淺析聚氨酯復合材料在衛生潔具中的應用及前景

陸遠文 謝振武

摘 要：衛生潔具行業中的節能節水問題關鍵在于潔具材料的選擇，聚氨酯由于其較低的導熱系數和吸水率，具有極佳的節能保溫效果，是較理想的潔具材料。但聚氨酯作為有機物具有高溫易燃、易開裂，以及光澤度低的特性，是行業關注的關鍵技術難題。本文從聚氨酯的本質改性、纖維增強基復配、噴射發泡技術等方面的研究，與讀者一起探討聚氨酯新材料復合性能單一的或協同的變化機理，初步建立復合材料性能改變的理論體系。

關鍵詞：纖維增強基;改性聚氨酯;噴射發泡

1 前 言

節能環保是我國目前的基本國策，也是貫徹可持續發展戰略的重要舉措。中國能源資源相對缺乏，節約能源已是刻不容緩。在能源消費結構中，建筑能耗占有重要比重，在我國“十一五”整體規劃中已明確提出要求住宅建筑和公共建筑嚴格執行節能50%的標準。其中建筑家居是節能環保工作的重要組成部分之一，全面推進建筑家居的節能環保，有利于保證國民經濟持續穩定快速發展，改善人民生活和健康環境，而衛生潔具行業中的節能節水問題關鍵在于潔具材料的選擇。

目前市場上潔具材質有八種：搪瓷、玻璃纖維增強水泥（GRC）、水磨石、陶瓷、玻璃鋼、人造大理石（人造瑪瑙）、聚丙烯酸酯復合材料、熱塑性塑料。而節能環保型聚氨酯作為衛生潔具的一種材料只是近幾年出現：德國Keramag公司推出新款F1浴缸，采用了拜耳材料科技公司的聚氨酯材料，由噴射發泡和微孔硬質整體蒙皮成型的泡沫塑料制成。我國浙江格魯斯集團旗下所生產的潔具產品材料主要是由意大利進口的目前世界上最低碳環保最優質的聚氨酯復合材料，無毒無害，經久耐用不會裂并。

聚氨酯材料是目前所有的有機材料中節能性能最好的保溫產品之一（幾種保溫材料性能對比見下表1）。聚氨酯具有最佳的節能保溫效果，其導熱系數僅為0.017～0.025 W/m·K，是所有保溫材料的最小值。聚氨酯高分子材料具有較完美的泡孔結構，具有較佳的結構穩定性和理化性能。聚氨酯材料是雙組份液體交聯發泡，泡體呈熱固性網狀結構，閉孔率高，抗壓、抗拉強度大，韌性強，且耐熱穩定性好，安全使用溫度達120℃。聚氨酯聚合物材料因保溫板形變造成的開裂隱患小，同時聚氨酯泡沫防水卻不疏水，其分子鏈存有一定量的-OH基團，與其它有機或無機材料相容性好，極易粘貼復合。另外，由于聚氨酯高分子材料屬熱固性材料，遇火燃燒后即易形成積炭層，隨著積炭層的增厚，熱量和氧氣傳遞被隔絕，最后形成一個難燃或不燃層，可阻止火焰的進一步蔓延，因此聚氨酯材質潔具消防安全性相對較好。

2 國內外同類產品技術和現狀

目前我國衛生潔具發展的主要趨勢是： 改變行業傳統的高投入、高消耗、高排放、低效益的發展方式，積極推動衛生潔具產業節能減排和技術進步，是全行業今后幾年的重要任務之一;實現“節能、節材、節水、節地、環保和清潔安全”的發展目標，將是中國衛生潔具行業今后可持續健康發展的長期和重要任務。

潔具行業的技術創新除了產品的外觀設計外，更重要的是開發適合產品技術發展趨勢的新材料。近幾年來，節能環保型聚氨酯高分子復合材料開始在衛生潔具產品中得到運用。聚氨酯軟體浴缸在歐美、日本等發達國家備受青睞，德國Keramag公司推出新款F1浴缸采用的主體材料是拜耳材料科技公司制作的聚氨酯材料。聚氨酯典型配方由異氰酸酯、多元醇以及可選擇的泡沫添加劑組成，制作工藝采用聚氨酯噴射系統和微孔硬質整體蒙皮成型的泡沫塑料相結合。浴缸的底座是用Baydur硬質聚氨酯整體蒙皮泡沫制造的，固化后，可以承受相當大的載荷。該材料可用幾種方法上漆，其高質量的表面能滿足現代衛浴設計的所有美學要求。Baydur的另一特點是極低的吸水性，這意味著浴缸不太會出現“腳部返潮”的情況。底座是在鋁質閉模中一次成型的，在設計中考慮了基座與浴缸上部的連接，保證裝配完好。

在我國采用聚氨酯主體材料制成的潔具產品并不多見，據市場統計浙江格魯斯集團生產的潔具系列用品其材料主要是采用低碳環保優質的聚氨酯復合材料，且該材料是由意大利進口的。其主要方法在亞克力或者凝膠涂料成型后直接利用聚氨酯噴涂得到。該類潔具產品因材料節能環保、成本低，附加值高、健康舒適等優點，可取代傳統的材質打造時尚行業產品，必將成為家具潔具未來發展的趨勢。

經過相關文獻和專利的檢索分析，現有的聚氨酯材料技術主要是對軟體聚氨酯發泡材料的制備，并未發現應用于浴缸產品的聚氨酯材料的研究報道。涉及使用聚氨酯材料生產制備軟體浴缸的研究報道只有專利權人秦松林的201110048038.2復合軟體浴缸、淋浴盆、洗面盆及其制作工藝和宣城市銀河潔具有限責任公司的200710135572.0一種復合浴缸和200720042559.6一種復合浴缸。

專利權人秦松林的201110048038.2專利涉及到了浴缸、淋浴盆、洗面盆、小便器、拖布池、馬桶、潔身器等產品的制造：復合軟體浴缸主要由浴缸外殼、軟性聚氨酯發泡材料、及浴缸內層聚氨酯彈性涂層組成。其中浴缸外殼由PMMA等塑制板材制作，作為浴缸的結構支撐。

宣城市銀河潔具有限責任公司的200710135572.0和200720042559.6兩個專利內容相似：公開了一種復合浴缸及其制作工藝，涉及浴缸的制造。200710135572.0專利說明該復合浴缸主要由軟材料殼體、外殼及兩者間的聚氨酯材料填充層、纖維粘接層組成，殼體粘接在聚氨酯材料層上，并通過聚氨酯材料層及纖維粘接層與外殼結合為一體。該復合浴缸制作工藝的主要特征是：浴缸內殼模具為制作軟材料殼體的模具，它可吸附軟材料殼體材料的上模具和下模具;在浴缸的成型流程中，先將聚氨酯液體注入到浴缸外殼內，再將吸附作為軟材料殼體的軟體板材的上模具放置在浴缸外殼內，讓聚氨酯液體發泡成為聚氨酯軟體材料層。200720042559.6專利在200710135572.0專利基礎上補充說明復合浴缸外殼由亞克力板材制作，軟材料殼體可以由PVC人造革或PU人造革或PU合成革制作。

從上分析可知：對于已有的聚氨酯材料制備的浴缸發明專利，主要集中在產品制作的工藝的改進、聚氨酯材料作為浴缸中間體和外觀涂層材料等方面。對高柔韌性聚氨酯材料在節能節水型潔具中的運用未有報道。

3 聚氨酯復合材料潔具產品的優越性

（1）工藝簡單，成本低，附加值高

傳統工藝需要打磨、涂底膠，等底膠干透后鋪氈，然后用樹脂手糊，一個浴缸需要重復3層纖維與樹脂手糊。以1700×1200的浴缸計算，一個工人一天頂多手糊8個，且操作不當很容易造成報廢，而采用聚氨酯原料與技術，無需人工，3 ～ 8 min生產出一個成品，且價格是傳統的4倍，而生產成本卻差不多。

（2）牢固度與外觀好

聚氨酯制成的浴缸經國際專家鑒定為浴缸中的保時捷，能確保浴缸至少25年不變質，牢固度與外觀美感都非常好。

（3）適應生產線與機器人自動化技術

采用聚氨酯噴涂技術，改變以往手動操作，為機械化與生產線提供了可行性，產業由勞動密集型、能源密集型向技術密集型轉變。

（4）環保性能好

傳統工藝有樹脂苯乙烯有毒氣體揮發，而聚氨酯技術不含苯乙烯與任何有毒氣體與粉塵，廢料可以在任何垃圾場自由處理或者作為再生能源使用。

4 需重點解決的技術關鍵問題

4.1 新型聚氨酯潔具材料的分子設計與合成

調控有機中間體單元結構，設計和合成液態反應型性能增強劑，將其通過化學作用引入到聚氨酯高分子的主鏈或側基，賦予潔具材料本質高效的節能、節水、阻燃功能，是項目真正得以實現的前提條件;基于降低成本的要求，需完善并嚴格控制反應過程中的工藝條件。

4.2 纖維增強基改性聚氨酯潔具材料技術

合理選擇合適的無機或有機纖維類型，增強基量比、粒度大小、以及增強基在有機乳液中的分散方式，是解決復配產品的穩定性、相容性、抗熔滴性的關鍵;此外參與復配增強基材料的化學成份、結構對改性的聚氨酯復合材料柔韌性也極為重要。

4.3 噴射發泡技術及其生產工藝的研發

潔具底座部分采用微孔硬質整體蒙皮成型;中間主體部分采用半硬質或軟質聚氨酯噴射和短纖維噴射結合成型，以及組合料快速固化是實現高質量的復合材料色彩穩定，抗老化性的重要環節;模具的澆鑄或焊接技術，以及模體在空氣中的敞開固化，連續噴射發泡，是實現聚氨酯軟體浴缸產業化生產的關鍵。

4.4 新型聚氨酯潔具復合材料物化性能機理的研究

利用多種現代儀器和方法，探討復合材料微觀物相及宏觀性能變化關系;探索節能、節水、阻燃、柔韌性等多種物化性能相互協同變化規律，以及可能發生的新穎物理和化學現象;揭示新型衛生潔具用復合材料高溫摻水時液相、凝聚相、中斷熱交換，以及微觀物相、量比等多方面單一或協同的作用機理，為合成理想的衛生潔具聚氨酯軟體材料提供堅實的理論指導，是項目真正得以順利進行的關鍵。

5 結 語

近年來，中國衛浴行業競爭激烈，外資品牌與本土品牌的競爭愈演愈烈，數量眾多的本土企業均想發展壯大，繼續轉變發展模式。推動技術創新，促使潔具產品真正融入“節能、環保、節水、清潔安全”的主題，是行業尋找市場的契合點。潔具材料的選擇是行業技術革新的首選，具有本質節能節水綠色環保的聚氨酯材料將是衛生潔具行業未來發展的趨勢。新興的聚氨酯材料雖被衛生潔具行業看好，但在我國采用聚氨酯主體材料制成的潔具產品并不多見，主要是聚氨酯的本質改性、纖維增強基改性聚氨酯、噴射發泡技術等生產技術和工藝還存在難點，需要廣大的技術人員進行攻關解決，相信在廣大科研工作者的努力下，我們必將實現“節能、環保、節水、清潔、安全”的行業發展目標。