室溫固化聚氨酯彈性體的應(yīng)用進(jìn)展

趙廷午, 李思絲

(1.山西省化工研究所,山西 太原 030021；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

室溫固化聚氨酯彈性體的應(yīng)用進(jìn)展

趙廷午1, 李思絲2

(1.山西省化工研究所,山西 太原 030021；2.太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

綜述了近年來室溫固化聚氨酯彈性體在體育設(shè)施、建筑、電子、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展，并針對應(yīng)用中存在問題提出了解決方案。

聚氨酯；塑膠場地；軌道交通；密封膠

引 言

聚氨酯彈性體(PUE)是彈性體中比較特殊的一類材料，其綜合性能出眾，包括良好的機(jī)械性能，優(yōu)異的耐磨、耐油和耐低溫等性能，因而被廣泛應(yīng)用于輕紡、建筑、醫(yī)療等行業(yè)中[1]。聚氨酯彈性體的制備工藝通常是將預(yù)聚體與熔融的二醇或二胺混合，然后經(jīng)過高溫熟化成型。但是，對于一些大型制件、形狀復(fù)雜或需現(xiàn)場澆注的制品，不宜采用熱澆注熱硫化工藝，如，煤礦井下冷補(bǔ)電纜、灌封材料等，因無法保障制品熟化所需要的溫度條件，所以需要使用室溫澆注固化工藝[2-3]。

近年來，室溫固化聚氨酯彈性體已成為我國聚氨酯界的研究熱點(diǎn)[4-5]。如，山東一諾威聚氨酯有限公司合成的雙組份室溫固化聚氨酯彈性體，用作海底灌封材料；中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所公布的“一種用于固體藥包覆的室溫固化聚氨酯組合料的合成方法”專利等。室溫固化聚氨酯彈性體因其節(jié)約能源、操作方便、適應(yīng)環(huán)保要求、可為終端產(chǎn)品提供更佳的性價比而越來越受到人們的重視，因而應(yīng)用也越來越廣泛，如，建筑用室溫固化聚氨酯密封膠、電子用封裝材料、軌道交通用阻尼材料、防水涂料以及橡塑運(yùn)動場地等。

1 室溫固化聚氨酯彈性體的應(yīng)用進(jìn)展

室溫固化聚氨酯的應(yīng)用領(lǐng)域很多，本文就其在體育設(shè)施、建筑領(lǐng)域、電子灌封材料、交通方面以及其他方面的應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1) 體育設(shè)施

室溫固化聚氨酯在體育器材方面的應(yīng)用除了運(yùn)動器材(如，籃球架)等外，更多的用于塑膠跑道。為改進(jìn)傳統(tǒng)的TDI、MOCA體系的塑膠跑道，郭凱等[6]采用同時添加TDI和MDI的方法(先添加TDI參與封端反應(yīng)，再利用MDI提供游離—NCO集團(tuán))，來解決聚醚多元醇、TDI、MOCA等合成的傳統(tǒng)雙組分體系的聚氨酯用塑膠跑道中游離的二異氰酸酯(TDI)和重金屬催化劑對人類身體健康造成危害的問題。

隨著人們整體生活水平的提高和我國聚氨酯工業(yè)的發(fā)展，塑膠跑道技術(shù)也將呈現(xiàn)新局面，MDI將完全替代TDI，且納米技術(shù)、共混技術(shù)及許多新型材料的出現(xiàn)將會推動我國塑膠跑道的進(jìn)一步發(fā)展。塑膠跑道將朝著更高性能、更加環(huán)保健康等方向發(fā)展。王新靈等[7]采用蒙脫土納米改性和納米二氧化硅(SiO2)改性聚氨酯彈性體材料，來克服傳統(tǒng)聚氨酯塑膠跑道中甲苯二異氰酸酯(TDI)有毒以及二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)用前必須加熱熔化成液體，且不利于其操作等缺點(diǎn)，同時，納米改性聚氨酯塑膠跑道可以成倍地提升聚氨酯跑道的斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度，且其優(yōu)良的壓縮恢復(fù)率和回彈值也是普通聚氨酯塑膠跑道無法比擬的。

2) 建筑領(lǐng)域

室溫固化聚氨酯在建筑上的應(yīng)用多為膠黏劑、密封膠和涂料等，從生產(chǎn)工藝來看，分為雙組分和單組分，在簡化操作的基礎(chǔ)上滿足更多的性能需求?，F(xiàn)以膠黏劑和密封膠舉例說明。

在建筑用膠粘劑方面，Peyman Najafi Moghadam[8]等用蓖麻油等合成的可再生聚酯多元醇、聚丙二醇、丁二醇、MDI和催化劑在無溶劑條件下合成的雙組分聚氨酯木材膠黏劑(其中，—NCO/—OH為1.3)具有良好的黏結(jié)強(qiáng)度；鑒于雙組分膠黏劑配制的復(fù)雜，宮濤等[9]以多亞甲基多苯基多異氰酸酯、聚丙二醇和2,2，-二嗎啉二乙基醚為主要原料合成了一種木材用單組分濕固化聚氨酯膠黏劑，在室溫下固化速度快，粘接性能優(yōu)異。

在建筑用密封膠方面，為解決實(shí)際應(yīng)用時固化過程中的起泡問題，李波等[10]采用聚醚多元醇N220、330N，MDI和滑石粉、碳酸鈣填料以及惡唑烷類潛固化劑制得的潛固化型單組分聚氨酯密封膠，其抑泡效果較好。由于普通聚氨酯密封膠的主體材料一般是多元醇與多異氰酸酯反應(yīng)合成的聚合物，大都是由碳、氫、氧等元素組成，具有可燃性，對環(huán)境及人體安全具有潛在威脅，為此，王玉東等[11]用阻燃型原料、增塑劑和填料納米MgOH制得阻燃型單組分聚氨酯密封膠。結(jié)果表示，將有機(jī)和無機(jī)阻燃劑合理配合，制成了達(dá)到難燃級的單組分聚氨酯密封膠，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足用戶要求，且貯存穩(wěn)定性良好。

3) 電子灌封材料

灌封膠多用于電子元器件的粘接、密封、灌封和涂覆保護(hù)，是一種不可缺少的重要絕緣材料，也是目前的研究熱點(diǎn)，如，山西省化工研究所郭秀鵬[12]等以四氫呋喃環(huán)氧丙烷共聚醚、PTMG和TDI和擴(kuò)鏈劑MOCA制備了適合電器、電子元件灌封的室溫固化聚氨酯灌封膠，且當(dāng)—NCO含量為7.7%～8.2%，催化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時具有較好的力學(xué)性能。

由于電子元器件在灌封后的使用過程中，有可能受到震動、沖擊，同時具有較高電壓，因此需要灌封材料具有較高的強(qiáng)度、彈性、較高的體積電阻以及在受到外界力作用時低內(nèi)耗等特性。袁振[13]等在使用傳統(tǒng)預(yù)聚體工藝下，通過80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚四氫呋喃醚二醇與20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))聚酯多元醇進(jìn)行復(fù)配作為聚氨酯彈性體軟段聚合物，且—NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.5%時，與MOCA反應(yīng)固化成型得到一種高強(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度為56 MPa、撕裂強(qiáng)度為120 kN/cm)、低內(nèi)耗(內(nèi)耗峰峰高tanδ=0.224)的聚氨酯灌封膠，適用于高振動工況條件下電子元器件的灌封。

另外，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，專利CN 104861919[14]公布了一種可長期儲存且不沉降的灌封膠的制備方法；專利CN 10217417[15]制備一種可用于光學(xué)元器件、太陽能電池板等的無氣泡、耐黃變聚氨酯電子灌封膠。

4) 交通方面

聚氨酯在交通領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，尤其是近些年快速發(fā)展的高速鐵路、城市軌道、航空領(lǐng)域中的應(yīng)用日漸豐富，并將成為研究的熱點(diǎn)。

a) 高鐵方面

目前，聚氨酯在高速鐵路中的應(yīng)用主要有無砟軌道灌封填充、道砟膠等。如，天津市合成材料工業(yè)研究所有限公司研制的Ⅰ型嵌縫膠，主要用于高速鐵路軌道板伸縮縫等，綠色環(huán)保，現(xiàn)場澆筑任何復(fù)雜部位都易施工，固化后性能優(yōu)異，并已在蘭新鐵路的得到了成功的應(yīng)用[16]。

根據(jù)高速鐵路伸縮縫強(qiáng)沖擊和大變形的特點(diǎn)，李冬梅等[17]合成了一種具有適宜的拉伸強(qiáng)度、高伸長率、高黏結(jié)和高回彈的聚氨酯嵌縫膠。結(jié)果表明，采用MDI-3051和自制聚醚為原料，—NCO含量在6%時，所制備的嵌縫膠拉伸強(qiáng)度為1.87 MPa，拉斷伸長率為983%，黏結(jié)強(qiáng)度為1.2 MPa，嵌縫膠性能優(yōu)異，能滿足客運(yùn)專線橋梁混凝土橋面伸縮縫的技術(shù)要求。

高速鐵路的設(shè)計(jì)中有的要求無砟軌道和有砟軌道同時并存，而無砟軌道與有砟軌道的剛度差異較大，而剛度的變換必須借助過渡段均勻的完成，李紅英等[18]制備出在硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%～50%、有機(jī)鉍作催化劑的用于高速鐵路無砟與有砟軌道過渡段性能優(yōu)異的膠粘劑，并成功應(yīng)用于京滬高鐵、黃河大橋以及哈大鐵路等道砟的粘接。

b) 城市軌道方面

近幾年來，城市軌道(包括地鐵和輕軌建設(shè)等)迅速發(fā)展。如何保證在高速條件下減少震動帶來的各種破壞、降低噪聲等問題帶來的困擾成為我國發(fā)展軌道交通的重要課題。

目前，阻尼減震聚氨酯功能材料在軌道交通上的應(yīng)用主要集中在聚氨酯軌枕墊板、聚氨酯扣件墊板和聚氨酯枕木等。黃自華等[19]在R值為1.02，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%的條件下，以MDI、聚醚多元醇以及助劑為原料制備出聚氨酯微孔彈性墊，其動靜剛度比、力學(xué)性能、減震性能都達(dá)到了最好的效果。

聚氨酯枕木是一種采用玻璃纖維增強(qiáng)的聚氨酯微孔彈性體，其各項(xiàng)性能優(yōu)異，具有吸震減噪性能，廣州地鐵4號線和上海地鐵8號線都已部分使用FFU(fiber reinforced foamed urethane)合成枕木，以解決噪聲突出等問題。目前，我國FFU領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)剛剛起步。今后幾年，隨著我國鐵路提速、高等級鐵路的建設(shè)以及城市軌道交通的發(fā)展，必將產(chǎn)生對這種復(fù)合材料的大量需求[20]，這也是室溫固化聚氨酯的研究方向之一。

c) 航空方面

航空用聚氨酯面漆是航空飛行器必不可少的輔助材料，不僅具有裝飾作用，更重要的是能夠?qū)娇诊w行器的結(jié)構(gòu)材料起到防護(hù)作用。于獻(xiàn)等[21]以具有優(yōu)異耐磨性和耐候性的聚酯多元醇樹脂為基礎(chǔ)樹脂，100%固體含量且具有優(yōu)異耐候性和耐溫變性的聚己內(nèi)酯多元醇樹脂為改性樹脂，通過多異氰酸酯固化劑、填料及助劑的合理配制，制備了一種耐航空介質(zhì)性、耐磨蝕性、耐低溫性、耐高低溫交變性以及耐霉菌性更加優(yōu)異的聚氨酯面漆。

隨著環(huán)保觀念的深入，在生產(chǎn)與施工時如何有效地減少可揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)的排放已成為當(dāng)前航空涂料業(yè)面臨的嚴(yán)峻問題。國外已開始使用高固體分航空涂料產(chǎn)品來減少VOC的排放，但國內(nèi)仍以進(jìn)口為主。為研制一種施工固體含量高且綜合性能優(yōu)異的國產(chǎn)高固體分航空涂料，周如東等[22]用聚酯、混合溶劑和二氧化鈦顏料等為A組分，100%固體含量的HDI三聚體為B組分，按n(-OH)∶n(-NCO)=1.00∶1.15混合制得高固體分聚氨酯航空涂料，在保證涂料高施工效率與低VOC排放的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決了涂料在應(yīng)用過程中存在的干燥時間較長，適用期限較短，施工時易產(chǎn)生縮孔、橘皮等問題。

5) 其他應(yīng)用

室溫固化聚氨酯在醫(yī)療等方面也有很廣泛的應(yīng)用，如，生物黏合劑、醫(yī)用滲析膜和醫(yī)用膠管等。方志薇[23]等研制出了不含苯環(huán)的醫(yī)用聚氨酯新型室溫固化劑，發(fā)現(xiàn)其與MOCA作交聯(lián)劑的反應(yīng)產(chǎn)物性能相近，可代替MOCA使用。

在其他方面，Minxuan Ni[24]等合成了雙組分聚氨酯快速固化γ射線屏蔽材料，其在核電站的維護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用前景，對防止工人輻射損傷可能具有重要意義；Janusz Kozakiewicz[25]等合成的聚硅氧烷-聚氨酯脲彈性體薄膜在鋰電池應(yīng)用方面具有潛在的前景。

2 展望

室溫固化聚氨酯因其操作方便、節(jié)能環(huán)保所以其應(yīng)用非常廣泛。為繼續(xù)拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)大用量還應(yīng)解決存在的一些問題。如，降低成本凸顯性能優(yōu)勢，盡管聚氨酯彈性體在性能上有較強(qiáng)優(yōu)勢，但由于原材料成本高，一定程度上限制了其的用量。再則，室溫固化聚氨酯多在戶外施工，施工的質(zhì)量好壞極大地影響著工程的質(zhì)量。因此，不斷完善專業(yè)化的戶外施工工藝設(shè)備是保證戶外施工材料質(zhì)量的保證。另外，還要不斷加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，通過必要的改性手段，滿足施工和應(yīng)用環(huán)境的苛刻要求。

縱觀國內(nèi)，室溫固化聚氨酯產(chǎn)品林林總總品種很多，但與國外的同類產(chǎn)品相比尚有差距，爭取趕超國外水平，使其走向世界應(yīng)是研發(fā)工作者共同的目標(biāo)和方向。

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Application progress of room temperature curing polyurethane elastomer

ZHAO Tingwu1, LI Sisi2

(1.Shanxi Chemical Research Institute Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030021, China； 2.College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China)

In this paper, the application and research progress of room temperature curing polyurethane elastomers in sports facilities, construction, electronics, transportation and other fields are reviewed.The suggestions are provided in view of the problems existing in the application.

polyurethane; plastic site; rail transit; sealant

2017-04-23

趙廷午，男，1963年出生，1985年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，高級工程師，從事聚氨酯彈性體材料及制品等的研發(fā)和生產(chǎn)工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.07

TQ323.8

A

1004-7050(2017)04-0021-04

綜述與論壇