聚氨酯弹性体的研究现状及发展

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我国自 ２０ 世纪 ５０ 年代末就开始了聚氨酯弹性体 的研究工作， ６０ 年代以聚酯多元醇为基础的混炼型聚 氨酯弹性体中试成功， 初步研制了基于聚醚多元醇及 聚酯多元醇的浇注型聚氨酯弹性体， ７０ 年代混炼型聚 氨酯弹性体投入生产， 浇注型聚氨酯则处于中试规模， 先后研制成功聚酯型和聚醚型热塑性聚氨酯弹性体， 聚酯型聚氨酯弹性体开始小规模生产。那时的产品主 要用于国防工业及尖端科研领域， 如作为导弹和人造 卫星的配套材料等。从 ２０ 世纪 ８０ 年代起， 中国的聚氨 酯工业进入蓬勃发展时期， 聚氨酯制品品种、生产能力
及产量成倍增加， 生产技术水平显著提高， 应用部门日 趋扩大， 从国防， 航天部门到冶金、石油、汽车、选矿、水 利、纺织、印刷、医疗、体育、粮食加工、建筑等众多工业 部门。科技队伍不断扩大， 生产设备和测试仪器也日趋 完善。从上世纪 ９０ 年代至本世纪初， 聚氨酯弹性体的 适用范围进一步扩大， 产品品种及产量稳步增长， 原材 料、新技术、先进设备正在协调配套生产， 已成为 ２１ 世 纪初的一个朝阳产业。随着聚氨酯工业整体水平的提 高， 聚氨酯弹性体的生产技术也日趋成熟， 新品种、新 产品、新工艺不断涌现出来， 其应用范围进一步扩大。 ３ 今后我国的研发方向和重点
第 ６ 期（总第 ９９ 期） Ｎｏ．６ （ＳＵＭ Ｎｏ．９９ ）
机械管理开发 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ
２００７ 年 １２ 月 Ｄｅｘ． ２００７
聚氨酯弹性体的研究现状及发展
李伟
（中北大学 山西 太原 ０３００５１）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
【摘 要】 主要介绍了聚氨酯弹性体新型材料的国内外研究现状， 以及今后聚氨酯弹性体的发展前景和展望。 【关键词】 聚氨酯； 弹性体； 研究
Ｌｉ Ｗｅｉ
（Ｎｏｒｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００５１，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） 〔Ａｂｓｔｒ ａｃｔ〕 Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｔｕａｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ ｅｌａｓｔｏｍｅｒ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｙｓ ｔｏ ｃｏｍｅ． 〔Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ〕 Ｐｏｌｙｕｒｅｔｈａｎｅ； Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ； Ｒｅｓｅａｒｃｈ
聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类， 其 原材料品种繁多， 配方多种多样， 可调范围很大。聚氨 酯弹性体硬度范围很宽， 低至邵尔 Ａ１０ 以下的低模量 橡胶， 高至邵尔 Ｄ８５ 的高抗冲击弹性 材 料 ， 弹 性 模 量 可高达几百兆帕， 大大超出了其它橡胶弹性模量 （ 约 ０．２ ＭＰａ～１０ ＭＰａ） 的范围。所以聚氨酯弹性体的性能范 围很宽， 是介于从橡胶到塑料的一类高分子材料。 １ 国外聚氨酯弹性体的研究发展概况
参考文献 ［１］ 山西省化工研究所编．聚氨酯弹性体手册 ［Ｍ］ ．北京：化学工
业出版社， 材料科学与工程出版中心， ２００１：２～７． ［２］ 山西太原化工研究所编．聚氨酯弹性体 ［Ｍ］ ．北京：化学工业
出版社， １９８３：１０～２３． ［３］ 李绍雄， 刘益军 ． 聚氨酯树脂及其应用 ［Ｍ］ ． 北京：化学工业
日本聚氨酯工业主要是通过技术引进和与外国公 司合资开发展起来的。２０ 世纪 ６０ 年代初开始生产聚
作者简介： 李 伟， 男， １９８１ 年生， 中北大学在读硕士研究生。
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第 ６ 期（总第 ９９ 期）
机械管理开发
２００７ 年 １２ 月
氨酯并逐渐形成了自己的特色。其一， 聚氨酯弹性体在 聚氨酯中的比重比欧美各国高得多； 其二， 在弹性体中 低模量聚氨酯（如涂膜防水材、铺地材、微孔弹性体等）占 的比重很大。１９９０ 年日本聚氨酯消费量达到 ６２．５ 万 ｔ。 之后， 年消费量不仅没有增长， 反而下降。１９９６ 年降至 ４０， ６２ 万 ｔ， 但原料过剩， 出口增加。
出版社， ２００２：１２～１５． ［４］ 李俊贤 ． 塑料工业手册－ 聚氨酯 ［Ｍ］ ． 北京：化学工业出版
社， １９９９：４３３～４３４． （ 收稿日期： ２００７－ ０３－ １２） （ 修回日期： ２００７－ ０９－ ０１）
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ Ａｃｔｕａｌｉｔｉｅｓ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｌｙｕｒ ｅｔｈａｎｅ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ
尽管我国在聚氨酯弹性体方面取得了巨大的进 步， 但我国的情况与世界相比还有很大的差距， 不论在 产量上还是在技术水平上， 与国外都存在较大的差距。 许多国外早就有的， 国内到目前还没有， 国外正在研究 开发的， 国内还没有着手开发。同时， 国内经济的发展， 又给聚氨酯弹性体提供了更多的应用市场， 国内的潜 在市场相当大， 关键就在于投资开发。根据我国经济的 现状， 国家不投资， 行业又没有形成有实力的经济实体 集团， 开发力量比较薄弱， 只能从市场的实际需要入 手， 开展多层次的应用开发， 并且， 绝大多数可参照国 外新技术进行应用开发。无溶剂喷涂型聚氨酯弹性体、 高性能的特种多异氰酸酯型聚氨酯弹性体、强化功能 的改性聚氨酯弹性体、聚氨酯轮胎、环化三聚多异氰酸 酯类聚氨酯弹性体等几个方面是我国重点研究和开展 的方向。
酯泡沫塑料的机器， １９５０ 年后开始生产混炼型聚氨酯 （ＭＰＣ）和浇注型聚氨酯（ＣＰＵ）， 商品牌号为 Ｖｕｌｋｏｌｌａｎ。可 以说德国为世界聚氨酯的发展奠定了化学和工业的基 础 。 ［１］ ［２］
美国在 ２０ 世纪 ４０ 年代初期就开始异氰酸酯和聚 氨酯合成研究， 并取得了进展， 但应用开发没有引起重 视。直到第二次世界大战结束时， 美国对德国的技术和 情报进行考察后， 这一新领域才引起美国科学家和企 业家的极大兴趣， 从此加快了开发步伐， 并不断取得丰 硕成果。１９５２ 年固特异（Ｇｏｏｄｙｅａｒ）、纳赫（Ｌａｃｋｈｅａｄ）和杜 邦（Ｄｕ Ｐｏｎｔ）三家公司合作实现了 ＴＤＩ 的商品化， 为聚 氨酯的开发创造了条件。１９５３ 年实现了软质聚氨酯制 泡沫塑料（简称聚氨质软泡）生产， 次年便开始用一步法 生产软泡， 以取代床垫和座垫中的乳胶泡沫。随后， Ｇｏｏｄｙｅａｒ 公司研制成功一种异氰酸酯硫化的聚氨酯混 炼胶 Ｃｈｅｍｉｑｕｎ－ ｓＬ。１９５４ 年和 １９５９ 年 Ｄｕ Ｐｏｎｔ 公司相 继推出了四氢吠喃聚醚型混炼胶 Ａｄｉｐｒｅｎｅ－ Ｂ 和 浇 注 胶 Ａｄｉｐｒｅｎｅ－ Ｌ， 并逐渐用 ＣＰＵ 替代硬质橡胶。在此期 间， 通用（Ｇｅｎｅｒａｌ）轮胎与橡胶公司开发出另一种混炼胶 Ｇｅｎｔｈａｎｅ－ ｓ。１９５９ 年四氢呋喃聚醚和 ＭＤＩ 进入市场。 随 后 ， ＭＤＩ 混 炼 胶 、 浇 注 胶 和 热 塑 胶 实 现 了 商 品 化 ， １９６０ 年古德里奇（Ｇｏｏｄｒｉｃｈ）首先实现了热塑性聚氨酯 （ＴＰＵ） 的 工 业 生 产 ， 其 商 品 牌 号 为 Ｅｔｈａｎｅ。１９６１ 年 Ｍｏｂａｙ 公司实现了半热塑性聚氨酯的商品化， 其牌号 为 Ｔｅｘｉｎ。上世纪 ６０ 年代初该公司还首先开发出 ＭＤＩ 型预聚体及其浇注胶， 其商品牌号为 Ｍｕｌｔｒａｔｈａｎｅ－ Ｆ。随 着 ＭＤＩ 和 ＣＦＣ 的问世， 用模塑发泡生产整皮泡沫制品 的技术开发成功， 加快了聚氨酯微孔弹性体的开发和 应用。总之， 到了 ２０ 世纪 ６０ 年代， 美国从原料生产到 聚氨酯及其制品的开发与加工逐渐形成了一个完整的 工业体系， 并在世界聚氨酯工业中取得了领先地位。
世界聚氨酯弹性体工业在经过了几个不同时期的 发展后， 到 ２０ 世纪末， 己进入“稳定发展”和“高新技术 开发”的时期， 它的技术水平、工艺技术、设备、自动控 制、以及产品的性能， 都已达到了一个相当的水平。也 就是国外有关人士所说的聚氨酯弹性体的发展， 已达 到了它的“顶峰”时期， 出现了一段相对较长稳定的时 期。尽管如此， 但也可能随着某些“高新技术”开发成果 的应用， 会打破这种格局， 可能出现“跃进”式的发展。 正如国外有关人士认为， 随着聚氨酯轮胎的 “正式登 场”应用， 将使得聚氨酯弹性体的“现有产量”提高几倍 以上， 这就是世界聚氨酯弹性体的一种趋势［３］。据最新 报道， 艾美莱泰公司研制出一种胶料， 实验数据显示， 用这种胶料生产的聚氨酯轮胎的安全性能和使用性能 达到和超过了橡胶轮胎。通过进一步的研究， 胎面的耐 磨性、轮胎的磨损均匀性以及轮胎滚动阻力指标还可 以进一步改善， 固特异公司和艾美莱泰公司准备联合 开发聚氨酯轮胎， 据固特异公司宣称真正实现聚氨酯 轮 胎 的 商 业 化 生 产 还 需 几 年 的 时 间 ［４］。 但 通 过 几 年 的 开发研究， 聚氨酯轮胎的前景无异是美好的。 ２ 国内聚氨酯弹性体的研究现状
早在 １８４９ 年德国化学家伍尔兹就制得了脂肪族 异氰酸酯。１８５０ 年德国化学家霍夫曼合成了苯基异氰 酸酯。但是， 直到 １９３７ 年后德国法本公司（１．Ｇ．Ｆａｒｂｅｎ， Ｂａｙｅｒ 公 司 的 前 身）的 奥 托·拜 尔（Ｏｔｔｏ Ｂａｙｅｒ）博 士 才 首 先将异氰酸酯用于聚氨酯合成。他用六甲基二异氰酸 酯（ＨＤＩ）和 １， ４－ 丁二醇反应制得了被命名为 Ｉａｍｉｄ－ Ｕ 的聚氨酯纤维。并用甲苯二异氰酸酯和各种多元醇反 应得到了聚氨酯弹性体。１９４２ 年德国化学家皮廷首先 报道了被称为＂ｉ－ Ｒｕｂｂｅｒ＂的异氰酸酯橡胶。该种橡胶 是由聚己二酸多元醇酯和二异氰酸酯合成的， 具有氨 基甲酸酯交联结构， 据称， 同年英国 ＩＣＩ 公司采用聚酯 和 ＭＤＩ 制得了被命名为瓦尔卡普轮－ Ａ （Ｖｕｌ－ ｃａｐｒｅｎｅ－ Ａ）的混炼型聚氨酯橡胶。聚氨酯的工业化也是从德国 首先开始的。１９４１ 年￣１９４２ 年 Ｂａｙｅｒ 公司开始正式生 产， 并建立了能力为月产 １０ ｔ 的装置， 生产硬泡、涂料 和粘合剂等聚氨酯产品。１９４７ 年开发了首台生产聚氨
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【中图分类号】 ＴＱ４３３．４ ３２ 【文献标识码】 Ａ 【文章编号】 １００３－ ７７３Ｘ（ ２００７） ０６－ ０００３－ ０２
０引言 所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温， 扯断伸长
率 ＞ ５％， 外力撤除后复原性比较好的高分子材料。在 弹性体中， 其扯断伸长率较大（ 如 ＞２００％） 、１００％ 定伸 应力较小〔如 ＜ ３０ ＭＰａ） 、弹性较好的可称为橡胶。所 以弹性体是比橡胶更为广泛的一类高分子材料， 当然 这种区别是相对的。实际上在各国标准中， 弹性体和橡 胶量的定义并无明确区别， 在一定程度上是可以互相 通用的。