热固性聚氨酯泡沫的原子经济闭环回收：基于动态共价键平衡的泡沫再生策略

研究人员针对热固性聚氨酯泡沫(PUF)难以回收的行业难题，提出了一种基于动态共价键平衡的闭环回收策略。通过单一试剂（丙酮肟）调控尿素/氨基甲酸酯/缩二脲键的可逆解离与重组，实现了无催化剂、无溶剂的泡沫再生，机械性能优于原始材料。该研究发表于《Nature Communications》，为热固性聚合物可持续发展提供了新范式。

　　

热固性聚氨酯泡沫(PUF)作为年产量达1400万吨的工业支柱材料，广泛应用于汽车座椅、家具和建筑隔热领域。然而其交联网络结构导致传统回收方法效率低下，全球约90%的废弃PUF通过填埋或焚烧处理，造成严重的资源浪费和环境污染。现有化学回收技术如醇解法需消耗大量催化剂和溶剂，且回收产物性能显著劣化。如何实现PUF的高效闭环回收，成为制约聚合物可持续发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，浙江大学和合作机构的研究团队创新性地提出基于动态共价键平衡的原子经济回收策略。研究发现商业PUF中尿素键、氨基甲酸酯键(urethane)和缩二脲键(biuret)在高温下存在热力学平衡，通过添加过量丙酮肟(acetoxime)可推动平衡向解离方向移动，将整块泡沫转化为表面功能化的微颗粒。移除丙酮肟后，原始化学键自发重组实现泡沫再生，且蒸发丙酮肟的过程同步完成发泡。该成果发表于《Nature Communications》，首次实现了PUF的试剂零消耗闭环回收。

研究采用核磁共振(¹H NMR)、X射线光电子能谱(XPS)和热重分析(TGA)等关键技术，通过模型化合物实验揭示了键交换机制：尿素键反应活性最高(urea>urethane≈biuret)，20分钟即可完成22.6%键解离。扫描电镜(SEM)显示再生泡沫孔隙率达90%，压缩测试显示其应变硬化特性优于原始材料，经三次循环后力学性能仍保持稳定。生命周期评估表明，相较传统醇解法，新工艺可降低47.8%化石资源消耗和82.3%臭氧层破坏风险。

设计原理
研究发现PUF网络中的尿素(3当量)、氨基甲酸酯(1当量)和缩二脲键(0.2当量)在130°C与过量丙酮肟(acetoxime/PUF=20:1 w/w)发生可逆交换反应，生成肟-氨基甲酸酯键(oxime-urethane)并释放胺/醇/尿素基团。该过程通过平衡移动实现网络解构，且丙酮肟既是反应试剂又作为后续发泡的致孔剂。

解构机制
溶胀实验显示PUF在丙酮肟中5秒内达到最大膨胀率(2.2倍)，表明解构均匀性。模型化合物动力学证实尿素键解离速率是氨基甲酸酯键的3倍，XPS检测到C=N键(399.7 eV)形成验证了键转化。

重构性能
真空蒸发(130°C/3 h)使丙酮肟回收率达100%，再生泡沫凝胶含量保持95%，玻璃化转变温度(T_g)稳定在-59°C。解构时间调控孔隙率(86-92%)和模量(20 kPa)，最优条件下再生泡沫密度为0.119 g/cm³，较原始材料(0.06 g/cm³)具有更优异的应变硬化行为。

该研究开创性地利用聚合物网络固有平衡特性，实现了热固性材料的原子经济回收。技术经济分析显示成本仅0.59美元/kg，为传统方法的28.6%。虽然丙酮肟存在潜在致癌性，但闭环设计确保其零排放。作者Zenghe Liu等指出，该策略可拓展至其他热固性材料回收，为循环经济提供了普适性解决方案。研究突破传统回收技术对催化剂/溶剂的依赖，通过"单一试剂多功能化"设计，同时解决化学键重组与孔隙再生两大难题，标志着聚合物可持续技术的重要进展。