硬質聚氨酯泡沫塑料的發展及應用

許曉辰

（南京美思德新材料有限公司，江蘇南京 210047）

1849-1850年，Wurtz & Hofmann 發明了異氰酸酯，19世紀30年代在I.G.Farben 公司，以O.Bayer 博士為首的團隊發明了聚氨酯材料。我國聚氨酯工業起始于20世紀50年代末，在20世紀60～70年代已初步形成規模，至今已有60多年的發展史[1]。

聚氨酯（Polyurethane，PU）全稱為聚氨基甲酸酯，是多元醇與異氰酸酯聚合而成的含有重復-NHCOO-基團的化合物。根據多元醇和異氰酸酯的官能團數量的多少，分別可以得到體型和線型兩種不同結構。正是由于分子結構的差異，最終所制得的材料性能也不同，因此聚氨酯可以制備泡沫塑料、膠黏劑、涂料、橡膠等不同材料[2]。

1 聚氨酯泡沫概述

聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯的主要品種之一，按照發泡方式進行分類，可分為塊狀發泡、模塑發泡、噴涂發泡等；按照其合成時所用的多元醇品種進行分類，可分為聚酯型、聚醚型、生物基型聚氨酯泡沫塑料。通過配方的調整，可制成普通軟質、高回彈、半硬質、硬質聚氨酯泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料的應用范圍廣泛：普通軟質聚氨酯泡沫塑料主要用于家私綿以及工業復合綿；高回彈聚氨酯泡沫塑料主要用于交通工具墊材以及家用墊材；半硬質聚氨酯泡沫塑料主要用于包裝泡沫、汽車頂棚等；硬質聚氨酯泡沫塑料主要用于建筑、冷鏈、管道、仿木制品等領域。

2 硬質聚氨酯泡沫塑料的特點分析

2.1 極佳絕熱性能，節能保溫

硬質聚氨酯泡沫塑料是具有最低導熱系數的絕熱材料之一。依據組合白料配方中的發泡劑品種不同，硬質聚氨酯泡沫塑料導熱系數可達到0.018～0.023W/m.K，其保溫效果是紅磚的 30倍，普通混凝土的 13.5倍，相同導熱系數不同保溫材料的厚度對比見圖1。

圖1 相同導熱系數不同保溫材料的厚度對比

2.2 黏合能力較強

硬質聚氨酯泡沫塑料對于木質材料、鋼制材料和其他有機分子制作成的建筑材料都具有良好的黏合能力，常采用噴涂方法將其與基材相連接，用于建筑的屋頂絕熱層或外墻保溫層。實驗證明在風荷載、潮濕、低溫、自重、外部撞擊等多種不利負載因素的作用下，硬質聚氨酯泡沫塑料仍能與基材保持緊密的連接，最大程度避免脫落情況的發生[3]。

2.3 加工性優良

硬質聚氨酯泡沫塑料多為組合白料（多元醇、發泡劑、助劑的混合物）和黑料（異氰酸酯）反應固化所得，其成型方法有手工發泡、澆注發泡、噴涂發泡等。組合白料和黑料均為液體，混合均勻后仍具有一定的流動性，可以制備各種形狀的硬質聚氨酯泡沫塑料制品；另外，通過配方調整，可以提高組合白料和黑料反應性，實現快速固化成型，提高生產效率。

2.4 化學穩定性較好

硬質聚氨酯泡沫塑料在固化后不易與其他化學物質發生反應，其材料本身化學性質也較為穩定，如表1所示。

表1 硬質聚氨酯泡沫塑料和各種化學物質的儲存穩定性

3 硬質聚氨酯泡沫材料的應用分析

3.1 管道

保溫管的結構一般分為三層，即表層的保護層、中間的保溫層、內部的防滲漏層，主要用于輸油、輸氣、供熱等方面。

目前我國的北方城市已采取了城市集中供熱，供熱管線長，輸送距離遠；另外，供熱管道一般直接埋在地下，不宜采用地溝和架空的形式。因此，供熱管道的保溫層必須采用隔熱性好、不易吸潮、使用壽命長的保溫材料制造城市集中預制[2]。

硬質聚氨酯泡沫塑料具有機械強度高、絕熱性好、吸水率低、耐熱性好的特點，用于管道保溫層能有效進行保溫隔熱，減少在輸送過程中的能量消耗，提高地下直埋管道的防潮性，也為用戶節約了能源，從而降低了成本。

另外，為提高硬質聚氨酯泡沫塑料的長期耐溫性能，通常采用聚異氰脲酸酯改性，改善長期高溫條件對泡沫性能的影響，從而延長保溫層的使用壽命。

3.2 仿木制品

硬質聚氨酯泡沫塑料具有熱固化性能，在沒有固化前，可以對其進行加工，塑造成各種形狀。高密度的硬質聚氨酯聚氨酯泡沫被稱為仿木材料，具有剛性高，機械強度好，結構致密、工藝簡單、抗腐蝕等特點，外觀與手感接近木材，可刨、鋸、鉆及雕花造型[2]，可代替木材使用。

仿木材料可用作雕刻裝飾品如相框、裝飾條、浮雕、羅馬柱等；可用于家具如桌椅、鏡框、化妝臺、衣架等[2]。

3.3 冷鏈設備

冷鏈設備包括冷庫、冰箱、冷藏車、冷藏箱等，用于保證產品（食品、藥品、原料等）在儲存、運輸、銷售、使用各個環節始終處于產品所必需的特定低溫環境。因此，冷鏈設備對保溫層材料的絕熱性能有很高的要求。

硬質聚氨酯泡沫塑料具有導熱系數低，強度好，質量輕的特點，可以滿足冷鏈設備的使用需求。

冰箱、冷柜使用硬質聚氨酯泡沫塑料作絕熱層可以降低能耗；另外，在其外部尺寸一定的情況下，可以增加有效容積并減輕整體重量。

選用以硬質聚氨酯泡沫塑料為芯材的復合夾心板，可組裝不同容積的冷庫，搭建方便、快捷；另外硬質聚氨酯泡沫塑料也可以通過噴涂施工的方式在冷庫內部形成保溫層，快速固化成型。

3.4 建筑

硬質聚氨酯泡沫塑料的吸水率低、絕熱性能好，在建筑行業中廣泛應用于保溫防水領域。

以硬質聚氨酯泡沫塑料為芯材的夾芯板可用于搭建臨時活動板房，施工非常方便，房屋的隔熱性能良好。

硬質聚氨酯泡沫塑料對基材的附著力強，表皮完好的硬質聚氨酯泡沫塑料水蒸氣滲透性很差，防水效果好，可采用噴涂工藝對建筑的外墻、屋頂進行保溫和防水施工。

單組分聚氨酯泡沫填縫劑（簡稱OCF）是一種特殊濕固化硬質聚氨酯泡沫塑料。將聚氨酯預聚體、催化劑、拋射劑等裝入氣霧罐中，當物料從罐中噴出時，與空氣中的水分反應而發泡膨脹并固化。單組分泡沫可用于門框、窗框固定黏接，填縫防水等。

3.5 硬質聚氨酯泡沫塑料的回收再利用

硬質聚氨酯泡沫塑料廢棄后可以進行粉碎后再加工回收利用。最普遍的方法就是黏合加壓成型，其加工過程是將廢泡沫用機械設備壓成粉末，涂上聚氨酯黏合劑，再直接通入蒸汽高溫，使得聚氨酯黏合劑溶解后和粉末攪拌黏合，在固化前通過塑型設備進行塑型，得到黏合板。這種黏合板可用于室內裝修，家具的零部件等多種用途。另外，也可以將廢棄的硬質聚氨酯泡沫塑料壓成粉末后，直接用于填充建筑的縫隙，不但能起到保溫的效果，還能起到隔音的效果。

4 結語

我國是人口大國，能源消耗巨大，而硬質聚氨酯泡沫塑料以其隔熱保溫性好，加工方便等特點被作為一種節能材料廣泛用于建筑、冷鏈等行業，極大地降低了日常生活中的能耗；另外，該材料還可以回收利用，符合我國可持續發展戰略。隨著科技、經濟的發展，硬質聚氨酯泡沫塑料的開發與應用研究仍需不斷深入，以滿足新時期環保、節能領域的更高要求。