科普丨聚氨酯的原料及其应用

聚氨酯,是在高分子主链中含有氨基甲酸酯基(-NHCOO)的聚合物,全称为聚氨基甲酸酯,简称聚氨酯(PU)。聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料,被誉为“第五大塑料”。
合成聚氨酯的主要原料是有机多元异氰酸酯和端羟基化合物。根据所用端羟基化合物的不同,聚氨酯可以分为聚酯型和聚醚型两类。聚酯型是以二异氰酸酯和端羟基聚酯为原料制备的聚氨酯。聚醚型是以二异氰酸酯和端羟基聚醚为原料制备的聚氨酯。
使用不同的原材料,可制备不同性质的聚氨酯产品。合成聚氨酯的原料主要包括多异氰酸酯,多元醇,扩链剂和辅助材料等。
多异氰酸酯
结构中含有2个及以上NCO基团的物质统称为多异氰酸酯。按NCO基团的数目一般分为二元异氰酸酯,三元异氰酸酯及聚合型异氰酸酯三大类。按照分子结构又可分为脂肪族,脂环族和芳香族的异氰酸酯。
1、甲苯二异氰酸酯(TDI)

科普丨聚氨酯的原料及其应用插图
甲苯二异氰酸酯(TDI)是应用较多的。甲苯二异氰酸酯有2,4位和2,6位两种异构体,根据异构体的含量分为三种商品规格:
A、TDI一100:含100%的2,4一甲苯二异氰酸酯;
B、TDI一80:含80%的2,4一甲苯二异氰酸酯,20%的2,6一甲苯二异氰酸酯;
C、TDI一65:含65%的2,4一甲苯二异氰酸酯,35%的2,6一甲苯二异氰酸酯。
TDI常用作聚氨酯软泡、灌封浇注弹性体、涂料和胶粘剂的固化剂使用。
2、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)

科普丨聚氨酯的原料及其应用插图1
二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)的主要结构包括4,4-MDI,2,4-MDI和2,2-MDI三种异构体。常见的产品有纯MDI和聚合MDI。
纯MDI或MDI-100,为含4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯含量99%以上的MDI。在聚氨酯工业上以纤维(氨纶)多,也可用作预聚体(弹性体)合成。
聚合MDI(也称聚氨酯“黑料”),为含有一定比例纯MDI与多苯基多亚甲基多异氰酸酯的混合物。多用于制作聚氨酯硬泡,在冰箱冷柜、冷藏集装箱、建材保温、汽车领域有广泛应用。
3、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)

科普丨聚氨酯的原料及其应用插图2
六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为脂肪族异氰酸酯,因不含苯环,具有良好的耐黄变性和柔顺性。HDI反应活性小,挥发性大,毒性也大,一般是将HDI与水反应制成缩二脲二异氰酸酯使用。主要用作合成中间体,其三聚体和缩合物是常用的固化剂。
4、异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)

科普丨聚氨酯的原料及其应用插图3
异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)属脂环族异氰酸酯,产品为含75%顺式异构体和25%反式异构体的混合物。IPDI制成的聚氨酯树脂具有优异的光稳定性和耐化学药品性。一般用于制备高档的产品中间体,如光固化聚氨酯树脂,其三聚体和预聚体可用于涂料固化剂。
近年来,异氰酸酯产品得到了大力开发,异氰酸酯的种类大大增加,性能也得到提高,从基础原材料逐渐向高端原材料转变。
多元醇
聚氨酯合成中的多元醇主要包括聚酯多元醇和聚醚多元醇二大类。它构成了聚氨酯的软段。不同的多元醇与异氰酸酯反应合成的聚氨酯性能也大不同,一般认为聚酯型多元醇反应的聚氨酯具有更高的强度和硬度,而聚醚型多元醇反应的聚氨酯具有更好的柔韧性和不易水解性。
1、聚醚多元醇(PPG)
聚醚多元醇是分子中含有醚键(-R-O-R-),端基为OH基团的齐聚物。聚氨酯软泡和硬泡对聚醚的相对分子质量和羟值有不同要求。
用于软泡的聚醚多元醇一般为长链,低官能度,平均相对分子量在2000~6500左右。用于硬泡的聚醚多元醇(俗称“白料”)通常相对分子量在300~400,羟值在350~600mgKOH/g。
2、聚酯多元醇
聚酯多元醇主链含有酯基(—COO—)或碳酸酯基(—OCOO—),键极性强,内聚能大,粘接性能好,可以提高聚氨酯胶粘剂的耐油性和耐温性,但酯键易水解,降低了聚氨酯的耐水性能。
脂肪族聚酯多元醇多用于聚氨酯油墨、聚氨酯弹性体、微孔聚氨酯鞋底、聚氨酯胶粘剂、浇注性聚氨酯弹性体、PU革树脂、织物涂层等方面。
芳香族聚酯多元醇,由于分子中含有苯环刚性基团,可增加制品强度、耐热性、阻燃性等特点。一般用于制造硬质聚氨酯泡沫塑料,也用于非泡沫聚氨酯,如:聚氨酯涂料、胶粘剂、弹性体等。
聚氨酯材料是多元醇的重要应用,通过开发更多性能的多元醇,可以提高聚氨酯的性能,工艺及开拓更广泛的用途。
3、辅助材料
聚氨酯的原材料中通常还会用到扩链剂,催化剂,表面活性剂,交联剂,发泡剂等辅助材料。
聚氨酯的应用
聚氨酯因其优异的性能被广泛应用于国民经济的众多领域,产品应用涉及轻工,化工,电子,纺织,医疗,建筑,建材,汽车,国防,航天和航空等。聚氨酯的应用主要分为三大方面:聚氨酯软泡,聚氨酯硬泡及聚氨酯弹性体。
1、聚氨酯软泡:
垫材:如座椅、沙发、床垫等,聚氨酯软泡是一种非常理想的垫材材料,垫材也是软泡用量大的应用领域;
吸音材料:开孔的聚氨酯软泡具有良好的吸声消震功能,可用作室内隔音材料;
织物复合材料:垫肩、文胸海绵、化妆棉。
2、聚氨酯硬泡:
家电及食品等行业冷冻冷藏设备:聚氨酯硬泡是冷冻、冷藏设备理想的绝热材料,能达到较理想的保温效率。可用作冰箱,冰柜,保温箱,热器等电器的保温绝热层。
工业设备和管道保温:聚氨酯硬泡可用作贮罐,管道的保温材料,在石油,化工,天然气等行业得到广泛应用。
建筑保温材料。
汽车部件:PU硬泡可以用于汽车顶篷,内饰件及多种汽车部件,如车门板、行李箱盖板、发动机盖板等。
复合材料:高密度(密度为300~700kg/m3)PU硬泡或玻璃纤维增强硬泡是结构性泡沫塑料,又称仿木材料。可应用在型材、板材、体育用品、装饰材料等。
3、聚氨酯弹性体:
聚氨酯弹性体包括:浇注型聚氨酯弹性体(CPU),热塑聚氨酯弹性体(TPU)及混炼型聚氨酯弹性体(MPU)。聚氨酯弹性体可用于机械配件,胶辊,传送带,密封圈,辊轮及轮胎等。也可用作制造弹性纤维、合成革树脂、胶粘剂和涂料等。
近年来,聚氨脂材料获得了大力开发,随着原材料不断的推陈出新,应用技术逐渐成熟完善,聚氨脂在工业及生活中的应用越来越多,也越来越重要。

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