浙大谢涛/杭师大朱雨田、刘增贺《Nat. Commun.》：原子经济闭环回收热固性聚氨酯泡沫

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原创老酒高分子高分子科技 2025年06月09日 12:24 江苏

浙大谢涛/杭师大朱雨田、刘增贺《Nat. Commun.》：原子经济闭环回收热固性聚氨酯泡沫

热固性聚氨酯泡沫（PUF）因其优异的机械性能和尺寸稳定性而广泛应用于床垫、沙发垫、汽车座椅、包装材料和隔热隔音板等产品，其全球年产量在2022年已达1400万吨。鉴于PUF的低密度特性，其年体积产量高达惊人的4亿立方米，这也导致其报废后引发的环境问题日益严峻。鉴于PUF的热固性本质，其回收利用极具挑战性。以醇解为典型代表的化学回收法可将其解聚为原料，用于新材料的合成，再生产品可媲美初始产品，已被学术和企业界深入研究数十年。但该法通常需要消耗大量的试剂（断键试剂、再键合试剂、催化剂等）；而且通常仅能回收多元醇，对二异氰酸酯副产物却难以回收利用，不能实现废料的全部资源化。

为此，浙大谢涛、杭师大朱雨田/刘增贺团队报道了一种原子经济闭环回收商用聚氨酯泡沫的方法。在无任何额外试剂消耗、无任何副产物的情况下，通过“断键-逆向成键”反应，实现了聚氨酯泡沫的闭环再利用。

2025年6月2日，相关成果以“Atom economic closed-loop recycling of thermoset polyurethane foams”为题发表在《Nature Communications》上。浙江大学谢涛教授和杭州师范大学朱雨田教授为共同通讯作者，杭州师范大学助理研究员刘增贺和硕士生刘玲为共同第一作者。

该研究团队前期曾提出了部分化学解聚和增值再利用的策略，以较小的试剂消耗（30%），将商用聚氨酯泡沫全部增值转化为具有优异力学性能、更高经济价值的3D打印光敏树脂（Nature Chemistry, 2023, 15, 1773-1779）。此处，该研究团队认为尽管前期方法具有很高的经济价值，但当前3D打印市场还没有完全发展起来，尚不能消耗巨量的聚氨酯废料；而且试剂消耗问题依然存在。因此，本研究工作是对该团队前期研究工作的进一步优化。

该工作主要通过利用PUF分子网络中共价键（氨酯键、脲键、缩二脲键）的固有平衡特性来实现：添加适当试剂（丙酮肟）可打破平衡促使共价键解离，使固态泡沫转化为可再加工状态；移除并回收该试剂后，原始共价键将重新键合，恢复初始分子网络结构。此外，该方法还巧妙的利用了丙酮肟的致孔特性，实现了“泡沫-泡沫”的闭环回收。该方法无需任何催化剂、溶剂，而唯一涉及的化学试剂（丙酮肟）可完全回收；而且该方法还充分发掘了废料中异氰酸酯链段的作用，避免异氰酸酯副产物的产生，实现了废料的全部资源化。

图1. 原子经济闭环回收利用商用聚氨酯泡沫的策略。a. 热激发脲键、氨酯键及缩二脲键的平衡反应。b. 加入试剂肟引发平衡向解离方向移动。c. PUF闭环回收图示。

此外，该工作还提出了微粒化的解聚方案，即将聚氨酯泡沫解聚为表面富含可再键合基团的微粒，而非完全解交联的低聚物/单体，以最大化降低断键量和断键能耗，从而可使解聚条件更加温和（无需催化剂，130℃，10-40min均可）。该解聚条件显著优于传统醇解化学回收法（需要催化剂，200℃左右，数小时）。

图2. 聚氨酯泡沫（PUF）解聚为功能化粒子。a-b，解聚时间对粒子（a）尺寸和（b）形貌的影响。c-d，丙酮肟/PUF比率对粒子（c）尺寸和（d）形貌的影响。

研究团队结合模型小分子实验、红外分析、凝胶含量分析、热重分析、差示扫描量热分析等多种分析测试手段，系统研究并验证了以上闭环回收机理。

基于以上回收策略，通过不同模具的选择，研究团队获得了一系列具有不同外观形貌的多孔泡沫。其孔隙率可达92%。重要的是，再生泡沫的机械性能与原泡沫相当甚至更优。在大压缩变形下（80%）仍然可保持优异的回弹性。且可进行多次闭环回收，经过三次循环后，其力学性能基本保持不变（图3-9）。生命周期评估结果表明，所提出的原子经济化学回收工艺对环境的总体影响较好。经济评估结果表明，该回收法的成本（无试剂消耗，主要是能耗成本）仅为传统醇解法的28.6%。

图3. 聚氨酯泡沫（PUF）的重构。a. 原始PUF、解聚后丙酮肟/微粒混合物及再生PUF的实物照片。b. 原始与再生PUF的扫描电镜（SEM）图像对比。c. 不同解聚时间下再生PUF的孔隙率。d. 原始与不同解聚时间下再生PUF的压缩应力-应变曲线（插图为小应变区域局部放大）。e. 再生PUF的第1、10、30次循环压缩应力-应变曲线。f. 第1、2、3次循环再生PUF的压缩应力-应变曲线。g. 生命周期评估的对比表征结果。

研究团队认为该原子经济闭环回收策略不限于聚氨酯材料，还有望推广应用于其它热固性材料，为废料循环利用提供一种新的解决方案。

原文链接：

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