聚氨酯彈性體既有橡膠的高彈性，又有塑料的高硬度和高強(qiáng)度，其耐磨性卓越，具有優(yōu)異的耐油、耐化學(xué)藥品、耐屈撓、耐低溫性能。聚氨酯彈性體是制造綠色輪胎和輪胎綠色制造的理想材料。廢舊輪胎可回收用作其他聚氨酯產(chǎn)品，不會造成環(huán)境污染。
產(chǎn)品開發(fā)新趨勢
聚氨酯熱塑性彈性體又稱熱塑性聚氨酯橡膠，簡稱TPU，是一種(AB)型嵌段線型聚合物，A為高相對分子質(zhì)量(1000-6000)的聚酯或聚醚，B為含2-12直鏈碳原子的二醇，AB鏈段間化學(xué)結(jié)構(gòu)是用二異氰酸酯，通常是二苯甲烷二異氰酸酯(MDI)連接。熱塑性聚氨酯橡膠靠分子間氫鍵交聯(lián)或大分子鏈間輕度交聯(lián)，隨著溫度的升高或降低，這兩種交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有可逆性。在熔融狀態(tài)或溶液狀態(tài)，分子間力減弱，而冷卻或溶劑揮發(fā)之后又由強(qiáng)的分子間力連接在一起，恢復(fù)原有固體的性能。聚氨酯彈性體是聚氨酯合成材料中的一個品種，由于其結(jié)構(gòu)具有軟、硬兩個鏈段，可對其進(jìn)行分子設(shè)計，而賦予材料高強(qiáng)度、韌性好、耐磨、耐油等優(yōu)異性能。由于其極其優(yōu)異的性能而廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、礦山開采、航空航天、電子、醫(yī)療器械、體育制品等多個領(lǐng)域，成為極具發(fā)展前景的合成材料制品。
全球熱塑性彈性體(TPE)的年消費量達(dá)226萬t。為了更好地把握此龐大商機(jī)并配合市場需求，國際橡塑材料制造商紛紛積極開發(fā)各種新型熱塑性彈性體產(chǎn)品。熱塑性彈性體產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，而又以汽車和醫(yī)療市場的需求增長最為顯著。
主要性能特點
聚氨酯彈性體是典型的多嵌段共聚物，分子鏈由玻璃化溫度低于室溫的柔性鏈段和玻璃化溫度高于室溫的剛性鏈段嵌段而成。其中，低聚物多元醇構(gòu)成柔性鏈段，二異氰酸酯和小分子擴(kuò)鏈劑構(gòu)成剛性鏈段。柔性鏈段和剛性鏈段的嵌段結(jié)構(gòu)決定了其性能的特殊性：
(1)普通的橡膠硬度范圍一般在紹爾A20-A90，塑料的硬度范圍約為紹爾A95-紹爾D100;
(2)較高的強(qiáng)度和彈性，在較寬的硬度范圍內(nèi)仍然可以保持較高的強(qiáng)度和彈性;
(3)優(yōu)異的耐磨性，是天然橡膠的2-10倍;
(4)耐水、油脂及耐化學(xué)品性優(yōu)良;
(5)抗沖擊性高、耐疲勞性及抗震動性高，適于高頻撓屈應(yīng)用;
(6)耐低溫性能好，低溫脆性約在-30℃或-70℃以下;
(7)具有優(yōu)良的保溫性能，由于導(dǎo)熱系數(shù)較低，與橡膠和塑料相比，保溫效果較好;
(8)良好的生物相容性和抗凝血性能;
(9)優(yōu)異的電絕緣性、耐霉菌性能和紫外線穩(wěn)定性。
聚氨酯彈性體既可跟普通橡膠一樣采用塑煉、混煉、硫化工藝成型，也可以液體橡膠的形式進(jìn)行澆注模壓、澆注離心成型或者噴涂，還可制成顆粒材料，用注射、擠出、壓延、吹塑等工藝成型。這樣，不僅提高了工作效率，還使產(chǎn)品的尺寸精度和外觀都得到很大程度的改善，利用澆注機(jī)澆注也避免了手工澆注可能造成的隱性缺陷，大大提高了產(chǎn)品的使用壽命。
聚氨酯彈性體并非十全十美，它的主要缺點是：
(1)內(nèi)生熱大，耐高溫性能一般。正常使用溫度范圍是-40-120℃。若需在高頻振蕩條件或高溫條件下長期作用，則必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計或配方上采取相應(yīng)改性措施。
(2)不耐強(qiáng)極性溶劑和強(qiáng)酸、堿介質(zhì)。在一定溫度下，醇、酸、酮會使聚氨酯彈性體溶脹和降解，氯仿、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、三氯乙烯等溶劑在常溫下就會使聚氨酯彈性體溶脹。
常見功能與應(yīng)用領(lǐng)域
由于聚氨酯彈性體的功能獨特，作為一種具有優(yōu)異性能的聚氨酯彈性體高分子材料，現(xiàn)已在人們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。
(1)澆注型聚氨酯彈性體(PU)是一種介于橡膠與塑料之間的一種新型材料，在實際應(yīng)用中，多作為橡膠制品的更新?lián)Q代產(chǎn)品。由于有卓越的耐磨性(彈性體中最好)，高強(qiáng)度(是普通橡膠的3-5倍)，高伸長率(500%-1500%)，高彈性(負(fù)載支撐容量大，減震效果好)，硬度范圍寬(邵氏A20-邵氏D70);并且還具有耐油，耐酸、堿，耐射線輻射等優(yōu)異性能，還具有杰出的耐磨性能，因此在磨損問題嚴(yán)重的場合有很多重要用途，特別是在采礦、石油、天然氣工業(yè)。澆注型聚氨酯彈性體適用領(lǐng)域有：實心輪胎;印刷、輸送膠輥;壓型膠輥;油封、墊圈球節(jié)、襯套軸承;○型圈;撐墊;鞋底、后根、包頭;襯里;齒輪等。不同應(yīng)用領(lǐng)域，選擇的彈性體的硬度范圍不同。在礦山、冶金等行業(yè)的應(yīng)用有篩板、搖床等;在機(jī)械工業(yè)方面的應(yīng)用有膠輥、膠帶、密封件等;在汽車工業(yè)方面的應(yīng)用有輪胎、密封圈等;在輕工業(yè)方面的應(yīng)用有聚氨酯鞋底料、聚氨酯合成革、聚氨酯纖維;在建筑工業(yè)方面的應(yīng)用有防水材、鋪裝材、灌封材等。
(2)聚氨酯泡沫材料是目前所有的墻體保溫材料中保溫性能最好的隔熱產(chǎn)品，也是世界上最具前瞻性的保溫材料，具有質(zhì)量輕、保溫、防潮、隔音、耐熱、防震、耐腐蝕、容易與其他材料粘結(jié)、燃燒不產(chǎn)生熔滴等優(yōu)異性能。廣泛用于建筑物的屋頂、墻體、天花板、地板、門窗等，作為保溫隔熱材料。聚氨酯硬泡在我國主要應(yīng)用在供熱、制冷、石油、化工、汽車、交通運輸?shù)刃袠I(yè)，用在建筑墻體保溫的份額還不足10%。
(3)聚氨酯彈性體與金屬骨架粘接牢固，承載能力大、耐磨、耐油?？捎糜谥圃煸诟鞣N傳動機(jī)構(gòu)中廣泛使用的膠輪，如;生產(chǎn)線傳送帶用托輪、導(dǎo)輪，纜車的滑輪等。體育娛樂方面，高檔溜冰鞋旱冰輪及滑板車的輪子都采用聚氨酯制造。聚氨酯膠輪還具有耐油、韌性好、附著力強(qiáng)等特點，在礦用單軌吊車、齒軌車及清洗車等車輛上使用效果十分明顯。聚氨酯還用于很小的電子和精密儀器傳動輪、各種萬向輪等。采用PU彈性體內(nèi)襯模具可降低生產(chǎn)成本，在瓷磚及陶瓷生產(chǎn)線上使用，可提高生產(chǎn)效率和成品率。采用氨酯模具可復(fù)制各種花紋，生產(chǎn)裝飾性砌塊。五金模具沖壓生產(chǎn)中采用聚氨酯彈性體棒、管及板墊代替金屬彈簧作緩沖構(gòu)件，彈性高、柔韌性、原縮變形強(qiáng)度高，不損壞模具。
煤礦、金屬及非金屬礦山對高耐磨、高強(qiáng)度而又富有彈性的非金屬材料需求量很大。用于礦山的聚氨酯彈性體制品有篩板、彈性體襯里、運輸帶等。其它如用于制作固體分離的旋流器、阻燃抗靜電的耐磨運輸帶、礦用單軌吊車的實芯輪、煤礦噴漿機(jī)用結(jié)合板、萬噸級電動輪自卸車上的油密封圈、高壓電纜護(hù)套的冷補(bǔ)膠等。
聚氨酯熱塑性彈性體
熱塑性彈性體簡稱TPE/TPR，以SEBS、SBS為基材，是一類具有通用塑料加工性能，而制品有著類似交聯(lián)橡膠性能的高分子合金材料。在多材料模塑中，熱塑性彈性體有4個基本的類型，即苯乙烯嵌段共聚物(SBC)、熱塑性硫化膠(TPV)、熱塑性聚氨酯(TPU)和共聚多酯(COPE)。熱塑性聚氨酯彈性體像澆注型聚氨酯(液體)和混煉型聚氨酯(固體)一樣，具有高模量、高強(qiáng)度、高伸長率和高彈性以及優(yōu)良的耐磨、耐油、耐低溫、耐老化性能等。
TPU可按不同方法進(jìn)行分類。按軟段結(jié)構(gòu)可分為聚酯型TPU、聚醚型TPU和聚丁二烯型TPU，它們分別含有酯基、醚基或丁烯基;按所用的異氰酸酯結(jié)構(gòu)可分為黃變型(MDI、TODI、NDI、PPDI等)和不黃變型(HDI、H12MDI等)，按硬段結(jié)構(gòu)分為氨酯型和氨酯脲型，它們分別由二醇擴(kuò)鏈或二胺擴(kuò)鏈獲得。按有無交聯(lián)可分為全熱塑性和半熱塑性。前者是純線性結(jié)構(gòu)，無交聯(lián)鍵;后者含有少量脲基甲酸酯等交聯(lián)鍵。
聚氨酯類熱塑性彈性體主鏈上含有較多氨基甲酸酯(—NH—C—O—)結(jié)構(gòu)單元的高聚物通稱為聚氨基甲酸酯(簡稱為聚氨酯)。熱塑性聚氨酯彈性體是聚氨酯橡膠的一類，其大分子鏈的結(jié)構(gòu)是由極性聚氨酯或聚脲鏈段(硬段)和脂肪族聚酯或聚醚鏈段(軟段)交替構(gòu)成。分子間的氫鍵交聯(lián)和大分子鏈間的輕度交聯(lián)使得這種高分子材料具有可塑性。隨著溫度的變化這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)具有可塑性。熱塑性聚氨酯彈性體有聚酯型和聚醚型兩類，硬度高、耐磨性好、彈性好是這類彈性體最突出的性能。此外，拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐化學(xué)品性能和耐環(huán)境性能也很出色，一些物料機(jī)械性能均隨硬度的增加而增大。熱塑性聚氨酯彈性體的相對密度一般為1.10-1.25，邵氏硬度為65A-80D。聚醚型聚氨酯的耐低溫性優(yōu)于聚酯型聚氨酯。
熱塑性聚氨酯彈性體是第一個能夠運用熱塑性工藝加工的彈性體。聚氨酯橡膠具有良好的耐磨性，添加劑可以提高其耐候性、尺寸穩(wěn)定性和耐熱性，減少摩擦或增加阻燃性，它們在各硬度等級產(chǎn)品中具有很廣泛的應(yīng)用，涉及汽車密封件和墊圈，穩(wěn)定桿套，醫(yī)用導(dǎo)管、起博器和人造心臟裝置、手機(jī)天線齒輪、滑輪、鏈輪、滑槽襯里、紡織機(jī)械部件、腳輪、墊圈、隔膜、聯(lián)軸器和減振部件。
聚氨酯彈性體應(yīng)用前及發(fā)展趨勢
聚氨酯橡膠彈性體全球消費量逐年快速上升，國外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測未來幾年內(nèi)全球?qū)⒈３?%-8%的速度增長，其中汽車業(yè)和制鞋業(yè)是聚氨酯彈性體主要消費市場，也是消費增長最快的兩大領(lǐng)域。國際上聚氨酯彈性體主要生產(chǎn)廠家為：美國固特里奇公司、Mobay公司、陶氏化學(xué)、亨斯曼公司，德國拜耳公司，日本的旭硝子公司、協(xié)和發(fā)酵、NOK公司等。其中，拜耳公司和亨斯曼公司以制鞋料為主，而陶氏化學(xué)、旭硝子公司、NOK和協(xié)和發(fā)酵則以汽車機(jī)械部件為主。目前這些主要生產(chǎn)公司不斷推出新品種向周圍領(lǐng)域擴(kuò)張。
國內(nèi)市場對聚氨酯的需求逐年增加，但是一些關(guān)鍵原料還主要依靠進(jìn)口，制約了聚氨酯工業(yè)的發(fā)展。我國應(yīng)加速關(guān)鍵原材料生產(chǎn)的國產(chǎn)化，生產(chǎn)出性能優(yōu)良、價格低廉的原材料。聚氨酯彈性體材料的合金化研究也成為近年來高分子材料研究的一個熱門話題。聚氨酯彈性體可與PVC、PE、ABS等多種合成樹脂進(jìn)行復(fù)合，以降低成本和提高性能。聚氨酯彈性體也可以通過添加一些有機(jī)填料進(jìn)行改性，來突出或加強(qiáng)某些方面的性能，或者克服聚氨酯彈性體的一些缺點來滿足特殊需要。隨著對聚氨酯彈性體制品要求的提高和人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，開發(fā)新型的脂肪族的多異氰酸酯也成為一個迫切的研究課題。技術(shù)人員利用生物資源的天然結(jié)構(gòu)及特性，生產(chǎn)像木材那樣能被微生物分解的聚氨酯彈性體制品。目前，日本的一些公司將木粉、蔗糖及廢棄的咖啡等天然原料混合于聚合物多元醇中制備聚氨酯彈性體，既能減少多元醇的用量，降低生產(chǎn)成本，又賦予制品生物分解性，國外已有一定數(shù)量商品問世。
近年來，液晶聚氨酯彈性體研究比較活躍，主要集中在原料的選擇、工藝路線的優(yōu)化和物性改善等方面。液晶聚氨酯由剛性致介基因和柔性間隔基團(tuán)連接而成，是一種在熔體狀態(tài)下具有液晶性能的聚氨酯彈性體。該材料具有良好的機(jī)械、熱穩(wěn)定、高彈性、高延伸性能和加工性能。液晶聚氨酯彈性體的合成可以采取一步或兩步聚合的方法，加工成型工藝多樣，擠出、注射、模塑和涂覆均可。合成材料共混改性成為目前高分子化合物研究與發(fā)展重點之一，聚氨酯彈性體可以與PVC、PV、PE、ABS等多種合成樹脂進(jìn)行共混改性，以降低生產(chǎn)成本和提高物理和加工性能。
環(huán)境保護(hù)是崛起中的聚氨酯工業(yè)面臨的又一重大問題。隨著聚氨酯材料在國民經(jīng)濟(jì)中的用途越來越廣，用量越來越大，其廢棄物的回收再利用也日益受到人們的重視。廢舊聚氨酯主要包括生產(chǎn)廠的邊角廢料、模具溢出料、報廢汽車、冰箱中的聚氨酯泡沫及彈性體廢舊鞋底和廢舊PU革、氨綸舊衣物等。當(dāng)前聚氨酯的回收利用主要有三種方法：物理法、化學(xué)法、能源法。對廢舊聚氨酯制品的回收利用，歐盟率先出臺了電器產(chǎn)品廢舊塑料回收的法律、法規(guī)原則：誰生產(chǎn)、誰回收。我國也應(yīng)該加快聚氨酯制品尤其是泡沫制品的回收利用。
結(jié)束語
聚氨酯彈性體作為一種新型的材料已逐漸應(yīng)用到了各行各業(yè)中，發(fā)揮的作用也愈來愈大，隨著建筑業(yè)的發(fā)展、人們對環(huán)境保護(hù)意識的逐漸提高、聚氨酯彈性體新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，聚氨酯彈性體在建筑業(yè)中應(yīng)用會愈來愈廣泛。 |
