聚氨酯材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

馬萍萍

（大連第一互感器有限責(zé)任公司，遼寧大連 116200）

隨著我國(guó)社會(huì)的快速發(fā)展和生產(chǎn)力的增強(qiáng)，聚氨酯材料在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮了其性能優(yōu)勢(shì)，為產(chǎn)品制造注入了強(qiáng)勁的活力。尤其是隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，聚氨酯材料的性能也得到了明顯改善，其用途更加廣泛，為我國(guó)制造業(yè)的繁榮發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。產(chǎn)品形態(tài)和性能，會(huì)由于原料種類的變化而發(fā)生改變，大大提升了產(chǎn)品質(zhì)量。膠黏劑、彈性纖維、半硬質(zhì)、軟質(zhì)和硬質(zhì)泡沫塑料、密封膠等，是幾種常見的聚氨酯制品，在機(jī)電行業(yè)、交通運(yùn)輸行業(yè)、農(nóng)業(yè)、汽車制造業(yè)和土木建筑行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍。應(yīng)從聚氨酯材料的基本屬性特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其應(yīng)用方法與作用進(jìn)行研究，真正體現(xiàn)聚氨酯材料的價(jià)值。

1 聚氨酯的制備來源

聚氨酯主要是由多元醇和異氰酸酯反應(yīng)生成，羥基和異氰酸基反應(yīng)生成-NHCOO-單元，其反應(yīng)式為：

2 聚氨酯材料的應(yīng)用

2.1 聚氨酯軟泡

聚氨酯軟泡又被稱為軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，在柔軟度和彈性上的優(yōu)勢(shì)明顯，因此在床墊和坐墊制造中的應(yīng)用較多。相較于其他產(chǎn)品而言，聚氨酯軟泡的用量相對(duì)較大，其制成品在吸音、彈性回復(fù)、保溫和透氣性能上較好，尤其是其自身的開孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了其優(yōu)越的功能屬性[1]。聚氨酯軟泡由于在耐負(fù)荷性能上具有一定的差異性，因此在實(shí)際應(yīng)用中還包括了高回彈軟泡、普通軟泡、高承載軟泡和超柔軟泡等多種類型。模塑軟泡和塊狀軟泡也是聚氨酯軟泡的兩種不同類型，在生產(chǎn)工藝上具有差異化特點(diǎn)。在制作模塑軟泡時(shí)，需要采用專門的模具，運(yùn)用間隙法工藝直接制作；而在制作塊狀軟泡時(shí)則主要應(yīng)用連續(xù)法工藝，并對(duì)其進(jìn)行切割處理，滿足不同功能使用需求。吸音材料（室內(nèi)隔音材料）、墊材（沙發(fā)、座椅和床墊）和織物復(fù)合材料（文胸海綿、玩具、墊肩和化妝棉）等，是聚氨酯泡沫的幾種基本用途。

2.2 聚氨酯硬泡

聚氨酯硬泡又被稱為硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，相較于聚氨酯軟泡而言用量較少，同時(shí)具有閉孔結(jié)構(gòu)[2]。應(yīng)用聚氨酯硬泡時(shí)，可以為生產(chǎn)工作提供便捷，具有良好絕熱性能，在耐熱、隔音、耐溶劑和電絕緣等方面的優(yōu)勢(shì)十分顯著。聚氨酯硬泡應(yīng)用于冷庫(kù)、冰箱、冷藏車和冰柜等冷凍冷藏設(shè)備當(dāng)中時(shí)，能夠起到良好的絕熱效果，為產(chǎn)品保存與運(yùn)輸提供了便捷；聚氨酯硬泡也可以應(yīng)用于管道和儲(chǔ)罐等工業(yè)設(shè)備當(dāng)中，起到保溫作用，阻隔與外界的熱交換；在西方諸多國(guó)家當(dāng)中，聚氨酯硬泡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中，能夠降低建設(shè)成本的同時(shí)，促進(jìn)結(jié)構(gòu)性能的增強(qiáng)，因此在我國(guó)建筑行業(yè)的未來發(fā)展當(dāng)中，也應(yīng)該逐步探索聚氨酯硬泡的應(yīng)用；聚氨酯硬泡也能夠應(yīng)用于汽車內(nèi)飾件和頂篷的制作當(dāng)中，加快我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展；結(jié)構(gòu)泡沫塑料又包括玻璃纖維增強(qiáng)硬泡和高密度聚氨酯硬泡等，在韌性、強(qiáng)度、成型、生產(chǎn)效率等方面都具有良好優(yōu)勢(shì)，相較于天然木材而言，具有更低的密度和更高的強(qiáng)度，因此廣泛應(yīng)用于建筑、裝飾設(shè)計(jì)等領(lǐng)域；在堵漏材料、防水灌漿材料和屋頂防水材料等灌封材料當(dāng)中，聚氨酯硬泡的應(yīng)用也較多，可以增強(qiáng)材料的防水堵漏性能。在防腐性能和絕熱性能方面，聚氨酯硬泡的實(shí)際應(yīng)用效果也較好，由于微孔之間的連接被阻斷，因此具有較小的吸水性和密度，在化學(xué)穩(wěn)定性上相較于其他材料而言也更具優(yōu)勢(shì)[3]。在窗架、支架和門窗等建筑結(jié)構(gòu)制作中可以應(yīng)用高密度聚氨酯硬泡，而在集水槽、通風(fēng)口和排水溝等結(jié)構(gòu)中可以應(yīng)用普通密度的聚氨酯硬泡。在實(shí)際使用中應(yīng)該做好相應(yīng)的防火處理，避免由于燃燒而產(chǎn)生有毒氣體對(duì)人體生命健康造成威脅。

2.3 聚氨酯半硬泡

聚氨酯半硬泡包括吸能性泡沫體、自結(jié)皮泡沫體和微孔彈性體等。其中，吸能性泡沫體的緩沖性能與減震性能較好，而且具有良好的變形復(fù)原和抗壓縮負(fù)荷性能，在汽車保險(xiǎn)杠的生產(chǎn)制造中應(yīng)用較多。在汽車內(nèi)部飾件和內(nèi)功能件的制造中通常采用自結(jié)皮泡沫體，比如汽車的汽車扶手、方向盤和頭枕等，RIM 加工技術(shù)是生產(chǎn)制作中的常用技術(shù)[4]。在制鞋工業(yè)通常采用微孔彈性體，能夠提升鞋子的舒適度。

2.4 聚氨酯彈性體

由于聚氨酯材料中存在異氰酸酯基團(tuán)，因此增強(qiáng)了材料的耐磨性，這就是聚氨酯彈性體的基本特點(diǎn)，因此又被稱為“耐磨橡膠”。相較于傳統(tǒng)金屬材料而言，它在耐損耗性能、降噪性能、重量和耐腐蝕性能、生產(chǎn)加工成本等方面都具有顯著優(yōu)勢(shì)，而與傳統(tǒng)塑料相比則在耐磨性和彈性記憶等方面的特點(diǎn)十分突出，同時(shí)較橡膠具有更強(qiáng)的承載性與耐撕裂性，為澆注和灌封等工藝提供便捷。在我國(guó)的醫(yī)療行業(yè)、工業(yè)、國(guó)防和農(nóng)業(yè)中，聚氨酯彈性體的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍。聚氨酯彈性體還包括混煉型聚氨酯彈性體和熱塑型聚氨酯彈性體等，兩者分別占總量的10%和25%左右。應(yīng)用于鞋底、壓型膠輥、齒輪、實(shí)心輪胎、襯套軸承等制品時(shí)，應(yīng)該根據(jù)不同制品的性能特點(diǎn)與生產(chǎn)要求，確定聚氨酯彈性體的硬度。此外，聚氨酯彈性體在建筑工業(yè)、礦山與冶金行業(yè)、輕工業(yè)、汽車工業(yè)和機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用也較多，用于生產(chǎn)鋪裝材、防水材、聚氨酯合成革、密封圈、密封件和篩板等[5]。

2.5 聚氨酯漿料

由于其生產(chǎn)工藝的不同，聚氨酯漿料包括干法聚氨酯漿料和濕法聚氨酯漿料，溶劑和固體含量分別在65%～70%和30%～35%。由于在干法和濕法中分別需要大量的甲苯、丁酮和純DMF 等，因此原料價(jià)格是影響聚氨酯漿料成本的直接因素。在人造革和聚氨酯合成革的生產(chǎn)制造中，聚氨酯漿料的應(yīng)用較為廣泛。聚氨酯合成革在手感、色澤、抗老化性能、耐磨損性能、抗霉菌性能等方面較好，同時(shí)其成本相對(duì)較低，能夠滿足加工和洗滌要求[6]。在體育行業(yè)、服裝行業(yè)、箱包行業(yè)和制鞋行業(yè)等，聚氨酯漿料可以替代天然皮革。在干法聚氨酯漿料的制作當(dāng)中，由于需要對(duì)丁酮和甲苯進(jìn)行蒸發(fā)處理，因此會(huì)造成自然環(huán)境的破壞，同時(shí)資源浪費(fèi)問題嚴(yán)重，不符合當(dāng)前綠色化生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展理念要求。濕法聚氨酯漿料則不存在上述問題，具有良好環(huán)保性能，在外觀、柔軟度和透氣性等方面也較好，因此在生產(chǎn)制造業(yè)中的應(yīng)用越來越多。

2.6 聚氨酯涂料

聚氨酯涂料具有良好的裝飾性，能夠增強(qiáng)涂膜的美觀性、耐腐蝕性、柔韌性、耐磨性、耐沖擊性等，在當(dāng)前建筑行業(yè)、車船行業(yè)、室內(nèi)裝潢行業(yè)和航空等領(lǐng)域中的應(yīng)用較多，此外還應(yīng)該于多種設(shè)備的防腐處理中，比如管道設(shè)備、石化設(shè)備和重型機(jī)械等。水性聚氨酯涂料在實(shí)踐中的應(yīng)用，主要包括了建筑涂料、木器漆和木地板漆、皮革涂層和紙張涂層等。它不僅能夠?yàn)槭┕ぬ峁┍憷麠l件，而且有利于防止出現(xiàn)環(huán)境污染問題，具有環(huán)保性特點(diǎn)。

2.7 聚氨酯膠黏劑

氨基甲酸酯基團(tuán)和異氰酸根，是聚氨酯膠黏劑中的主要成分，其化學(xué)活潑性和極性特征明顯，因此可以與很多基材產(chǎn)生良好的黏接，比如織物、橡膠、泡沫、玻璃、皮革、金屬和陶瓷等。在結(jié)構(gòu)性黏合中，聚氨酯膠黏劑的應(yīng)用效果也較好，能夠給增強(qiáng)制品的抗沖擊性和抗剪強(qiáng)度。由于軟硬過渡層的形成，因此可以有效提升黏接力，起到良好減震和緩沖效果。與其他膠黏劑相比而言，聚氨酯膠黏劑也具有超低溫性能，同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染與破壞，在未來發(fā)展中以水性聚氨酯膠黏劑為主。

2.8 聚氨酯密封膠

對(duì)接頭、孔洞和接縫進(jìn)行填充時(shí)可以采用聚氨酯密封膠，在當(dāng)前交通運(yùn)輸行業(yè)和建筑行業(yè)中的應(yīng)用較多，比如門窗的填充密封、車窗的密封和橋梁、公路的嵌縫密封等。相較于其他密封膠而言，聚氨酯密封膠具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在不同條件下都能發(fā)揮其獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)。在黏結(jié)性、機(jī)械強(qiáng)度、彈性、耐磨性、耐候性、耐油性等方面也較好，同時(shí)可以降低成本投入。

3 聚氨酯材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

聚氨酯的生成原理最先由德國(guó)教授Otto Bayer 發(fā)現(xiàn)，對(duì)于硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的研究則興起于20世紀(jì)40年代的美國(guó)，在飛機(jī)夾芯板部件的生產(chǎn)制造中應(yīng)用較多，進(jìn)入到50年代后逐漸生產(chǎn)了聚酯型軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，生產(chǎn)設(shè)備也逐漸成熟，為大規(guī)模的生產(chǎn)制造提供了保障。進(jìn)入到20世紀(jì)60年代后，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料則可以通過多異氰酸酯PAPI 制造，有利于其產(chǎn)品性能的提升，同時(shí)達(dá)到了降低毒性的效果，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)增。70年代后，聚氨酯軟泡生產(chǎn)工藝水平逐漸提升，模塑聚氨酯泡沫塑料也被應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中。在液態(tài)二氧化碳發(fā)泡制軟泡聚氨酯產(chǎn)品中，需要采用專門的表面活性劑產(chǎn)品，環(huán)戊烷類發(fā)泡劑在西方發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)中的應(yīng)用較多。

4 結(jié)語

聚氨酯材料在性能上具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，因此其應(yīng)用領(lǐng)域也相對(duì)較為廣泛，有效提升了生產(chǎn)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)產(chǎn)品性能的增強(qiáng)。聚氨酯軟泡、聚氨酯硬泡、聚氨酯半硬泡、聚氨酯彈性體、聚氨酯漿料、聚氨酯涂料、聚氨酯膠黏劑和聚氨酯密封膠等是聚氨酯材料的幾種常見類型，其性能特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域也有所差異性。應(yīng)該逐漸加強(qiáng)性能優(yōu)化，增強(qiáng)功能豐富性的同時(shí)，保障其環(huán)保性特點(diǎn)。