高柔韌性聚氨酯復(fù)合材料在衛(wèi)生潔具中的運(yùn)用

謝偉藩 謝振武

摘 要：本文簡(jiǎn)要闡述了新型聚氨酯材料運(yùn)用在潔具產(chǎn)品中需要關(guān)注和解決的一些技術(shù)難點(diǎn)，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析，分析指出方案的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：改性聚氨酯;噴射發(fā)泡技術(shù);活性反應(yīng)型增強(qiáng)劑

1 前 言

2007年中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)《建筑裝飾行業(yè)實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型工程建設(shè)指南》中突出強(qiáng)調(diào)建筑裝飾過(guò)程中要節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護(hù)。建筑家居是節(jié)能環(huán)保工作的重要組成部分，全面推進(jìn)建筑家居的節(jié)能環(huán)保，有利于保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定快速發(fā)展，改善人民生活和健康環(huán)境。作為建筑裝飾行業(yè)的組成部分衛(wèi)生潔具行業(yè)，將以“做大做強(qiáng)”，實(shí)現(xiàn)“由制造大國(guó)向創(chuàng)新大國(guó)”的轉(zhuǎn)變?yōu)橹笇?dǎo)思想，實(shí)現(xiàn)“節(jié)能、環(huán)保、節(jié)水、清潔安全”的發(fā)展目標(biāo)，將是我國(guó)衛(wèi)生潔具行業(yè)今后可持續(xù)健康發(fā)展的長(zhǎng)期和重要任務(wù)。

潔具行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新除了產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)外，更重要的是開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的制作材料。就目前國(guó)內(nèi)的浴缸產(chǎn)品而言，主要有搪瓷鋼板、搪瓷鑄鐵、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（FRA）和聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA）板等材料，其中以PMMA/ FRA復(fù)合而成的壓克力為主。近幾年來(lái)，節(jié)能環(huán)保型聚氨酯高分子復(fù)合材料開(kāi)始在衛(wèi)生潔具產(chǎn)品中運(yùn)用，德國(guó)Keramag 公司推出新款F1 浴缸，我國(guó)浙江格魯斯集團(tuán)也生產(chǎn)了系列氨酯復(fù)合材料潔具用品。聚氨酯材料因其節(jié)能、節(jié)水、成本低、附加值高、健康舒適、性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，取代傳統(tǒng)的材質(zhì)打造時(shí)尚家居潔具產(chǎn)品，必將成為行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。但聚氨酯作為有機(jī)物具有高溫易燃、易開(kāi)裂，以及光澤度低的特性，是行業(yè)關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)難題。本文通過(guò)文獻(xiàn)檢索和專利分析，對(duì)高柔韌性聚氨酯復(fù)合材料在研發(fā)中的技術(shù)難點(diǎn)和提出了初步的見(jiàn)解和方案，與讀者一起探討聚氨酯新材料復(fù)合性能單一的或協(xié)同的變化機(jī)理，初步建立復(fù)合材料性能改變的理認(rèn)體系。

2 重點(diǎn)研發(fā)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 新型聚氨酯潔具材料的分子設(shè)計(jì)與合成

調(diào)控有機(jī)中間體單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和合成液態(tài)反應(yīng)型性能增強(qiáng)劑，將其通過(guò)化學(xué)作用引入到聚氨酯高分子的主鏈或側(cè)基，賦予潔具材料本質(zhì)高效的節(jié)能、節(jié)水、阻燃功能，是項(xiàng)目真正得以實(shí)現(xiàn)的前提條件;基于降低成本的要求，需完善并嚴(yán)格控制反應(yīng)過(guò)程中的工藝條件。

2.2 纖維增強(qiáng)基改性聚氨酯潔具材料技術(shù)

合理選擇合適的無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維類型，增強(qiáng)基量比、粒度大小、以及增強(qiáng)基在有機(jī)乳液中的分散方式，是解決復(fù)配產(chǎn)品的穩(wěn)定性、相容性、抗熔滴性的關(guān)鍵;此外參與復(fù)配增強(qiáng)基材料的化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)對(duì)改性的聚氨酯復(fù)合材料柔韌性也極為重要。

2.3 噴射發(fā)泡技術(shù)及其生產(chǎn)工藝的研發(fā)

潔具底座部分采用微孔硬質(zhì)整體蒙皮成型;中間主體部分采用半硬質(zhì)或軟質(zhì)聚氨酯噴射和短纖維噴射結(jié)合成型，以及組合料快速固化是實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的復(fù)合材料色彩穩(wěn)定，抗老化性的重要環(huán)節(jié);模具的澆鑄或焊接技術(shù)，以及模體在空氣中的敞開(kāi)固化，連續(xù)噴射發(fā)泡，是實(shí)現(xiàn)聚氨酯軟體浴缸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

2.4 新型聚氨酯潔具復(fù)合材料物化性能機(jī)理的研究

利用多種現(xiàn)代儀器和方法，探討復(fù)合材料微觀物相及宏觀性能變化關(guān)系;探索節(jié)能、節(jié)水、阻燃、柔韌性等多種物化性能相互協(xié)同變化規(guī)律，以及可能發(fā)生的新穎物理和化學(xué)現(xiàn)象;揭示新型衛(wèi)生潔具用復(fù)合材料高溫?fù)剿畷r(shí)液相、凝聚相、中斷熱交換，以及微觀物相、量比等多方面單一或協(xié)同的作用機(jī)理，為合成理想的衛(wèi)生潔具聚氨酯軟體材料提供堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)，是項(xiàng)目真正得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

3 研究開(kāi)發(fā)內(nèi)容

3.1 活性反應(yīng)型增強(qiáng)劑的合成

選擇環(huán)狀剛性和鏈狀軟性有機(jī)結(jié)構(gòu)單元，分別合成具有不同類型活性基團(tuán)的中間體;以實(shí)驗(yàn)為先導(dǎo)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，定向構(gòu)筑系列含-OH、-NH2、-COOH等多形式的多元活性基團(tuán)的有機(jī)環(huán)保型液態(tài)反應(yīng)型增強(qiáng)劑。

3.2 環(huán)保型聚氨酯節(jié)能節(jié)水新材料的制備

基于含多元活性基團(tuán)的有機(jī)液態(tài)反應(yīng)型增強(qiáng)劑，選擇快速反應(yīng)的和慢速反應(yīng)的聚醚或聚酯多元醇，以及異氰酸酯，通過(guò)化學(xué)作用將有機(jī)液態(tài)反應(yīng)型增強(qiáng)助劑引入到聚氨酯聚合物的主鏈或側(cè)基，構(gòu)筑具有高效本質(zhì)的節(jié)能節(jié)水聚氨酯新型聚合物材料， 賦予衛(wèi)生潔具材料節(jié)能、節(jié)水、阻燃、環(huán)保多重功效。

3.3 纖維增強(qiáng)基對(duì)聚氨酯新型潔具材料的復(fù)配改性

合理選擇高柔韌性的無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維材料作復(fù)合增強(qiáng)基，采用機(jī)械分散的物理方法，復(fù)配改性聚氨酯節(jié)能節(jié)水新材料，探討無(wú)機(jī)增強(qiáng)基尺寸大小、化學(xué)結(jié)構(gòu)、復(fù)合量比等因素對(duì)聚氨酯聚合物材料柔韌性、光亮強(qiáng)度等物化性能的影響;賦予環(huán)保型聚氨酯節(jié)能節(jié)水新型復(fù)合材料的高柔韌性、高光澤的物化性能。

3.4 聚氨酯潔具材料噴射發(fā)泡成型工藝的研究

聚氨酯聚合物發(fā)泡方法采用噴射發(fā)泡法。選用合適的起泡劑，促進(jìn)劑等補(bǔ)助試劑，采用機(jī)械法，直接噴射發(fā)泡。敞開(kāi)模型，計(jì)量注入，完善新型聚氨酯復(fù)合材料噴射發(fā)泡成型的工藝條件，賦予聚氨酯軟體浴缸成型固化后底座高硬度以及中間體高柔軟性的特性。

3.5 結(jié)構(gòu)表征和物化性能測(cè)試

用現(xiàn)代物理儀器對(duì)所合成的有機(jī)反應(yīng)型增強(qiáng)助劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征;聚氨酯復(fù)合材料性能包括導(dǎo)熱系數(shù)、吸水率、拉伸斷裂伸長(zhǎng)率、阻燃等級(jí)及其其它力學(xué)方面，測(cè)試結(jié)果可分析聚氨酯復(fù)合材料節(jié)能、節(jié)水、柔韌性、阻燃等性能的影響因素，以及纖維增強(qiáng)基對(duì)聚氨酯復(fù)配時(shí)相容性、穩(wěn)定性等變化規(guī)律。

3.6 聚氨酯潔具材料性能改進(jìn)機(jī)理的研究

基于復(fù)合材料電鏡、X衍射、熱重等現(xiàn)代儀器分析，通過(guò)揭示復(fù)合材料微觀物相及宏觀性能變化關(guān)系，初步探討復(fù)合材料化學(xué)成份的量比、聚合物中的化學(xué)環(huán)境、纖維增強(qiáng)基對(duì)聚氨酯復(fù)配時(shí)的微觀結(jié)構(gòu)變化，來(lái)研究新型聚氨酯潔具材料多重物化性能改進(jìn)的作用機(jī)理。

4 技術(shù)要點(diǎn)分析與討論

4.1 研究方法

（1）逐步合成和片段組合相結(jié)合的有機(jī)合成法。

在合適的條件（溫度、酸度、溶劑等體系）下，分別合成活性有機(jī)中間體、反應(yīng)型增強(qiáng)劑、聚醚多元醇、聚酯多元醇;將有機(jī)中間體、反應(yīng)型增強(qiáng)劑、聚醚多元醇、聚酯多元醇以及聚異氰酸酯分階段片段組合成本質(zhì)的節(jié)能、節(jié)水、阻燃新型聚氨酯衛(wèi)生潔具材料。

（2）機(jī)械分散的物理方法。

將無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維增強(qiáng)基體采用機(jī)械分散法復(fù)配到聚氨酯高分子中，改性聚合物高分子材料的物化性能，實(shí)現(xiàn)聚氨酯復(fù)合材料高柔韌性的目的。

（3）噴射發(fā)泡法。

敞開(kāi)反應(yīng)體系，配入起泡劑，促進(jìn)劑，防老劑，增稠劑，填充劑和氧化劑，直接機(jī)械打泡，計(jì)量注入，噴射發(fā)泡，得到高柔韌性聚氨酯新型衛(wèi)生潔具復(fù)合材料。

（4）結(jié)構(gòu)表征方法。

用紅外、紫外、核磁、質(zhì)譜、凝膠等色譜解析方法對(duì)中間體及聚氨酯聚合物進(jìn)行初步的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)表征;用X-射線結(jié)構(gòu)分析方法測(cè)定聚合物的空間結(jié)構(gòu);用熱重和電鏡等多種現(xiàn)代儀器分析方法跟蹤聚氨酯復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)以及高溫?fù)剿畷r(shí)連續(xù)系列變化規(guī)律，揭示復(fù)合材料在高溫?fù)剿畷r(shí)液相、凝聚相、中斷熱交換方面單一的或協(xié)同的性能變化機(jī)理。

（5）性能測(cè)試方法。

重點(diǎn)利用光譜解析，化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)，晶體學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的相關(guān)知識(shí)跟蹤聚氨酯復(fù)合材料高溫?fù)剿畷r(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理環(huán)境的變化，研究材料物化性能、單元結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與高溫?fù)剿畷r(shí)化學(xué)環(huán)境三體系的協(xié)同效應(yīng)，探討復(fù)合材料節(jié)能、節(jié)水、阻燃、柔韌性等多種物化性能單一的或協(xié)同的變化機(jī)理。相關(guān)物化性能評(píng)價(jià)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委托權(quán)威檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 研發(fā)技術(shù)路線

5 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）設(shè)計(jì)合成特定的聚氨酯結(jié)構(gòu)單元、性能增強(qiáng)結(jié)構(gòu)單元，構(gòu)筑具有本質(zhì)高效節(jié)能、節(jié)水、阻燃的聚氨酯新型潔具材料;探討無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維增強(qiáng)基體對(duì)有機(jī)聚氨酯基體進(jìn)行復(fù)配改性技術(shù)，賦予聚氨酯復(fù)合材料的高柔韌性、高光澤等物化性能。生產(chǎn)的聚氨酯軟體浴缸每1小時(shí)泡浴時(shí)間水溫僅下降2度;柔軟富有彈性、安全不易滑倒;吸水率小于3%，節(jié)水效果好。

（2）選擇合適的快速反應(yīng)的和慢速反應(yīng)的聚醚或聚酯多元醇、物理發(fā)泡劑和化學(xué)發(fā)泡劑混配，有效降低泡沫開(kāi)孔率，調(diào)控泡沫制品的密度和性能， 降低并穩(wěn)定體系的導(dǎo)熱系數(shù)，開(kāi)發(fā)出具有新型的聚氨酯節(jié)能節(jié)水潔具復(fù)合材料;對(duì)聚合物材料進(jìn)行共聚改性，合理選擇無(wú)機(jī)纖維增強(qiáng)基體，解決其在聚合物中的分散性、相容性等一系列界面問(wèn)題。

（3）采用先進(jìn)的噴射發(fā)泡裝備：電腦編程控制反應(yīng)，流量自動(dòng)檢測(cè)，配方自動(dòng)轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程維修設(shè)備;敞開(kāi)反應(yīng)體系，計(jì)量注入，噴射發(fā)泡，降低生產(chǎn)成本，穩(wěn)定泡沫色彩， 組合料快速固化。

（4）采用多種現(xiàn)代分析技術(shù)跟蹤新型潔具復(fù)合材料高溫?fù)剿畷r(shí)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，探索物化性能、結(jié)構(gòu)單元轉(zhuǎn)換與化學(xué)環(huán)境三因素之間的變化規(guī)律與協(xié)同效應(yīng)，研究復(fù)合材料高溫?fù)剿畷r(shí)液相、凝聚相、中斷熱交換，以及復(fù)合微觀物相、基體間的量比等多方面單一或協(xié)同的作用機(jī)理，為合成新型的衛(wèi)生潔具用聚氨酯材料提供系統(tǒng)的理論依據(jù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

項(xiàng)目的研發(fā)是通過(guò)分子設(shè)計(jì)，將有機(jī)活性結(jié)構(gòu)單元，引入聚氨酯聚合物的主鏈或側(cè)基，降低其導(dǎo)熱系數(shù)（≤0.022 W/m·K）和吸水率（≤3%），提高阻燃等級(jí)（達(dá)到V-0級(jí)），賦予聚氨酯材料本質(zhì)的高效節(jié)能、節(jié)水及阻燃防火的特性;用無(wú)機(jī)或有機(jī)纖維增強(qiáng)基體進(jìn)行復(fù)配改性，增大其斷裂延伸率（>4%），賦予聚氨酯材料高柔韌性的物化性能。完善聚氨酯噴射發(fā)泡和產(chǎn)品工藝技術(shù)，開(kāi)發(fā)出高柔韌性聚氨酯新型高效節(jié)能節(jié)水的潔具復(fù)合材料，最終實(shí)現(xiàn)聚氨酯新材料在衛(wèi)生潔具類軟體浴缸產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。研發(fā)產(chǎn)品軟體浴缸，相比普通浴缸，節(jié)能15%，每小時(shí)泡浴時(shí)間水溫僅下降2℃;節(jié)水20%;柔軟舒適，解決了衛(wèi)浴空間的安全隱患;使用壽命增加了5倍，社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益極為顯著。