淺析聚氨酯復(fù)合材料在衛(wèi)生潔具中的應(yīng)用及前景

陸遠(yuǎn)文 謝振武

摘 要：衛(wèi)生潔具行業(yè)中的節(jié)能節(jié)水問題關(guān)鍵在于潔具材料的選擇，聚氨酯由于其較低的導(dǎo)熱系數(shù)和吸水率，具有極佳的節(jié)能保溫效果，是較理想的潔具材料。但聚氨酯作為有機物具有高溫易燃、易開裂，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。本文從聚氨酯的本質(zhì)改性、纖維增強基復(fù)配、噴射發(fā)泡技術(shù)等方面的研究，與讀者一起探討聚氨酯新材料復(fù)合性能單一的或協(xié)同的變化機理，初步建立復(fù)合材料性能改變的理論體系。

關(guān)鍵詞：纖維增強基;改性聚氨酯;噴射發(fā)泡

1 前 言

節(jié)能環(huán)保是我國目前的基本國策，也是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要舉措。中國能源資源相對缺乏，節(jié)約能源已是刻不容緩。在能源消費結(jié)構(gòu)中，建筑能耗占有重要比重，在我國“十一五”整體規(guī)劃中已明確提出要求住宅建筑和公共建筑嚴(yán)格執(zhí)行節(jié)能50%的標(biāo)準(zhǔn)。其中建筑家居是節(jié)能環(huán)保工作的重要組成部分之一，全面推進(jìn)建筑家居的節(jié)能環(huán)保，有利于保證國民經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定快速發(fā)展，改善人民生活和健康環(huán)境，而衛(wèi)生潔具行業(yè)中的節(jié)能節(jié)水問題關(guān)鍵在于潔具材料的選擇。

目前市場上潔具材質(zhì)有八種：搪瓷、玻璃纖維增強水泥（GRC）、水磨石、陶瓷、玻璃鋼、人造大理石（人造瑪瑙）、聚丙烯酸酯復(fù)合材料、熱塑性塑料。而節(jié)能環(huán)保型聚氨酯作為衛(wèi)生潔具的一種材料只是近幾年出現(xiàn)：德國Keramag公司推出新款F1浴缸，采用了拜耳材料科技公司的聚氨酯材料，由噴射發(fā)泡和微孔硬質(zhì)整體蒙皮成型的泡沫塑料制成。我國浙江格魯斯集團旗下所生產(chǎn)的潔具產(chǎn)品材料主要是由意大利進(jìn)口的目前世界上最低碳環(huán)保最優(yōu)質(zhì)的聚氨酯復(fù)合材料，無毒無害，經(jīng)久耐用不會裂并。

聚氨酯材料是目前所有的有機材料中節(jié)能性能最好的保溫產(chǎn)品之一（幾種保溫材料性能對比見下表1）。聚氨酯具有最佳的節(jié)能保溫效果，其導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.017～0.025 W/m·K，是所有保溫材料的最小值。聚氨酯高分子材料具有較完美的泡孔結(jié)構(gòu)，具有較佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和理化性能。聚氨酯材料是雙組份液體交聯(lián)發(fā)泡，泡體呈熱固性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，閉孔率高，抗壓、抗拉強度大，韌性強，且耐熱穩(wěn)定性好，安全使用溫度達(dá)120℃。聚氨酯聚合物材料因保溫板形變造成的開裂隱患小，同時聚氨酯泡沫防水卻不疏水，其分子鏈存有一定量的-OH基團，與其它有機或無機材料相容性好，極易粘貼復(fù)合。另外，由于聚氨酯高分子材料屬熱固性材料，遇火燃燒后即易形成積炭層，隨著積炭層的增厚，熱量和氧氣傳遞被隔絕，最后形成一個難燃或不燃層，可阻止火焰的進(jìn)一步蔓延，因此聚氨酯材質(zhì)潔具消防安全性相對較好。

2 國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)和現(xiàn)狀

目前我國衛(wèi)生潔具發(fā)展的主要趨勢是： 改變行業(yè)傳統(tǒng)的高投入、高消耗、高排放、低效益的發(fā)展方式，積極推動衛(wèi)生潔具產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排和技術(shù)進(jìn)步，是全行業(yè)今后幾年的重要任務(wù)之一;實現(xiàn)“節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水、節(jié)地、環(huán)保和清潔安全”的發(fā)展目標(biāo)，將是中國衛(wèi)生潔具行業(yè)今后可持續(xù)健康發(fā)展的長期和重要任務(wù)。

潔具行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新除了產(chǎn)品的外觀設(shè)計外，更重要的是開發(fā)適合產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢的新材料。近幾年來，節(jié)能環(huán)保型聚氨酯高分子復(fù)合材料開始在衛(wèi)生潔具產(chǎn)品中得到運用。聚氨酯軟體浴缸在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家備受青睞，德國Keramag公司推出新款F1浴缸采用的主體材料是拜耳材料科技公司制作的聚氨酯材料。聚氨酯典型配方由異氰酸酯、多元醇以及可選擇的泡沫添加劑組成，制作工藝采用聚氨酯噴射系統(tǒng)和微孔硬質(zhì)整體蒙皮成型的泡沫塑料相結(jié)合。浴缸的底座是用Baydur硬質(zhì)聚氨酯整體蒙皮泡沫制造的，固化后，可以承受相當(dāng)大的載荷。該材料可用幾種方法上漆，其高質(zhì)量的表面能滿足現(xiàn)代衛(wèi)浴設(shè)計的所有美學(xué)要求。Baydur的另一特點是極低的吸水性，這意味著浴缸不太會出現(xiàn)“腳部返潮”的情況。底座是在鋁質(zhì)閉模中一次成型的，在設(shè)計中考慮了基座與浴缸上部的連接，保證裝配完好。

在我國采用聚氨酯主體材料制成的潔具產(chǎn)品并不多見，據(jù)市場統(tǒng)計浙江格魯斯集團生產(chǎn)的潔具系列用品其材料主要是采用低碳環(huán)保優(yōu)質(zhì)的聚氨酯復(fù)合材料，且該材料是由意大利進(jìn)口的。其主要方法在亞克力或者凝膠涂料成型后直接利用聚氨酯噴涂得到。該類潔具產(chǎn)品因材料節(jié)能環(huán)保、成本低，附加值高、健康舒適等優(yōu)點，可取代傳統(tǒng)的材質(zhì)打造時尚行業(yè)產(chǎn)品，必將成為家具潔具未來發(fā)展的趨勢。

經(jīng)過相關(guān)文獻(xiàn)和專利的檢索分析，現(xiàn)有的聚氨酯材料技術(shù)主要是對軟體聚氨酯發(fā)泡材料的制備，并未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于浴缸產(chǎn)品的聚氨酯材料的研究報道。涉及使用聚氨酯材料生產(chǎn)制備軟體浴缸的研究報道只有專利權(quán)人秦松林的201110048038.2復(fù)合軟體浴缸、淋浴盆、洗面盆及其制作工藝和宣城市銀河潔具有限責(zé)任公司的200710135572.0一種復(fù)合浴缸和200720042559.6一種復(fù)合浴缸。

專利權(quán)人秦松林的201110048038.2專利涉及到了浴缸、淋浴盆、洗面盆、小便器、拖布池、馬桶、潔身器等產(chǎn)品的制造：復(fù)合軟體浴缸主要由浴缸外殼、軟性聚氨酯發(fā)泡材料、及浴缸內(nèi)層聚氨酯彈性涂層組成。其中浴缸外殼由PMMA等塑制板材制作，作為浴缸的結(jié)構(gòu)支撐。

宣城市銀河潔具有限責(zé)任公司的200710135572.0和200720042559.6兩個專利內(nèi)容相似：公開了一種復(fù)合浴缸及其制作工藝，涉及浴缸的制造。200710135572.0專利說明該復(fù)合浴缸主要由軟材料殼體、外殼及兩者間的聚氨酯材料填充層、纖維粘接層組成，殼體粘接在聚氨酯材料層上，并通過聚氨酯材料層及纖維粘接層與外殼結(jié)合為一體。該復(fù)合浴缸制作工藝的主要特征是：浴缸內(nèi)殼模具為制作軟材料殼體的模具，它可吸附軟材料殼體材料的上模具和下模具;在浴缸的成型流程中，先將聚氨酯液體注入到浴缸外殼內(nèi)，再將吸附作為軟材料殼體的軟體板材的上模具放置在浴缸外殼內(nèi)，讓聚氨酯液體發(fā)泡成為聚氨酯軟體材料層。200720042559.6專利在200710135572.0專利基礎(chǔ)上補充說明復(fù)合浴缸外殼由亞克力板材制作，軟材料殼體可以由PVC人造革或PU人造革或PU合成革制作。

從上分析可知：對于已有的聚氨酯材料制備的浴缸發(fā)明專利，主要集中在產(chǎn)品制作的工藝的改進(jìn)、聚氨酯材料作為浴缸中間體和外觀涂層材料等方面。對高柔韌性聚氨酯材料在節(jié)能節(jié)水型潔具中的運用未有報道。

3 聚氨酯復(fù)合材料潔具產(chǎn)品的優(yōu)越性

（1）工藝簡單，成本低，附加值高

傳統(tǒng)工藝需要打磨、涂底膠，等底膠干透后鋪氈，然后用樹脂手糊，一個浴缸需要重復(fù)3層纖維與樹脂手糊。以1700×1200的浴缸計算，一個工人一天頂多手糊8個，且操作不當(dāng)很容易造成報廢，而采用聚氨酯原料與技術(shù)，無需人工，3 ～ 8 min生產(chǎn)出一個成品，且價格是傳統(tǒng)的4倍，而生產(chǎn)成本卻差不多。

（2）牢固度與外觀好

聚氨酯制成的浴缸經(jīng)國際專家鑒定為浴缸中的保時捷，能確保浴缸至少25年不變質(zhì)，牢固度與外觀美感都非常好。

（3）適應(yīng)生產(chǎn)線與機器人自動化技術(shù)

采用聚氨酯噴涂技術(shù)，改變以往手動操作，為機械化與生產(chǎn)線提供了可行性，產(chǎn)業(yè)由勞動密集型、能源密集型向技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變。

（4）環(huán)保性能好

傳統(tǒng)工藝有樹脂苯乙烯有毒氣體揮發(fā)，而聚氨酯技術(shù)不含苯乙烯與任何有毒氣體與粉塵，廢料可以在任何垃圾場自由處理或者作為再生能源使用。

4 需重點解決的技術(shù)關(guān)鍵問題

4.1 新型聚氨酯潔具材料的分子設(shè)計與合成

調(diào)控有機中間體單元結(jié)構(gòu)，設(shè)計和合成液態(tài)反應(yīng)型性能增強劑，將其通過化學(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，是項目真正得以實現(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)過程中的工藝條件。

4.2 纖維增強基改性聚氨酯潔具材料技術(shù)

合理選擇合適的無機或有機纖維類型，增強基量比、粒度大小、以及增強基在有機乳液中的分散方式，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)配增強基材料的化學(xué)成份、結(jié)構(gòu)對改性的聚氨酯復(fù)合材料柔韌性也極為重要。

4.3 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固化，連續(xù)噴射發(fā)泡，是實現(xiàn)聚氨酯軟體浴缸產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。

4.4 新型聚氨酯潔具復(fù)合材料物化性能機理的研究

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)同的作用機理，為合成理想的衛(wèi)生潔具聚氨酯軟體材料提供堅實的理論指導(dǎo)，是項目真正得以順利進(jìn)行的關(guān)鍵。

5 結(jié) 語

近年來，中國衛(wèi)浴行業(yè)競爭激烈，外資品牌與本土品牌的競爭愈演愈烈，數(shù)量眾多的本土企業(yè)均想發(fā)展壯大，繼續(xù)轉(zhuǎn)變發(fā)展模式。推動技術(shù)創(chuàng)新，促使?jié)嵕弋a(chǎn)品真正融入“節(jié)能、環(huán)保、節(jié)水、清潔安全”的主題，是行業(yè)尋找市場的契合點。潔具材料的選擇是行業(yè)技術(shù)革新的首選，具有本質(zhì)節(jié)能節(jié)水綠色環(huán)保的聚氨酯材料將是衛(wèi)生潔具行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。新興的聚氨酯材料雖被衛(wèi)生潔具行業(yè)看好，但在我國采用聚氨酯主體材料制成的潔具產(chǎn)品并不多見，主要是聚氨酯的本質(zhì)改性、纖維增強基改性聚氨酯、噴射發(fā)泡技術(shù)等生產(chǎn)技術(shù)和工藝還存在難點，需要廣大的技術(shù)人員進(jìn)行攻關(guān)解決，相信在廣大科研工作者的努力下，我們必將實現(xiàn)“節(jié)能、環(huán)保、節(jié)水、清潔、安全”的行業(yè)發(fā)展目標(biāo)。