聚氨酯

聚氨酯是线性聚合物，其分子主链含有氨基甲酸酯基团 (-NHCO2)。这些基团称为氨基甲酸酯，是通过二异氰酸酯和多元醇之间的化学反应产生的。聚氨酯于 1930 年代后期首次开发，是用途最广泛的聚合物之一。它们用于建筑绝缘、表面涂层、粘合剂、固体塑料和运动服装。

背景

聚氨酯，也称为聚氨基甲酸酯，属于一大类称为聚合物的化合物。聚合物是由称为单体的较小的重复单元组成的大分子。通常，它们由带有侧基的初级长链主链分子组成。聚氨酯的特征在于其分子骨架中的氨基甲酸酯基团 (-NHCO 2 )。

合成聚合物，如聚氨酯，是通过单体在反应容器中反应生产的。为了生产聚氨酯，需要进行一个步骤——也称为缩合反应。在这种类型的化学反应中，存在的单体含有反应性端基。具体而言，二异氰酸酯 (OCN-R-NCO) 与二醇 (HO-R-OH) 反应。该反应的第一步导致两个分子的化学连接，在一侧留下反应性醇 (OH)，在另一侧留下反应性异氰酸酯 (NCO)。这些基团与其他单体进一步反应以形成更大、更长的分子。这是一个即使在室温下也能产生高分子量材料的快速过程。具有重要商业用途的聚氨酯通常在分子中包含其他官能团，包括酯、醚、酰胺或脲基团。

历史

聚氨酯化学最早由德国化学家弗里德里希·拜尔 (Friedrich Bayer) 于 1937 年研究。他通过甲苯二异氰酸酯与二元醇反应制备了早期原型。从这项工作中开发出了第一批结晶聚氨酯纤维之一 Perlon U。弹性聚氨酯的开发始于第二次世界大战期间寻找橡胶替代品的计划。 1940 年，生产出第一批聚氨酯弹性体。这些化合物提供了可用作橡胶的适当替代品的可磨胶。当科学家发现聚氨酯可以制成细线时，将它们与尼龙结合制成更轻巧、可拉伸的服装。

1953 年，美国开始了软质聚氨酯泡沫的首次商业化生产。这种材料可用于泡沫绝缘。 1956 年，引入了更灵活、更便宜的泡沫。在 1950 年代后期，生产了可模压聚氨酯。多年来，已开发出改进的聚氨酯聚合物，包括氨纶纤维、聚氨酯涂料和热塑性弹性体。

原材料

多种原材料用于生产聚氨酯。这些包括单体、预聚物、保护聚合物完整性的稳定剂和着色剂。

异氰酸酯

生产聚氨酯所需的关键反应性材料之一是二异氰酸酯。这些化合物的特征在于 (NCO) 基团，它们是高活性醇。聚氨酯生产中使用最广泛的异氰酸酯是甲苯二异氰酸酯 (TDI) 和聚合异氰酸酯 (PMDI)。 TDI 是通过在甲苯上化学添加氮基团，使它们与氢反应生成二胺，然后分离不需要的异构体来生产的。 PMDI 由苯胺-甲醛多胺的光气化反应衍生而来。除了这些异氰酸酯外，还提供更高端的材料。这些包括像 1,5-萘二异氰酸酯和二甲苯二异氰酸酯这样的材料。这些更昂贵的材料可以在聚氨酯弹性体中提供更高的熔点、更硬的链段。

多元醇

生产聚氨酯所需的其他反应物质是含有多个醇基 (OH) 的化合物，称为多元醇。通常用于此目的的材料是聚醚多元醇，它是由环醚形成的聚合物。它们通常通过环氧烷聚合工艺生产。它们是具有广泛粘度的高分子量聚合物。使用的各种聚醚多元醇包括聚乙二醇、聚丙二醇和聚丁二醇。当所需的聚氨酯将用于制造软质泡沫或热固性弹性体时，通常会使用这些材料。

聚酯多元醇也可用作聚氨酯生产中的反应物质。它们可以作为对苯二甲酸生产的副产品获得。它们通常基于饱和芳族羧酸和二醇。支化聚酯多元醇用于聚氨酯泡沫和涂料。聚酯多元醇是生产聚氨酯最常用的反应物质。然而，聚醚多元醇的成本显着降低，并已取代聚酯多元醇。

添加剂

一些聚氨酯材料容易受到热、光、大气污染物和氯的损坏。为此，添加稳定剂以保护聚合物。一种防止光降解的稳定剂是称为羟基苯并三唑的紫外线屏蔽剂。为了防止氧化反应，使用了抗氧化剂。可以使用各种抗氧化剂，例如单体和聚合受阻酚。也可以添加抑制由大气污染物引起的变色的化合物。这些通常是具有叔胺官能团的材料，可以与空气污染中的氮氧化物相互作用。对于某些应用，会在聚氨酯产品中添加防霉添加剂。

聚合物形成并从反应容器中取出后，它们自然是白色的。因此，可以添加着色剂以改变它们的美学外观。聚氨酯纤维常用的共价化合物有分散染料和酸性染料。

设计

聚氨酯可以以四种不同的形式生产，包括弹性体、涂料、软质泡沫和交联泡沫。弹性体是可以拉伸但最终会恢复其原始形状的材料。它们适用于需要强度、柔韧性、耐磨性和减震性能的应用。热塑性聚氨酯弹性体可以模塑成型为不同的部件。这使它们可用作汽车零件、滑雪靴、旱冰鞋轮、电缆护套和其他机械产品的基础材料。当这些弹性体纺成纤维时，它们会产生一种称为氨纶的柔性材料。氨纶用于制作袜子上衣、胸罩、支撑软管、泳衣和其他运动服装。

聚氨酯涂料显示出耐溶剂降解性并具有良好的抗冲击性。这些涂料用于需要耐磨性、柔韧性、快速固化、附着力和耐化学性的表面，如保龄球馆和舞池。水性聚氨酯涂料用于喷漆飞机、汽车和其他工业设备。

软质泡沫是聚氨酯的最大市场。这些材料具有高冲击强度，用于制作大多数家具缓冲垫。他们还为高价家具中的床垫和座垫提供材料。半柔性 描述用于制造硬质聚氨酯泡沫绝缘材料的制造过程的图表。聚氨酯泡沫用于制造汽车仪表板和门内衬。其他用途包括地毯衬垫、包装、海绵、吸水扒和内部衬垫。刚性或交联聚氨酯泡沫用于以板或层压板的形式生产绝缘材料。层压板广泛用于商业屋面行业。建筑物通常喷涂聚氨酯泡沫。

制造过程

虽然聚氨酯聚合物用于广泛的应用，但它们的生产方法可以分为三个不同的阶段。首先，制造本体聚合物产品。接下来，将聚合物暴露于各种加工步骤。最后，聚合物转化为最终产品并运输。这种生产过程可以通过聚氨酯泡沫的连续生产来说明。

聚合物反应

• 1 在聚氨酯泡沫生产开始时，反应原料以液体形式保存在大型不锈钢罐中。这些罐配备有搅拌器以保持材料流动。计量装置连接到罐上，以便可以泵出适量的反应材料。多元醇与二异氰酸酯的典型比例为 1:2。由于组分材料的比例产生具有不同特性的聚合物，因此受到严格控制。
• 2 反应材料在泵入管道时通过热交换器。交换器将温度调节到反应水平。在管道内部，发生聚合反应。当聚合液体到达管道末端时，聚氨酯已经形成。管子的一端是聚合物的分配头。

处理中

• 3 分配头连接到加工线。对于硬质聚氨酯泡沫绝缘材料的生产，在加工线的开始处缠绕一卷烘焙纸。该纸沿着传送带移动并被带到分配头下方。
• 4 当纸从下面经过时，聚氨酯被吹到上面。当聚合物被分配时，它与二氧化碳混合，导致其膨胀。它在沿着传送带移动时继续上升。 （聚氨酯片被称为面包，因为它像面团一样“上升”。）
• 5 膨胀反应开始后，第二层纸被滚上。此外，还可以将边纸卷入该过程中。每层纸都包含赋予其形状的聚氨酯泡沫。硬质泡沫穿过一系列控制泡沫块宽度和高度的面板。当它们穿过生产线的这一部分时，它们通常会被干燥。
• 6 在生产线的末端，用自动锯将泡沫绝缘材料切割成所需的长度。然后将泡沫包传送到最终加工步骤，包括包装、堆叠和运输。

质量控制

为确保聚氨酯材料的质量，生产商在生产的所有阶段对产品进行监控。这些检查首先由质量控制化学家对传入的原材料进行评估。他们使用既定方法测试各种化学和物理特性。测试的一些特性包括 pH 值、比重和粘度或厚度。此外，还可以检查外观、颜色和气味。制造商发现，只有在生产开始时严格控制质量，才能确保获得一致的成品。

生产后，对聚氨酯产品进行测试。聚氨酯涂料产品的评估方式与检查初始原材料的方式相同。此外，还测试了干燥时间、膜厚和硬度等特性。聚氨酯纤维经过了弹性、回弹性和吸收性等方面的测试。检查聚氨酯泡沫以确保它们具有适当的密度、阻力和柔韧性。

未来

自首次开发以来，聚氨酯的质量一直在稳步提高。各个领域的研究应继续帮助制造优质材料。例如，科学家们发现，通过改变起始预聚物，他们可以开发出具有更好拉伸特性的聚氨酯纤维。其他特性可以通过加入不同的填料、使用更好的催化剂和改变预聚物比例来改变。

除了聚合物本身，未来可能会改进生产过程，从而产生更快、更便宜、更环保的聚氨酯。聚氨酯生产的最新趋势是用挥发性较低的聚合异氰酸酯代替甲苯二异氰酸酯。此外，制造商已尝试消除通常用于生产聚氨酯泡沫的氯化氟碳发泡剂。