熱塑性聚氨酯在扶梯扶手帶上的應用與展望

伍菁林

依合斯電梯配件（上海）有限公司（上海 201800）

聚氨酯（PU）是指主鏈中含有氨基甲酸酯基團單元的聚合物，一般是由異氰酸酯（—NCO）和多元醇經過逐步加聚反應生成。其合成最早可以追溯到1937年，拜爾教授以1，6-己二異氰酸酯與1，4-丁二醇為原料，最先合成了直鏈線性聚氨酯樹脂[1]。聚氨酯力學性能優良，具有優良的拉伸強度、斷裂伸長率、耐磨性和耐疲勞性能，在建材、家具家電、汽車、服裝鞋業等各行各業都有著廣泛的應用。聚氨酯主要應用形式為發泡材料、涂料和膠水等，而本文研究的是采用熱塑性彈性體取代橡膠的應用。最接近現代的自動扶梯，最早由喬治·惠勒于1896年發明并申請了專利，至今已有100多年的歷史[2]。但自動扶梯的扶手帶市場一直由橡膠、鋼絲和帆布經過傳統的橡膠模壓成型工藝制成的橡膠扶手帶占據，其截面示意圖如圖1所示。直到1999年，加拿大的羅納德·H·鮑爾才發明了由聚氨酯取代橡膠，采用熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）經擠塑工藝成型的聚氨酯扶手帶。發明之初，聚氨酯扶手帶是在加拿大擠出生產，進口到中國市場，完成拼接后銷售；2012年聚氨酯扶手帶擠出生產線在中國上海投產。目前扶梯行業的扶手帶主要是橡膠扶手帶，一些主流品牌廠商的原裝配套扶手帶采用相當份額的新型聚氨酯扶手帶，其他廠商的原裝扶手帶和維保替換市場還是以橡膠扶手帶為主。

圖1 扶手帶截面示意圖

1 聚氨酯扶手帶的特點

橡膠工業和塑料工業在原理上同屬于高分子科學范疇，但實際加工工藝和制品特點有較大差異。下面從成型工藝和制品的外觀尺寸、理化性能、產品壽命幾個方面并貫穿對實際使用的影響來分析比較聚氨酯扶手帶與傳統橡膠扶手帶的特點。

1.1 成型工藝

傳統的橡膠扶手帶采用模壓硫化成型工藝，需要先將橡膠原料經過輥輪機的輥壓剪切塑煉使其分子鏈展開（以便于后續與其他組分混合），然后按配方與各組分添加劑按比例混合，經過輥輪機進行混煉，使各組分混合均勻，再將外層橡膠、內層橡膠和鋼絲覆蓋膠帶分別擠出預成型，最后將帆布、內層橡膠、鋼絲覆膠帶和外層橡膠依次放入模壓機的模具內加熱，加壓保壓一定時間使其硫化并成型（一次成型的產品長度受限于模具長度），然后不斷模壓，最終制成環形扶手帶成品。聚氨酯扶手帶采用擠塑成型工藝：將干燥后熱塑性彈性體聚氨酯顆粒料和色母粒喂入擠出機，與鋼絲層、帆布共同擠出，一次擠出成型聚氨酯扶手帶。擠出是連續生產工藝，可以一次擠出很長的扶手帶包裝在滾輪上，然后按需要的長度切割，將兩端切開處理，并一起放入模壓機上的模具內，加熱融化成型后冷卻出模即可得到環狀扶手帶成品。一根扶手帶成品只需要模壓一次，并且不需要保壓時間來硫化，只要融化成型即可。因此，聚氨酯扶手帶擠塑成型工藝具有效率高、工時少、能耗少且穩定等優點。

1.2 尺寸外觀

橡膠扶手帶是分段多次模壓成型，由于模具內各部分加工精度和磨損程度不同，會導致尺寸不穩定，以及周期性變化；多次拼接也會導致扶手帶直線度不佳，可能會呈現“Z”型。擠出生產工藝是一個口模連續生產，因此聚氨酯扶手帶具有更好的尺寸穩定性、更好的直線度等尺寸性能。外觀方面：橡膠在混煉時按配方加入了各組分，諸多組分很難完全達到均相穩定分布的狀態，在后續使用過程中，容易產生混合組分析出導致外表面污染的現象；而聚氨酯扶手帶的熱塑性彈性體聚氨酯顆粒料組分比橡膠少，不含硫化體系、補強填充體系等，因此外表面低析出，更加清潔美觀。電梯扶手帶在扶梯中是唯一與人皮膚接觸的產品，扶手帶不僅是承載扶手的功能件，也是扶梯呈現在外部的外觀件，因此聚氨酯扶手帶更加符合扶梯的需求。

1.3 理化性能

聚氨酯力學性能優良，熱塑性彈性體的拉伸強度大約為25～40 MPa，是橡膠的2～3倍。聚氨酯的斷裂伸長率可達500%～900%，也高于大部分橡膠。橡膠分子鏈結構大都含有共軛雙鍵，能夠自由轉動使分子具有一定的柔性，宏觀上表現出高彈性，經過開鍵硫化后分子鏈呈交聯狀態，使得硫化后的橡膠呈現網絡分子鏈結構，但雙鍵不夠穩定，容易因紫外線、臭氧等氧化老化而開裂，因此橡膠配方中需加入防老劑體系使其具備一定的抗紫外線和抗臭氧能力。聚氨酯由異氰酸酯形成的硬相和聚酯或聚醚多元醇形成的軟相組成，硬相之間由于氫鍵、結晶結合在一起形成節點從而具有類似橡膠的網絡大分子的彈性結構[3]，因此熱塑性聚氨酯材料可以保持高性能直接回收再利用；而橡膠需要去除硫化的化學鍵再生之后才可以使用，并且再生料的性能會大幅度下降。聚氨酯分子鏈中不含C C雙鍵，因此其抗紫外線和抗臭氧能力比橡膠更好，但是其中的酯基和氨基甲酸酯可以與水反應水解生成羧酸和醇，并且氫鍵的鍵能也不如橡膠硫化的化學鍵鍵能大，所以聚氨酯的耐溶劑和抗水解能力不如橡膠。這些性能差異體現在實際應用中：聚氨酯扶手帶的清潔維護需要采用廠家推薦的專用低腐蝕清潔劑，并且室外型聚氨酯扶手帶中需添加抗水解劑以滿足室外應用需求。

1.4 使用壽命

雖然聚氨酯分子鏈間沒有化學交聯，但是聚氨酯彈性體力學性能依然非常優良，不但具有橡膠的高彈特性，且耐磨性能非常優秀。與天然橡膠相比，聚氨酯的耐磨性要高2～10倍，因此聚氨酯又被稱為“耐磨橡膠”[4]，是高能耗、高污染的橡膠的理想替代品。所以，單從使用磨損角度來講，聚氨酯扶手帶的壽命要高于橡膠扶手帶。實際上，聚氨酯扶手帶設計的壽命測試標準與橡膠扶手帶一樣，即經過190萬組正反彎曲無開裂無破損，折合實際使用壽命約8年。實際使用過程中，只有部分扶手帶在完全按照安裝維保手冊來安裝和維護保養的基礎上，壽命達到8年，大部分都會由于安裝錯誤、保養不當以及高溫環境等原因難以達到8年[5]。此外，橡膠扶手帶的失效模式還有紫外線老化和臭氧老化，而聚氨酯扶手帶還有酸雨腐蝕和清洗劑不當的失效模式，實際正常使用壽命為5～8年，極端情況下，也有3～4年就開始老化開裂的。聚氨酯扶手帶失效模式與橡膠扶手帶稍有不同，但在使用壽命上，二者設計壽命相同；實際使用中，由于使用條件不同，個體差異較大，可以認為二者實際壽命也基本相同。

綜上所述，跟傳統的橡膠扶手帶相比，聚氨酯扶手帶具有生產效率高、能耗低、尺寸穩定、更美觀、良好的抗紫外線和耐臭氧性能等優點，但其耐溶劑和抗水解能力不如橡膠扶手帶。

2 聚氨酯扶手帶的應用現狀

扶梯從發明到現在，已經有100多年的歷史，而聚氨酯扶手帶自問世以來，只有20余年的發展。目前扶梯行業中，就市場份額來說，以橡膠扶手帶為主。扶梯一線主機廠的原裝扶手帶中，聚氨酯和橡膠扶手帶占比約為1∶2。其他主機廠和維保更換市場，由于技術壁壘，絕大部分是橡膠扶手帶，只有少部分聚氨酯扶手帶，且其質量水平還不能達到要求，依然處于技術攻關時期。但是聚氨酯扶手帶的發展也取得了較好的勢頭，具體表現在以下幾個方面。

2.1 高端市場

雖然聚氨酯扶手帶成型工藝和效率遠遠優于橡膠扶手帶，但是，聚氨酯材料約30 000～40 000元/t，而橡膠扶手帶中應用的丁腈橡膠、三元乙丙橡膠等，其混配料價格大都在20 000元/t左右；從終端售價來看，聚氨酯扶手帶并沒有價格優勢，甚至高于橡膠扶手帶。在實際應用中，聚氨酯扶手帶仍然憑借更好的綜合性能和新型產品的技術壁壘占據了高端市場，主流主機廠均采用了聚氨酯扶手帶，如2010年上海世博會中國館的扶梯就采用了聚氨酯扶手帶。此外，聚氨酯扶手帶還獲得2019年度上海科技進步獎一等獎。

2.2 彩色扶手帶

隨著人民生活水平的提高，對審美和多元化要求也越來越高，這就要求扶手帶顏色的多樣性發展。彩色聚氨酯扶手帶只需要將彩色色母粒和聚氨酯顆粒料按比例混合在一起，直接加入擠出機即可生產；而橡膠扶手帶卻需要在混煉階段就加入色料，后續預成型擠出和硫化工序中，都存在很多顏色的半成品，這就增加了橡膠生料的半成品種類，也增加了半成品的報廢率、庫存以及其管理等問題。此外，塑料行業色母粒的多樣性也比橡膠色母粒更加豐富，因此彩色扶手帶大部分以聚氨酯扶手帶為主。聚氨酯扶手帶目前按潘通色卡或勞爾色卡分類，共有70多種顏色，在各大主題公園和一些地鐵站都有所應用，如重慶地鐵站就采用彩色聚氨酯扶手帶。

2.3 抗菌扶手帶

自新冠疫情暴發以來，社會提高了公共衛生、防疫、抗菌的意識和要求，扶手帶作為在公共場合與人體接觸的產品，也面臨著抗菌的市場需求。聚氨酯扶手帶憑借方便高效的工藝優勢，迅速地開發出了抗菌扶手帶。同彩色扶手帶一樣，只需要在擠出階段加入一定比例的抗菌料共同擠出即可。目前抗菌聚氨酯扶手帶已經能夠滿足JIS Z 2801：2010《抗菌加工產品——抗菌試驗方法，抗菌效果》中抗菌能力≥2的要求，并且抗菌母粒也符合歐盟頒發的《關于限制在電子電氣設備中使用某些有害成分的指令》（RoHS）和歐盟規章《化學品注冊、評估、許可和限制》（REACH）的要求，在一些新建的醫院和高檔商場中都有所應用。

3 聚氨酯扶手帶發展展望

在工業品門類中，聚氨酯扶手帶相對來說是比較年輕的產品，面對廣大的扶梯和維護保養的市場需求，聚氨酯扶手帶還有廣闊的發展空間。但是，聚氨酯材料成本高，導致聚氨酯扶手帶售價較高，無法進一步擴大市場份額，因此未來聚氨酯扶手帶可以向發泡型、應用回收料等方向發展來降低產品價格，從而占據更多的市場份額。其中有待解決的課題是，如何控制發泡工藝使其不降低材料力學性能和疲勞壽命，以及如何將報廢扶手帶的鋼絲、帆布、TPU低成本并且高效地分開。

國家經濟政策由數量向質量的轉變，對工業生產提出了更高的環保和消防安全的要求，聚氨酯扶手帶加工過程低能耗、低污染，并且聚氨酯可水解降解，相比橡膠扶手帶的高能耗、高污染和難降解，更加符合環保政策要求。關于耐燃燒性能，聚氨酯分子鏈中的氨基有較強的吸電子效應，聚氨酯彈性體易燃程度比聚烯烴要低，但仍屬于易燃類別，又由于熱塑性聚氨酯高溫時會呈熔融狀態，所以在GB/T 10707—2008《橡膠燃燒性能的測定》中的垂直燃燒等級測試中，熱塑性聚氨酯會融化滴落導致火源轉移，耐燃燒性能檢測結果僅為FV-2。因此，阻燃聚氨酯扶手帶也是未來發展的一個方向，其阻燃改性方法有兩種：一是加入合適的阻燃劑進一步提高材料的阻燃能力，如將質量分數為25%的新型磷-氮型阻燃劑應用到聚氨酯中，聚氨酯的氧指數可達27.5%，阻燃性能達到難燃級別，垂直燃燒阻燃級別為FV-0[6]，但是過高質量分數的阻燃劑可能會降低聚氨酯材料的力學性能；二是在聚氨酯擠出時加入適當的交聯劑使其交聯，這樣在高溫燃燒時可以防止出現聚氨酯融化而滴落燃燒，能夠依靠聚氨酯本身的阻燃能力達到FV-1級別。一般交聯不會降低材料性能，適當的交聯還能夠提高聚氨酯材料的力學性能，但會使聚氨酯分子鏈交聯固化后跟橡膠一樣，喪失可直接回收的性能。

4 結語

總之，傳統的橡膠扶手帶基本上被定義為高污染、高能耗、勞動密集型低端制造業產品，新型聚氨酯扶手帶則屬于環保美觀、低能耗、高效率的新技術產品。從國家環保政策和社會勞動力人口下降的形勢來看，聚氨酯扶手帶取代橡膠扶手帶是一個長期的、必然的趨勢和過程。目前，聚氨酯扶手帶已經取得高端市場、彩色扶手帶、抗菌扶手帶等領域的發展，但是總體市場份額偏低，還面臨著降低價格和阻燃改性的發展需求.需要上下游相關從業人員進一步努力，提高生產效率和技術水平，來滿足新的發展需求。