張慧瓊

摘 要：本文在探究聚氨酯材料市場潛力的基礎(chǔ)上針對性地分析了幾種聚氨酯發(fā)泡技術(shù)，在討論聚氨酯現(xiàn)有使用狀況的同時提出了關(guān)于聚氨酯發(fā)泡技術(shù)未來發(fā)展的諸多問題，旨在為我國聚氨酯材料的廣泛應用做出應有的貢獻。

關(guān)鍵詞：聚氨酯;發(fā)泡技術(shù);汽車應用發(fā)展趨勢

中圖分類號：TQ328.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0208-02

1 聚氨酯材料的市場潛力

1.1 在汽車行業(yè)的應用

隨著近年來汽車行業(yè)輕量化的快速大小，聚氨酯泡沫材料在汽車行業(yè)中的應用范圍進一步拓寬，軟泡、微孔彈性體等聚氨酯制品在汽車坐墊、靠背和扶手等部件中的應用更加普遍。與此同時，儀表盤、遮光板、方向盤等汽車重要零部件中聚氨酯制品的應用頻率也進一步增強，為改良及優(yōu)化汽車性能做出了重要貢獻。就雙硬度甚至多硬度聚氨酯泡沫材料在汽車行業(yè)中的應用而言，該類海綿塑料制品能有效根據(jù)人在汽車座椅上的不同接觸位置和不同功能作用提供程度不同的硬度支撐，以此方式保證汽車座椅安全性、科學性的同時強化對人體座位適宜性的重視與關(guān)注。此外，該類聚氨酯海綿泡沫材料的應用還有利于改善汽車的外部結(jié)構(gòu)形式，增加汽車外形美的同時減少汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中鑲嵌物的使用。

1.2 在建筑行業(yè)中的應用

縱觀全球聚氨酯市場需求可知，建筑保溫材料占據(jù)了聚氨酯市場的絕大部分空間，其良好的保溫效果、節(jié)能效果、導熱效果和施工性能等為聚氨酯材料的廣泛應用奠定了堅實的基礎(chǔ)。而隨著我國建筑領(lǐng)域節(jié)能減排綜合性目標的提出，聚氨酯產(chǎn)業(yè)迎來了更廣闊的發(fā)展空間和應用前景，十二五節(jié)能減排方案的出臺在極大程度上擴大了聚氨酯硬泡在建筑保溫領(lǐng)域的市場空間。和其他類型的建筑保溫材料或防水材料相比，聚氨酯硬泡材料具有一材多用的強大功效，兼具保溫防水、隔音減噪等諸多功能?，F(xiàn)階段，在我國所有建筑材料中聚氨酯硬泡材料是導熱系數(shù)與熱阻值性能較為優(yōu)良的建筑保溫材料，其連續(xù)性較高、致密性較強和高強度的閉孔結(jié)構(gòu)使得該類建筑保溫隔熱板擁有強大的阻水性能，優(yōu)良的自粘接性能使其能與屋面或外墻結(jié)構(gòu)等緊密粘結(jié)，從而使建筑工程結(jié)構(gòu)抗風性能大幅度提升，為整體提升建筑工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量做鋪墊。

1.3 在家具行業(yè)中的應用

聚氨酯材料不僅具有較高的強度、較好的韌性和較堅韌的整體結(jié)構(gòu)，更具有生產(chǎn)效率較高與生產(chǎn)工藝較為簡單等重要特點。同時，和木材結(jié)構(gòu)相比，聚氨酯材料具有高強度、低密度、可塑性強等重大優(yōu)勢，廣泛應用于家具行業(yè)、裝飾裝修、工藝品生產(chǎn)等。一般而言，聚氨酯發(fā)泡材料主要用于家具行業(yè)，材料整體顏色、質(zhì)感和加工性能等在一定程度上趨近于楓木和橡木等高級木材，更在強度、阻燃、隔音和抗變形等眾多功能上優(yōu)于木質(zhì)材料。與此同時，聚氨酯材料所具備的低密度、輕質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性使得該類材料適用于各種復雜工藝雕花結(jié)構(gòu)。而隨著現(xiàn)代社會消費者家具需求觀念和消費理念的進一步轉(zhuǎn)變與聚氨酯材料制備工藝流程的優(yōu)化等，聚氨酯發(fā)泡材料正以每年50%左右的增長速度迅猛發(fā)展，在家具行業(yè)擁有著廣闊的發(fā)展前景。

2 聚氨酯發(fā)泡主要技術(shù)及性能特點

2.1 全水發(fā)泡

全水發(fā)泡技術(shù)是利用水和異氰酸酯基發(fā)生一定化學反應生成二氧化碳并形成聚氨酯泡沫的環(huán)境友好型發(fā)泡技術(shù)，主要用于聚氨酯軟塊泡、模塑軟泡及對保溫要求較低的硬泡等的工業(yè)生產(chǎn)。在全水發(fā)泡的技術(shù)過程中，水主要扮演擴鏈劑的角色，在聚氨酯形成過程中發(fā)揮應有的作用。在聚氨酯硬泡和模塑軟泡的工業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)工作人員常將聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑等混合，并在此基礎(chǔ)上添加異氰酸酯成分，進而發(fā)生化學反應制得相應的泡沫塑料。在此過程中，該技術(shù)主要存在以下三個方面的缺陷：首先是物理發(fā)泡劑的缺失使得整個化學反應過程粘度大幅度提升，組合料之間的體系粘度較大，不適用于外墻保溫或管道保溫等需要現(xiàn)場噴涂或澆筑成型的場合。其次，由聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑等組成的混合成分的儲存穩(wěn)定性很有可能受到水的影響，而鹵代烷磷酸酯等阻燃劑又會在一定程度上發(fā)生水解反應生成酸性物質(zhì)造成胺類催化劑的失效，進而大幅度降低全水發(fā)泡技術(shù)的發(fā)泡效率。最后，水的大量存在會大幅度增加異氰酸酯基團的消耗量進而增加成本，而該過程屬于放熱過程，并不適用于厚度較大材料的制備。

2.2 液態(tài)CO2發(fā)泡

液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)是指在高壓低溫環(huán)境下，液態(tài)的二氧化碳與聚氨酯發(fā)泡原料相混合，在壓力大幅度降低或溫度突然升高時使混合物內(nèi)的氣體達到過飽和狀態(tài)，引起氣泡成核，進而使氣泡核周圍的微小分子不斷向氣泡核內(nèi)擴散，使氣泡快速長大并形成完整的泡沫體。通常而言，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)主要用于聚氨酯軟泡的生產(chǎn)，和水發(fā)泡軟泡技術(shù)相比，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)所得泡沫體手感更加柔軟。但與此同時，該泡沫體系的實際溫度會在化學反應完成后大幅度降低，使聚氨酯泡孔停止膨脹，從而使泡孔發(fā)生一定程度的收縮，難以有效保證氣泡核快速形成過程的均勻分布，更難以保證氣泡在實際生長過程的臨界尺寸出現(xiàn)前快速定型。因此，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)的成型難度較大，僅適用于軟質(zhì)塊狀泡沫和模塑泡沫的工業(yè)生產(chǎn)，在其它領(lǐng)域的推廣應用較為困難。

2.3 烷烴發(fā)泡

烷烴發(fā)泡技術(shù)主要是指利用烷烴發(fā)泡劑促進化學反應從而生成硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的技術(shù)。一般情況下，烷烴發(fā)泡劑主要有環(huán)戊烷、異戊烷和丁烷等，但純正的丁烷和正戊烷等的單獨使用會在一定程度上影響化學反應效果，因此，純正的丁烷或正戊烷等烷烴發(fā)泡劑常和環(huán)戊烷一起使用以保證其實際發(fā)泡效果。此外，戊烷類的烷烴發(fā)泡劑具有一定的可燃性，在工業(yè)生產(chǎn)車間累積到一定濃度時將存在爆炸危險。

2.4 第三代發(fā)泡劑氫氟碳（HFC）發(fā)泡

眾所周知，氫氟碳化合物曾作為氯氟碳化合物替代技術(shù)的第三代發(fā)泡劑進行大規(guī)模的推廣應用，部分商業(yè)化的小批量生產(chǎn)更將其用于聚氨酯塑料制品的生產(chǎn)和制備。相比氯氟碳化合物，氫氟碳化合物發(fā)泡劑不含氯元素，其臭氧消耗潛值為零，反應過程中不會有毒氣等釋放出，是重要的環(huán)境友好型發(fā)泡劑之一。同時，以氫氟碳化合物為發(fā)泡劑的泡沫體系整體流動性能較好，脫模時間較短，使得泡沫塑料制品的整體質(zhì)量效果優(yōu)良，廣泛應用于冰箱、建筑物復合板材生產(chǎn)及噴涂等。但與此同時，氫氟碳化合物的發(fā)泡劑并無閃點，其蒸氣氣壓較高，操作溫度通常要求在沸點之下，必須使用耐壓性能優(yōu)良的容器進行儲存，對發(fā)泡設備需要進行一定程度的改良優(yōu)化。此外，氫氟碳發(fā)泡劑的發(fā)泡價格整體較為昂貴，這在一定程度上影響了其規(guī)模化生產(chǎn)和推廣應用。

2.5 第四代發(fā)泡劑氟代烯烴（HCFO）發(fā)泡

烷烴類發(fā)泡劑的易燃性質(zhì)會使其在聚氨酯泡沫塑料行業(yè)的應用受到限制，而HCFC-141b發(fā)泡劑的禁用、氫氟碳化合物發(fā)泡劑價格高昂等因素縮小了它的使用范圍，因此，有關(guān)工作人員正積極尋找第四代替代發(fā)泡劑，以促進聚氨酯泡沫塑料行業(yè)的進一步發(fā)展。在此過程中，部分含氟烯烴的發(fā)泡劑被應用到了下一代聚氨酯發(fā)泡的制備和研究中。一般而言，第四代發(fā)泡劑主要以三氯丙烯、LBA、六氟丁烯等為主要代表產(chǎn)品，這類發(fā)泡劑中含有一定數(shù)目的化學雙鍵，其在普通大氣環(huán)境中的衰退期較短，臭氧消耗潛值和GWP值等關(guān)系環(huán)保節(jié)能的重要指標較低，是較為理想的發(fā)泡劑原料之一。

2.6 真空/減壓發(fā)泡技術(shù)

真空發(fā)泡技術(shù)也被人們稱作減壓發(fā)泡技術(shù)，主要是將發(fā)泡體系放置在一個相對較為密閉的負壓強環(huán)境下，以負壓環(huán)境降低聚氨酯泡沫生成過程中遇到的阻力值，從而達到充分填補模具、減少聚氨酯泡沫原始物料損耗和增加發(fā)泡劑使用效率的目的。進一步探究真空發(fā)泡技術(shù)可知，該技術(shù)主要是利用一定壓力值的保護外殼包裹整個發(fā)泡模具，將保護外殼運送到真空輸送帶或一定范圍的真空發(fā)泡區(qū)域中，在向保護外殼注射聚氨酯反應混合物的前后一定時間內(nèi)向周圍密閉空間施加一定壓力，從而達到真空發(fā)泡技術(shù)所要求的模塑密度負壓值，保證模塑件在真空環(huán)境中直至模塑件的泡孔結(jié)構(gòu)完全穩(wěn)定。目前，陶氏化學聚氨酯真空發(fā)泡技術(shù)在海爾公司的工業(yè)生產(chǎn)中已投入使用，該技術(shù)可縮短聚氨酯發(fā)泡脫模時間，從而提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

2.7 可逆吸收并釋放CO2的發(fā)泡劑

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，有關(guān)專家學者利用聚乙烯亞胺分子鏈上的大量氨基有效吸收了二氧化碳制成了聚乙烯亞胺二氧化碳加合物，并進一步將其添加到了聚氨酯泡沫發(fā)泡劑組成成分中，有效利用了聚氨酯發(fā)泡化學反應過程中釋放的大量反應熱使聚乙烯亞胺二氧化碳化合物中的二氧化碳釋放出來，進而將其作為發(fā)泡劑促進聚氨酯發(fā)泡過程。而為進一步強化該類發(fā)泡劑和聚氨酯發(fā)泡成分的相容性，有關(guān)工作人員在聚乙烯亞胺分子鏈上連接了一定的聚醚側(cè)鏈，在強化發(fā)泡劑和聚氨酯泡沫成分相容性的同時為制備密度較低的聚氨酯泡沫做出了重要貢獻。同時，該類方法制造的聚氨酯泡沫力學性能與常用泡沫性能相當，其導熱系數(shù)與聚苯乙烯泡沫不相上下，并在一定程度上高于傳統(tǒng)聚氨酯泡沫，廣泛適用于絕熱性能要求較低的領(lǐng)域。但與此同時，可逆吸收并釋放二氧化碳的發(fā)泡劑也在一定程度上存在不足，發(fā)泡劑原料混合物的粘度較高，發(fā)泡劑的發(fā)氣量較少，不適用于制備硬度較低的泡沫。

3 聚氨酯發(fā)泡劑使用現(xiàn)狀及其在汽車行業(yè)應用的發(fā)展趨勢

3.1 使用現(xiàn)狀

聚氨酯泡沫材料由于其質(zhì)量較輕、隔熱性能良好和強度較高等優(yōu)勢被廣泛應用于保溫隔熱領(lǐng)域，在冰箱冰柜、建筑保溫隔熱板及管道保溫等行業(yè)得到了較大發(fā)展。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國聚氨酯泡沫材料的需求量在2014年就已達到570萬噸，并以每年5%左右的年增長率快速上漲。現(xiàn)階段而言，氟烴類的聚氨酯發(fā)泡劑占據(jù)了我國較大市場，該類發(fā)泡劑的大量使用在極大程度上破壞了我國現(xiàn)有環(huán)境，使得原有生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，不利于人與自然的和諧相處。因此，如何改良優(yōu)化現(xiàn)有聚氨酯發(fā)泡劑的各項性能，保證在有效應用聚氨酯材料的同時不破壞周圍環(huán)境成為聚氨酯發(fā)泡劑研究的重要內(nèi)容。

3.2 汽車應用發(fā)展趨勢

綜合探究聚氨酯材料在現(xiàn)代社會各行業(yè)的應用及各類聚氨酯發(fā)泡技術(shù)的優(yōu)缺點可知，聚氨酯制品在汽車座椅海綿部件中的發(fā)展逐步朝著舒適性強、環(huán)保性高、多樣性足和耐久性強等趨勢發(fā)展。雙硬度和硬度海綿的發(fā)展為人們在座椅不同區(qū)域舒適性和安全性的保證奠定了基礎(chǔ);一體成型發(fā)泡技術(shù)則進一步廣泛應用于頭枕、扶手等小型發(fā)泡產(chǎn)品，強化了其整體性能;慢回彈海綿作為記憶海綿，其受力會變形后逐步恢復至原狀的性能為汽車座椅腰部支撐和頭枕表面的完整性做出了重要貢獻，廣泛應用于汽車座椅的腰部支撐和頭部靠枕表面。此外，水平雙層發(fā)泡技術(shù)的進一步完善和成熟為保證和強化汽車座椅表層的柔軟度適中和底層的硬度要求符合相關(guān)規(guī)定等提供了重要支撐。

4 結(jié)語

聚氨酯材料在人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應用較為廣泛，因此，進一步改良優(yōu)化聚氨酯發(fā)泡技術(shù)，在明晰聚氨酯材料現(xiàn)有使用狀況的基礎(chǔ)上把握聚氨酯材料的未來發(fā)展趨勢，為更好地利用聚氨酯材料發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟或工業(yè)生產(chǎn)做出應有的貢獻。

參考文獻

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