高柔韌性聚氨酯復合材料在衛(wèi)生潔具中的運用

謝偉藩 謝振武

摘 要：本文簡要闡述了新型聚氨酯材料運用在潔具產品中需要關注和解決的一些技術難點，并進行了相應的分析，分析指出方案的技術創(chuàng)新點。

關鍵詞：改性聚氨酯;噴射發(fā)泡技術;活性反應型增強劑

1 前 言

2007年中國建筑裝飾協會《建筑裝飾行業(yè)實現資源節(jié)約型和環(huán)境友好型工程建設指南》中突出強調建筑裝飾過程中要節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)境保護。建筑家居是節(jié)能環(huán)保工作的重要組成部分，全面推進建筑家居的節(jié)能環(huán)保，有利于保證國民經濟持續(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”，實現“由制造大國向創(chuàng)新大國”的轉變?yōu)橹笇枷?，實現“節(jié)能、環(huán)保、節(jié)水、清潔安全”的發(fā)展目標，將是我國衛(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。

潔具行業(yè)的技術創(chuàng)新除了產品的外觀設計外，更重要的是開發(fā)性能優(yōu)異的制作材料。就目前國內的浴缸產品而言，主要有搪瓷鋼板、搪瓷鑄鐵、玻璃纖維增強塑料（FRA）和聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA）板等材料，其中以PMMA/ FRA復合而成的壓克力為主。近幾年來，節(jié)能環(huán)保型聚氨酯高分子復合材料開始在衛(wèi)生潔具產品中運用，德國Keramag 公司推出新款F1 浴缸，我國浙江格魯斯集團也生產了系列氨酯復合材料潔具用品。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，取代傳統(tǒng)的材質打造時尚家居潔具產品，必將成為行業(yè)未來發(fā)展的趨勢。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)關注的關鍵技術難題。本文通過文獻檢索和專利分析，對高柔韌性聚氨酯復合材料在研發(fā)中的技術難點和提出了初步的見解和方案，與讀者一起探討聚氨酯新材料復合性能單一的或協同的變化機理，初步建立復合材料性能改變的理認體系。

2 重點研發(fā)技術關鍵點

2.1 新型聚氨酯潔具材料的分子設計與合成

調控有機中間體單元結構，設計和合成液態(tài)反應型性能增強劑，將其通過化學作用引入到聚氨酯高分子的主鏈或側基，賦予潔具材料本質高效的節(jié)能、節(jié)水、阻燃功能，是項目真正得以實現的前提條件;基于降低成本的要求，需完善并嚴格控制反應過程中的工藝條件。

2.2 纖維增強基改性聚氨酯潔具材料技術

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，是解決復配產品的穩(wěn)定性、相容性、抗熔滴性的關鍵;此外參與復配增強基材料的化學成份、結構對改性的聚氨酯復合材料柔韌性也極為重要。

2.3 噴射發(fā)泡技術及其生產工藝的研發(fā)

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

2.4 新型聚氨酯潔具復合材料物化性能機理的研究

利用多種現代儀器和方法，探討復合材料微觀物相及宏觀性能變化關系;探索節(jié)能、節(jié)水、阻燃、柔韌性等多種物化性能相互協同變化規(guī)律，以及可能發(fā)生的新穎物理和化學現象;揭示新型衛(wèi)生潔具用復合材料高溫摻水時液相、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，是項目真正得以順利進行的關鍵。

3 研究開發(fā)內容

3.1 活性反應型增強劑的合成

選擇環(huán)狀剛性和鏈狀軟性有機結構單元，分別合成具有不同類型活性基團的中間體;以實驗為先導，計算機輔助設計，定向構筑系列含-OH、-NH2、-COOH等多形式的多元活性基團的有機環(huán)保型液態(tài)反應型增強劑。

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的有機液態(tài)反應型增強劑，選擇快速反應的和慢速反應的聚醚或聚酯多元醇，以及異氰酸酯，通過化學作用將有機液態(tài)反應型增強助劑引入到聚氨酯聚合物的主鏈或側基，構筑具有高效本質的節(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 纖維增強基對聚氨酯新型潔具材料的復配改性

合理選擇高柔韌性的無機或有機纖維材料作復合增強基，采用機械分散的物理方法，復配改性聚氨酯節(jié)能節(jié)水新材料，探討無機增強基尺寸大小、化學結構、復合量比等因素對聚氨酯聚合物材料柔韌性、光亮強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，促進劑等補助試劑，采用機械法，直接噴射發(fā)泡。敞開模型，計量注入，完善新型聚氨酯復合材料噴射發(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 結構表征和物化性能測試

用現代物理儀器對所合成的有機反應型增強助劑進行結構表征;聚氨酯復合材料性能包括導熱系數、吸水率、拉伸斷裂伸長率、阻燃等級及其其它力學方面，測試結果可分析聚氨酯復合材料節(jié)能、節(jié)水、柔韌性、阻燃等性能的影響因素，以及纖維增強基對聚氨酯復配時相容性、穩(wěn)定性等變化規(guī)律。

3.6 聚氨酯潔具材料性能改進機理的研究

基于復合材料電鏡、X衍射、熱重等現代儀器分析，通過揭示復合材料微觀物相及宏觀性能變化關系，初步探討復合材料化學成份的量比、聚合物中的化學環(huán)境、纖維增強基對聚氨酯復配時的微觀結構變化，來研究新型聚氨酯潔具材料多重物化性能改進的作用機理。

4 技術要點分析與討論

4.1 研究方法

（1）逐步合成和片段組合相結合的有機合成法。

在合適的條件（溫度、酸度、溶劑等體系）下，分別合成活性有機中間體、反應型增強劑、聚醚多元醇、聚酯多元醇;將有機中間體、反應型增強劑、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的節(jié)能、節(jié)水、阻燃新型聚氨酯衛(wèi)生潔具材料。

（2）機械分散的物理方法。

將無機或有機纖維增強基體采用機械分散法復配到聚氨酯高分子中，改性聚合物高分子材料的物化性能，實現聚氨酯復合材料高柔韌性的目的。

（3）噴射發(fā)泡法。

敞開反應體系，配入起泡劑，促進劑，防老劑，增稠劑，填充劑和氧化劑，直接機械打泡，計量注入，噴射發(fā)泡，得到高柔韌性聚氨酯新型衛(wèi)生潔具復合材料。

（4）結構表征方法。

用紅外、紫外、核磁、質譜、凝膠等色譜解析方法對中間體及聚氨酯聚合物進行初步的化學成分與結構表征;用X-射線結構分析方法測定聚合物的空間結構;用熱重和電鏡等多種現代儀器分析方法跟蹤聚氨酯復合材料微觀結構以及高溫摻水時連續(xù)系列變化規(guī)律，揭示復合材料在高溫摻水時液相、凝聚相、中斷熱交換方面單一的或協同的性能變化機理。

（5）性能測試方法。

重點利用光譜解析，化學反應動力學、熱力學，晶體學、材料學等學科的相關知識跟蹤聚氨酯復合材料高溫摻水時化學結構、物理環(huán)境的變化，研究材料物化性能、單元結構轉換與高溫摻水時化學環(huán)境三體系的協同效應，探討復合材料節(jié)能、節(jié)水、阻燃、柔韌性等多種物化性能單一的或協同的變化機理。相關物化性能評價按照國家標準委托權威檢測結構進行檢測。

4.2 研發(fā)技術路線

5 技術創(chuàng)新點

（1）設計合成特定的聚氨酯結構單元、性能增強結構單元，構筑具有本質高效節(jié)能、節(jié)水、阻燃的聚氨酯新型潔具材料;探討無機或有機纖維增強基體對有機聚氨酯基體進行復配改性技術，賦予聚氨酯復合材料的高柔韌性、高光澤等物化性能。生產的聚氨酯軟體浴缸每1小時泡浴時間水溫僅下降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的和慢速反應的聚醚或聚酯多元醇、物理發(fā)泡劑和化學發(fā)泡劑混配，有效降低泡沫開孔率，調控泡沫制品的密度和性能， 降低并穩(wěn)定體系的導熱系數，開發(fā)出具有新型的聚氨酯節(jié)能節(jié)水潔具復合材料;對聚合物材料進行共聚改性，合理選擇無機纖維增強基體，解決其在聚合物中的分散性、相容性等一系列界面問題。

（3）采用先進的噴射發(fā)泡裝備：電腦編程控制反應，流量自動檢測，配方自動轉換，網絡遠程維修設備;敞開反應體系，計量注入，噴射發(fā)泡，降低生產成本，穩(wěn)定泡沫色彩， 組合料快速固化。

（4）采用多種現代分析技術跟蹤新型潔具復合材料高溫摻水時的動力學過程，探索物化性能、結構單元轉換與化學環(huán)境三因素之間的變化規(guī)律與協同效應，研究復合材料高溫摻水時液相、凝聚相、中斷熱交換，以及復合微觀物相、基體間的量比等多方面單一或協同的作用機理，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。

6 結 語

項目的研發(fā)是通過分子設計，將有機活性結構單元，引入聚氨酯聚合物的主鏈或側基，降低其導熱系數（≤0.022 W/m·K）和吸水率（≤3%），提高阻燃等級（達到V-0級），賦予聚氨酯材料本質的高效節(jié)能、節(jié)水及阻燃防火的特性;用無機或有機纖維增強基體進行復配改性，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)泡和產品工藝技術，開發(fā)出高柔韌性聚氨酯新型高效節(jié)能節(jié)水的潔具復合材料，最終實現聚氨酯新材料在衛(wèi)生潔具類軟體浴缸產品的產業(yè)化。研發(fā)產品軟體浴缸，相比普通浴缸，節(jié)能15%，每小時泡浴時間水溫僅下降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，社會與經濟效益極為顯著。