聚氨酯树脂及其应用

知识介绍聚氨酯树脂及其应用

郑　彦1　王文忠2　冷　鹏

　(1　山东省立医院　济南　250021)

(2　山东大学新材料所　济南　250100)

摘要　聚氨酯树脂作为一种具有高强度、抗撕裂、耐磨等特性的高分子材料,在日常生活、工农业生产、医学等领域广泛应用。本文简述了聚氨酯树脂的历史,综述了其应用,介绍了几种新型聚氨酯树脂及废旧聚氨酯的回收方法。

关键词　聚氨酯　液晶　阻燃剂　聚硅氧烷

德国化学家拜尔于1937年发现了异氰酸酯与活泼氢的反应(-NCO +HO --N HCO -),开始了聚氨酯(PU )树脂的研究和应用[1]。二战期间,德国已经建立起了具有一定生产能力的聚氨酯实验厂。战后,美英等国从德国引进了制造方法。日本于1955年从德国的拜尔公司和美国的杜邦公司引进技术开始了聚氨酯的生产与开发。自此聚氨酯树脂的研究与应用在世界范围内发展起来,相继发明了聚氨酯混炼胶、浇注胶、泡沫塑料等品种,聚氨酯树脂的应用日渐广泛,生产规模不断扩大。我国自60年代开始独立研制和发展聚氨酯树脂,到目前为止,工业化生产已初具规模,但生产工艺和技术与发达国家相比还有较大差距。进入90年代以来,聚氨酯树脂对人们的生产、生活更加重要。技术的发展、生产工艺的改进使新型聚氨酯不断出现,未来的聚氨酯材料将向应用和环保方向发展。

聚氨酯树脂又被称做聚氨酯弹性体(PUR ),是一种性能介于塑料和橡胶之间的特种材料[2],具有高强度、耐磨耗、抗撕裂、挠曲性能好、耐油和良好的血液相容性等优点。因此在工业、农业、军事、航空、医学等领

域有广泛的应用,需求量很大。Bayer 公司称MDI 年增率6%～8%,TDI 和聚醚多元醇的增长率分别为6%和4.5%。在得克萨斯州用于Channelview 装置的IMPACT 专利技术使聚醚多元醇装置的产量几乎翻了一番,达22.5万吨。

1　主要反应方程式

(1)预聚反应

OCN -R -NCO +HO -R 1-OH +OCN -R -NCO OCN -R -C NH O

O -R 1-O C O NH -R -NCO (2)扩链反应OCN -R ’-NCO +HN -R 2-NH +OCN -R ’-NCO

OCN -R ’-C NH O

NH -R 2-NH C O NH -R ’-NCO R ’替代R -NH C O O -R 1-O

C O

NH -R 2　生活中的聚氨酯

2.1　衣食与聚氨酯

以织物或编织物为基布,涂上粘合剂、胶料,经表面装饰制成聚氨酯革。聚氨酯革具有良好的弹性、柔软性、透气性、耐老化等性能,是PVC 革的优良代用品。可以用做服装革,制作上衣、大衣、雨衣、裙子、手套等;也用做鞋面革制造人造革皮鞋。聚氨酯革经滚光、打磨后,做成人造麂皮,是很时髦的鞋面料和室内装饰材料。据报道,用聚氨酯与有机硅共混液,采用浸渍法,在橡胶表面形成滑爽的PU 涂层,可制得无粉橡胶手

套。[3]

聚氨酯弹性体具有耐磨、抗撕裂的特点可以制作鞋底,最早使用的是聚氨酯浇注胶(CPUR ),比如:德国

在二战期间曾用CPUR制造军靴。后来研制的微泡聚氨酯弹性体,具有质轻、弹性好的优点,用它制作的鞋底穿着舒适、轻便且造价低。此外聚氨酯粘合剂粘合力强,耐水性好,是很好的鞋用粘合剂。

聚氨酯弹性纤维又叫氨纶,是一种具有高弹性、柔软性好的合成纤维,是制作紧身衣的好材料。氨纶可以与棉纤维混纺,用混纺后的布料制作的内衣、袜子、舞蹈服装、游泳衣、滑雪服等仍保持弹性、手感好等优点。氨纶的又一优点是染色性好,制品经染色后颜色鲜艳、耐久,适于制作花色鲜艳的衣服、鞋、帽、手套等。经特殊处理的聚氨酯树脂可以用做食品包装纸。

2.2　住、行与聚氨酯

2.2.1　建筑、装饰方面

聚氨酯树脂具有良好的耐老化性、硬度低、弹性好、耐水、防菌等优点,适于做堵漏材料,如用做房屋防漏、嵌缝材料,还可以用于高层建筑或铁路路基的加固,水电工程的水库、坝基防渗及裂缝堵漏。此外,PU 灌封材料有优良的电绝缘性,对电气元件无腐蚀等优点,可以密封电气元件。在美国,合成密封胶以硅酮和聚氨酯为主。1997年,密封胶产量为88.08万吨,其中PU材料占28%,位居第一。在室内,聚氨酯树脂可用做耐磨性涂料或地板革。用添加抗微生物剂的聚氨酯材料制作的地毯,具有耐微生物、防腐等性能,特别适用于南方湿热地区,在宾馆、饭店广泛使用。聚氨酯革经染色后是很好的室内装饰材料,为增加这种材料的使用安全性,英国于1989年颁布法律,要求在聚氨酯革中添加阻燃剂。

2.2.2　交通运输方面

作为一种既有强度又有弹性的特殊材料,聚氨酯弹性体(PUR)在汽车制造业用途广泛。可用做减震缓冲器、刹车膜片,制作方向盘、仪表盘、气囊等。用PUR制作的汽车保险杠,具有质轻、挠曲性能好等特点,受到冲击后不易发生永久性变形,其综合性能优于钢制保险杠。山西化工研究所专门为北京切诺基越野车和二汽东风小卡研制出一种用于底盘材料的微孔PUR,切诺基越野车2年来的使用效果较好。PUR的重要用途之一是制作轮胎,由于PUR轮胎有内生热大、散热慢的缺点,不适于长期高速行驶。但其耐磨耗、抗撕裂的优良性能适于制造速度慢(≤45km/h)、工作路况差的农用卡车、矿用车、起重机的轮胎。用聚氨酯混炼胶可以制作自行车充气轮胎,而美国佐尤斯公司用浇注发泡法制作的不用充气的泡沫轮胎,具有花纹深的特点,适于越野。北京威迪有限公司也于近期开发成功质轻、强度高的PUR免充气轮胎。

对于飞机而言当然是质量越轻越好,以前飞机薄壁油箱是用浸渍了丁腈橡胶或聚硫橡胶胶浆的织物[2]。这种油箱壁厚且强度较小。用PUR制作飞机薄壁油箱不但质量轻而且工艺简单、使用寿命长。此外PUR还用做飞机起落架皮腕及飞机用涂料、机用座椅等。

2.2.3　体育方面

自1968年在墨西哥举行的第19届奥运会采用聚氨酯铺面材料做田径跑道以来[1],许多国家相继采用这种跑道,现已被国际公认为最佳比赛场地,这种跑道铺设简单、价格低廉、弹性好、耐磨、能防滑,可以提高运动员的竞技状态和成绩。用聚氨酯铺面材料铺设网球、乒乓球场地也有很好的效果,甚至有人主张用这种材料铺设足球场地。

3　医用聚氨酯

早期人体医用材料主要是金属、陶瓷、石膏,这些材料坚硬有余而韧性不足,不适于做人体软组织的修复,其应用受到限制。自高分子材料发展以来,在某些方面逐渐代替上述医学材料,并得到医学界的好评。医用聚氨酯树脂具有良好的血液相容性和挠曲性能,经几十年的动物和临床医学实验,生物性能可靠,医疗效果好。以聚硅氧烷(PSi)改性PU制得复合高分子材料[4],兼有二者的优点,引起人们的普遍关注。澳大利亚Elastomedic Poy公司[5]研制的高用量硅氧烷改性聚氨酯,具有生物稳定性、柔韧性、耐撕裂等性能,是很好的医用材料。

医用聚氨酯具有很好的化学稳定性、组织相容性、不致癌、耐生物老化性等性能,符合医学要求。其主要应用是:(1)心血管方面:人工心脏、辅助人工心脏、辅助循环、人工血管、心脏瓣膜、心导管等。(2)软组织修复:颌面修复材料、人工软骨、食道气管修复、缝合韧带等。(3)其他:黏合剂、人工乳房、人造皮肤、止血海绵、隐形眼镜、人工角膜等。