聚氨酯基本概念

一、什么是聚氨酯
聚氨酯是指在高分子主链上含有重复单元结构--氨基甲酸酯基团-NHCOO-的高分子化合物统称。

一般聚氨酯由多氰酸酯与多元醇反应合成，目前工业上聚氨酯的合成主要手段。

在学术领域，对非异氰酸酯型聚氨酯也展开了研究，但离工业化还有一段距离，主要还处于实验室研发阶段。

在聚氨酯分子中，除氨基甲酸酯基团外，还有脲、缩二脲等基团，以及原料多元醇中所含有的酯键和醚键，水性聚氨酯中还包括离子型的羧基等。

所以，多异氰酸酯与多元元醇合成的聚氨酯分子中，氨基甲酸酯基团在整个分子链段中只占少数。

因此，从广义上讲，聚氨酯是异氰酸酯的加聚物。

现在人们把其他一些由异氰酸酯合成的聚合物也归类在聚氨酯里，如在高分子主链上含有重复单元-NHCONH-的聚脲，也作为聚氨酯来论述。

二、聚氨酯的基本结构特征
聚氨酯由多异氰酸酯（通常为二异氰酸酯）与二元醇（小分子二元醇、聚酯或聚醚、多元胺等）通过逐步聚合反应合成，所以在其分子链上，主要由具有柔性的聚酯或聚醚和异氰酸酯与小分子二元醇生成的硬段链组成。

由于聚酯或聚醚的分子链段一般比较长，且具有良好的柔性，一般将其称为软段；而异氰酸酯与小分子二元醇生成的分子链段，且由于分子间氢键的作用而具有较强的结晶性能，所以一般称之为硬段。

综上所说，聚氨酯是由软段与硬段所组成的嵌段聚合物。

在聚氨酯弹性体聚集态结构中，分子中的刚性链段，由于其内聚能很大，彼此缔合在一起，形成许多被称为微区的小单元，这些小单元的玻璃化温度远高于室温，在常温下它们呈玻璃态、次晶或微晶，因此把它们称之为塑料相。

聚氨酯弹性体分子链中的柔性链段也聚集在一起，构成聚氨酯橡胶的基质或基体，由于其玻璃化温度低于室温，故称之为橡胶相。

软段与硬段在聚氨酯中按各自的性质聚集，形成软段微区与硬段微区。

软段微区与硬段微区由于性质不同而形成相分离结构，软段相为聚氨酯材料提供柔顺性，硬段相则起着物理交联点的作用。

软段与硬段的相分离结构，使聚氨酯材料具有优良的弹性。

2、聚氨酯的内聚能
聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的内聚能大小有关。

聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。

这些基团具有比较高的内聚能，因此聚氨酯材料具有比较高的强度。

各基团对分子内引力的影响可用组分中各不同基团的内聚能表示，有关基团的内聚能（摩尔内能）见下表：
3、氢键
在聚氨酯的硬段中，氨基甲酸酯或脲基的极性强，存在含电负性较强的氮原子、氧原子，和含-H原子的基团之间，容易形成氢键。

聚氨酯中的多种基团的亚胺基大部分能形成氢键，而其中大部分是与硬段中的羰基形成的，小部分与软段中的醚氧基或酯羰基之间形成。

与分子内化学键的键合力相比，氢键是一种物理吸引力，它比原子之间的键合力小得多，但大量氢键的存在，在极性聚合物中是影响性能的重要因素之一。

氢键具有可逆性，在较低温度时，
极性链段的紧密排列促使氢键形成；在较高温度时，链段接受能量而活动，氢键消失。

氢键起物理交联作用，它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。

氢键越多，分子间作用力越强，材料的强度越高。

4、结晶性
结构规整、含极性及刚性基团多的线性聚氨酯，分子间氢键多，材料的结晶程度高，这影响聚氨酯的某些性能，如强度、耐溶剂性，聚氨酯材料的强度、硬度和软化点随结晶程度的增加而增加，伸长率和溶解性则降低。

对于某些应用，如单组分热塑性聚氨酯胶粘剂，要求结晶快，以获得初粘力。

某些热塑性聚氨酯弹性体因结晶性高而脱模快。

结晶聚合物经常由于折射光的各向异性而不透明。

若在结晶性线性聚氨酯中引入少量支链或侧基，则材料结晶性下降，交联密度增加到一定程度，软段失去结晶性，整个聚氨酯弹性体可由较坚硬的结晶态变为弹性较好的无定型态。

在材料被拉伸时，拉伸应力使得软段分子基团的规整性提高，结晶性增加，会提高材料的强度。

硬段的极性越强，越有利于材料的结晶。

在聚氨酯弹性体的聚集态结构中，塑料相不溶于橡胶相，而是均匀分布在橡胶相中，常温下起着弹性交联点的作用，此现象就称为微相分离。

这种依靠塑料微相而交联的聚氨酯橡胶，可以用塑料加工的方法进行加工，故称为热塑性弹性体，它具有图! " % 所示的聚集态的结构。

三、聚氨酯的基本用途
由于通常聚氨酯系由二元或多元有机异氰酸酯与多元醇化合物（如聚醚多元醇或聚酯多元醇）或多元胺（合成的是聚脲）相互反应而得，因此根据所用原料官能团数目的不同，可以制成线形结构或体型结构的高分子聚合物。

当有机异氰酸酯和多元醇化合物均为二官能团时，即可得到线形结构的聚合物；若其中的一种或两种，部分或全部具有三个及三个以上官能团时，则得到体型结构的聚合物。

不同结构的聚氨酯材料，其性能也不一样。

利用这种性质，聚氨酯可以制成塑料、橡胶、纤维、涂料、胶黏剂以及水乳液等。

聚氨酯合成时，又可以通过改变原料化学结构、规格、品种等调节配方组合，制出各种性能和用途的终端制品，如导电、导磁、耐高温、耐低温、耐磨、难燃、高回弹、慢回弹、高密度、低密度、网状泡沫、亲水泡沫等制品，满足国民经济中各个工业领域提出的各种技术要求。

因此应用范围十分广泛，几乎渗透到国民经济各部门，特别在家具、制革、制鞋、车辆座椅、耐磨制件、冷藏、建筑、绝热等方面使用得十分普遍，已经成为不可缺少的材料之一。

20世纪中叶以来，聚氨酯在各个方面的应用都发展很快，品种与用途迅速增加。

近年来，又在农业、医药卫生、三废治理、节能、宇宙飞行、国防军事尖端等领域开辟了新的用途，成为高聚物中中应用范围最广的品种之一。

聚氨酯所用的主要原料为有机异氰酸酯、多元醇化合物、多元胺化合物和助剂。

有机异氰酸酯中最主要的是甲苯二异氰酸酯（简称TDI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（简称MDI）、多亚甲基多苯基多异氰酸酯（简称PAPI）等，以及少量作特殊用途的其它脂肪族
和芳香族的有机异氰酸酯。

多元醇包括聚酯和聚醚两大类。

聚酯是二元酸和二元或多元醇的缩聚产物。

通常采用的二元酸有己二酸、苯酐、顺丁烯二酸、卤代苯二甲酸酐等有机酸。

多元醇一般为乙二醇、丙二醇、一缩乙二醇、1，4-丁二醇、1，6-己二醇、三羟甲基丙烷、丙三醇、季戊四醇等。

聚醚一般都是以多元醇、多元胺或其它含有活泼氢的有机化合物为起始剂与氧化烯烃开环聚合而成。

常用的起始剂有乙二醇、乙二胺、丙三醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇、木糖醇、甘露醇、蔗糖、山梨醇、葡萄糖、木质素等。

氧化烯烃有环氧乙烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷等。

多元胺有端氨基聚醚、3,3/-二氯-4,4/-二苯基甲烷二胺（MOCA）、4,4/-二苯基甲烷二胺（MDA）等。

助剂主要包括：催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、交联剂、阻燃剂、防老剂、填料、颜料等。