聚氨酯材料详细介绍

CAD
1

聚氨酯（Polyurethane，简称PU）是一种由脲酯键（-NH-(C=O)-O-）连接的有机单元组成的聚合物家族，因其多样的化学结构和广泛的应用而被誉为“第五大塑料”。自1937年由奥托·拜耳（Otto Bayer）首次合成以来，聚氨酯已成为建筑、汽车、医疗、电子等领域的关键材料。本文将详细介绍聚氨酯的分类、成分、分子结构、性能、应用以及相关改性材料的研究进展。

1. 聚氨酯的分类

聚氨酯根据其结构和用途可分为以下几类：

类型 描述
柔性泡沫 用于床垫、家具、汽车座椅等，提供缓冲和舒适性，占2016年聚氨酯产量的67%。
刚性泡沫 用于建筑和冰箱隔热，具有优异的隔热性能，占建筑保温材料的49%（欧美）。
聚氨酯弹性体（PUE） 耐磨、耐油、耐疲劳，用于工业零件、航空航天和医疗设备。
涂料和粘合剂 包括溶剂型、水性型和反应型，用于汽车、建筑和木工。
纤维 如Spandex（弹力纤维）和聚氨酯层压织物（PUL），用于服装和运动装备。
功能性聚氨酯 具有导电、自愈、抗菌、形状记忆等特性，用于高端制造和生物医学。
生物基聚氨酯 使用可再生资源（如大豆油、蓖麻油、木质素）制备，注重可持续性。

这些分类反映了聚氨酯的多样性，其性能可通过调整原料和配方进行定制。

2. 聚氨酯的成分

聚氨酯的合成涉及多种化学成分：

  • 异氰酸酯（Isocyanates）：二异氰酸酯或三异氰酸酯是聚氨酯的核心成分。常见类型包括：
    • 芳香族：甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）。
    • 脂肪族：1,6-己二异氰酸酯（HDI）、异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）。
  • 多元醇（Polyols）：含两个或多个羟基的聚合物，分为：
    • 聚醚多元醇：如聚四亚甲基醚二醇，成本较低，耐水性好。
    • 聚酯多元醇：由羧酸和多羟基化合物制备，耐溶剂、耐磨。
    • 特殊多元醇：如碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、天然油脂多元醇（大豆油、蓖麻油、木质素、淀粉等）。
  • 链延长剂和交联剂：低分子量羟基或胺化合物，如乙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇。
  • 催化剂：加速反应的物质，如三级胺（DABCO）、金属皂（二丁基锡月桂酸盐）。
  • 表面活性剂：如聚二甲基硅氧烷-聚氧烷基共聚物，用于控制泡沫细胞结构。
  • 发泡剂：用于生产泡沫，如水（生成CO₂）、五氟丙烷（HFC-245fa）等。

生物基聚氨酯使用可再生资源制备多元醇，减少对石油的依赖。例如，研究表明，使用大豆油或蓖麻油制备的多元醇可保持与传统聚氨酯相似的性能，同时降低环境影响。

3. 聚氨酯的分子结构

聚氨酯的分子结构由脲酯基（-NH-(C=O)-O-）连接的有机单元组成，通常为高度交联的热固性聚合物（热塑性聚氨酯除外）。其结构特点包括：

  • 软段：由多元醇衍生，提供柔韧性和弹性。
  • 硬段：由异氰酸酯和链延长剂衍生，提供强度和刚性。
  • 微相分离：软段和硬段之间的相分离赋予聚氨酯独特的弹性体性能。这种微相分离结构使聚氨酯能够平衡柔韧性和强度，适用于多种应用。

热塑性聚氨酯（TPU）具有较低的交联度，可熔化重塑，而传统聚氨酯为热固性，不会在加热时软化或熔化。

4. 聚氨酯的性能

聚氨酯的性能因原料和配方的不同而变化，主要包括：

性能 描述
柔韧性和弹性 长而柔韧的多元醇链提供高弹性，适合柔性泡沫和弹性体。
刚性和强度 高交联度和硬段提供高强度，适合刚性泡沫和涂料。
耐久性 耐磨、耐化学腐蚀、耐老化，适合工业和户外应用。
隔热和隔音 刚性泡沫具有低导热系数，广泛用于建筑和家电隔热。
粘附性 优异的粘合性能，适用于涂料和粘合剂。
生物相容性 医疗级聚氨酯用于导管、起搏器电极等，具有良好的生物相容性。

特殊改性可进一步增强性能。例如，含氟聚氨酯（FEVE）具有优异的耐紫外线和化学腐蚀性能，含磷聚氨酯具有阻燃性，适用于建筑和电子领域。

5. 聚氨酯的应用

聚氨酯在多个行业中应用广泛，2021年全球市场价值约为781亿美元，预计到2030年将达到1124.5亿美元，年复合增长率为4.13%。以下是主要应用领域：

  • 泡沫：
    • 柔性泡沫：用于床垫、家具、汽车座椅、地毯衬垫，提供缓冲和舒适性。
    • 刚性泡沫：用于建筑保温、冰箱隔热，占建筑保温材料的49%（欧美）。
  • 弹性体：用于工业零件、航空航天部件、医疗器械（如血管支架）。
  • 涂料和粘合剂：用于汽车、建筑、木工，提供保护和粘接。
  • 纤维：如Spandex用于服装，PUL用于防水运动装备。
  • 功能性材料：用于电子（导电材料）、生物医学（伤口敷料）和智能设备（形状记忆材料）。

具体应用包括：

  • 建筑：保温材料、屋顶、地板。
  • 汽车：座椅、内饰、衬垫、垫圈。
  • 家具：缓冲材料、床垫。
  • 医疗：导管、心脏起搏器电极、伤口敷料。
  • 纺织：弹力纤维、涂层织物。
  • 电子：电缆、连接器。
  • 运动和休闲：轮子、手柄、防护装备。

6. 相关改性材料

聚氨酯的改性材料扩展了其应用范围，主要包括：

  • 生物基聚氨酯：使用可再生资源（如大豆油、蓖麻油、木质素、淀粉）制备多元醇，减少对石油的依赖。例如，研究表明，使用7.5%木质素的聚氨酯粘合剂在保持热学和机械性能的同时，适用于鞋类行业。
  • 无异氰酸酯聚氨酯：如多羟基脲酯，由多胺和环状碳酸酯反应制备，更加环保。
  • 功能性聚氨酯：通过结构设计或添加填料实现特殊功能：
    • 导电聚氨酯：用于电子和传感器。
    • 自愈聚氨酯：可修复损伤，延长使用寿命。
    • 形状记忆聚氨酯：响应热或光刺激改变形状，适用于智能设备。
    • 抗菌聚氨酯：用于医疗和公共设施，抗菌效率在30次洗涤后仍超过90%。
  • 水性聚氨酯（WPU）：低挥发性有机化合物（VOC）排放，适用于环保涂料和粘合剂。
  • UV固化聚氨酯：用于快速固化涂料和油墨，如以2-羟基乙基丙烯酸酯（HEA）封端的UV固化WPU。
  • 纳米复合材料：添加纳米颗粒（如TiO₂、石墨烯）以增强机械、热学或其他性能。例如，添加20-30 mg/m²石墨烯纳米片可将聚氨酯复合材料的拉伸强度从908 MPa提高到1022 MPa。

7. 最新研究与发展

聚氨酯的研究近年来聚焦于以下领域：

  • 可持续性：开发生物基聚氨酯和环保发泡剂（如CO₂替代氯氟烃），减少环境影响。例如，使用稻草木质素制备的聚氨酯粘合剂显示出优异的热稳定性和机械性能。
  • 功能性材料：开发导电、自愈、形状记忆等功能性聚氨酯，满足高端制造和生物医学需求。例如，UV固化水性聚氨酯丙烯酸酯的玻璃化转变温度从20.3°C提高到46.6°C，表面水接触角从73.85°提高到90.57°，显示出改进的热分解、机械强度和耐水性。
  • 绿色合成：探索无异氰酸酯合成路径和低能耗生产工艺。
  • 质量与成本优化：通过改进原料和工艺提高产品质量，降低生产成本。例如，含0.5 wt%氧化石墨烯的聚氨酯纳米复合材料涂层显示出约88 G.U的接触角和高达235°C的热稳定性。

其他研究包括：

  • 医疗领域：聚氨酯用于伤口修复敷料，结合天然（如胶原、壳聚糖）和合成聚合物，开发多功能敷料。
  • 能源存储：聚氨酯在锂离子电池中的应用，如作为电极材料或隔膜。
  • 土木工程：聚氨酯灌浆材料用于混凝土修复，显示出优异的抗弯强度（5.56 MPa±2.57%）。

8. 市场意义

聚氨酯市场规模庞大，2021年全球市场价值约为781亿美元，预计到2030年将达到1124.5亿美元，年复合增长率为4.13%。其中，泡沫是最大应用领域，占总需求的70%以上。主要应用行业包括建筑（27%）、家具和床垫（17%）、汽车（16%）、足部产品（14%）、电器（7%）、包装（6%）和纺织品（13%）。

总结

聚氨酯是一种高度多功能的聚合物，其性能可通过原料和配方的调整进行定制。其广泛的应用涵盖建筑、汽车、医疗、电子等领域，2019年全球产量达2500万吨，市场规模持续扩大。生物基和功能性聚氨酯的开发为可持续性和高性能应用提供了新机遇，未来研究将继续推动其在绿色技术和智能材料领域的创新。

参考文献

2 个赞