能實(shí)現(xiàn)廢料的全部資源化。

  為此，浙大謝濤、杭師大朱雨田/劉增賀團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種原子經(jīng)濟(jì)閉環(huán)回收商用聚氨酯泡沫的方法。在無任何額外試劑消耗、無任何副產(chǎn)物的情況下，通過“斷鍵-逆向成鍵”反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了聚氨酯泡沫的閉環(huán)再利用。

  2025年6月2日，相關(guān)成果以“Atom economic closed-loop recycling of thermoset polyurethane foams”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。浙江大學(xué)謝濤教授和杭州師范大學(xué)朱雨田教授為共同通訊作者，杭州師范大學(xué)助理研究員劉增賀和碩士生劉玲為共同第一作者。

  該研究團(tuán)隊(duì)前期曾提出了部分化學(xué)解聚和增值再利用的策略，以較小的試劑消耗（30%），將商用聚氨酯泡沫全部增值轉(zhuǎn)化為具有優(yōu)異力學(xué)性能、更高經(jīng)濟(jì)價值的3D打印光敏樹脂（Nature Chemistry, 2023, 15, 1773-1779）。此處，該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為盡管前期方法具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，但當(dāng)前3D打印市場還沒有完全發(fā)展起來，尚不能消耗巨量的聚氨酯廢料；而且試劑消耗問題依然存在。因此，本研究工作是對該團(tuán)隊(duì)前期研究工作的進(jìn)一步優(yōu)化。

  該工作主要通過利用PUF分子網(wǎng)絡(luò)中共價鍵（氨酯鍵、脲鍵、縮二脲鍵）的固有平衡特性來實(shí)現(xiàn)：添加適當(dāng)試劑（丙酮肟）可打破平衡促使共價鍵解離，使固態(tài)泡沫轉(zhuǎn)化為可再加工狀態(tài)；移除并回收該試劑后，原始共價鍵將重新鍵合，恢復(fù)初始分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。此外，該方法還巧妙的利用了丙酮肟的致孔特性，實(shí)現(xiàn)了“泡沫-泡沫”的閉環(huán)回收。該方法無需任何催化劑、溶劑，而唯一涉及的化學(xué)試劑（丙酮肟）可完全回收；而且該方法還充分發(fā)掘了廢料中異氰酸酯鏈段的作用，避免異氰酸酯副產(chǎn)物的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了廢料的全部資源化。

圖1. 原子經(jīng)濟(jì)閉環(huán)回收利用商用聚氨酯泡沫的策略。a. 熱激發(fā)脲鍵、氨酯鍵及縮二脲鍵的平衡反應(yīng)。b. 加入試劑肟引發(fā)平衡向解離方向移動。c. PUF閉環(huán)回收圖示。

  此外，該工作還提出了微粒化的解聚方案，即將聚氨酯泡沫解聚為表面富含可再鍵合基團(tuán)的微粒，而非完全解交聯(lián)的低聚物/單體，以最大化降低斷鍵量和斷鍵能耗，從而可使解聚條件更加溫和（無需催化劑，130℃，10-40min均可）。該解聚條件顯著優(yōu)于傳統(tǒng)醇解化學(xué)回收法（需要催化劑，200℃左右，數(shù)小時）。

圖2. 聚氨酯泡沫（PUF）解聚為功能化粒子。a-b，解聚時間對粒子（a）尺寸和（b）形貌的影響。c-d，丙酮肟/PUF比率對粒子（c）尺寸和（d）形貌的影響。

  研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合模型小分子實(shí)驗(yàn)、紅外分析、凝膠含量分析、熱重分析、差示掃描量熱分析等多種分析測試手段，系統(tǒng)研究并驗(yàn)證了以上閉環(huán)回收機(jī)理。

  基于以上回收策略，通過不同模具的選擇，研究團(tuán)隊(duì)獲得了一系列具有不同外觀形貌的多孔泡沫。其孔隙率可達(dá)92%。重要的是，再生泡沫的機(jī)械性能與原泡沫相當(dāng)甚至更優(yōu)。在大壓縮變形下（80%）仍然可保持優(yōu)異的回彈性。且可進(jìn)行多次閉環(huán)回收，經(jīng)過三次循環(huán)后，其力學(xué)性能基本保持不變（圖3-9）。生命周期評估結(jié)果表明，所提出的原子經(jīng)濟(jì)化學(xué)回收工藝對環(huán)境的總體影響較好。經(jīng)濟(jì)評估結(jié)果表明，該回收法的成本（無試劑消耗，主要是能耗成本）僅為傳統(tǒng)醇解法的28.6%。

圖3. 聚氨酯泡沫（PUF）的重構(gòu)。a. 原始PUF、解聚后丙酮肟/微粒混合物及再生PUF的實(shí)物照片。b. 原始與再生PUF的掃描電鏡（SEM）圖像對比。c. 不同解聚時間下再生PUF的孔隙率。d. 原始與不同解聚時間下再生PUF的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（插圖為小應(yīng)變區(qū)域局部放大）。e. 再生PUF的第1、10、30次循環(huán)壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f. 第1、2、3次循環(huán)再生PUF的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線。g. 生命周期評估的對比表征結(jié)果。

  研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該原子經(jīng)濟(jì)閉環(huán)回收策略不限于聚氨酯材料，還有望推廣應(yīng)用于其它熱固性材料，為廢料循環(huán)利用提供一種新的解決方案。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60111-x

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