聚氨酯樹脂材料在環境友好型皮革生產中的應用研究

陳鴻飛

（南通萬順化工科技有限公司，江蘇如東 226407）

關鍵字：聚氨酯樹脂；環境友好型皮革；合成皮革；污染物排放

環境保護意識的增強，傳統皮革制造業面臨著日益嚴峻的挑戰。從生產過程中的污染物排放、大量的資源消耗，到廢棄物處理的問題，這些都對生態環境和人類健康造成了不可忽視的威脅。為了尋找一種更加環保、高效且具備優良性能的皮革替代品，聚氨酯樹脂應運而生。作為一種合成材料，聚氨酯樹脂既繼承了傳統皮革的許多優點，又具有其他合成皮革所不具備的特性。本文旨在深入探索聚氨酯樹脂在環境友好型皮革生產中的應用，為皮革產業的可持續發展提供新的方向。

1 傳統皮革生產的環境問題

1.1 生產過程中的污染物排放

傳統的皮革生產過程產生大量的污染物，這些污染物主要來源于鞣制、染色和處理過程。鞣制過程常使用鉻鹽，尤其是六價鉻，這是一種已知的致癌物質。當這些物質被排放到水體中時，它們不僅會對生態系統造成損害，還會對人類健康產生威脅。此外，皮革染色和處理過程也會使用大量的有機溶劑，這些溶劑在揮發時會釋放有害的揮發性有機化合物（VOCs）到大氣中。VOCs可以導致大氣臭氧層的形成，從而對人類健康和環境造成傷害。

1.2 消耗資源：水、能源等

皮革生產是一種資源密集型產業，特別是在鞣制和染色過程中，大量的水被用于清潔、浸泡和鞣制動物皮。為了確保皮革的柔軟度和質量，這些過程需要大量的水。此外，鞣制和染色過程還需要大量的熱能來加熱水和化學品。這些能源主要來自于化石燃料，導致更多的溫室氣體排放。長期以來，這種大規模的水和能源消耗對地球的資源造成了巨大的壓力。

1.3 廢棄物處理問題

皮革生產過程產生的廢棄物是一個嚴重的環境問題。皮革加工過程中產生的廢水含有高濃度的有機物、鉻和其他重金屬。如果這些廢水未經適當處理直接排放，會對水體生態系統造成嚴重傷害。此外，皮革生產中還產生大量的固體廢棄物，如剪裁下來的皮革碎片和不合格的皮革產品。這些固體廢物往往被堆放在露天場地，可能導致土壤和地下水污染。正確處理這些廢棄物是傳統皮革產業面臨的一個重大挑戰。

2 聚氨酯樹脂的基本性質與特點

2.1 結構與成分

聚氨酯是一類高分子材料，其結構由醇和異氰酸酯反應形成的尿素鍵組成。PU樹脂可以根據其起始原料和生產條件有所不同，表現出不同的物理和化學性質。基于其成分，聚氨酯可以細分為聚酯型和聚醚型。聚酯型聚氨酯具有良好的耐油性和抗氧化性，而聚醚型聚氨酯則具有較高的柔韌性和耐寒性。根據所使用的多元醇的種類和數量，以及所選擇的異氰酸酯種類，聚氨酯的宏觀結構和微觀相結構可以在一定范圍內進行調控，這為其廣泛的應用奠定了基礎。

2.2 物理和化學特性

聚氨酯樹脂因其獨特的結構，展現出一系列的優越物理和化學性質。物理上，PU 具有出色的耐磨性、高彈性以及良好的柔韌性。其拉伸強度可以達到50～60 MPa，而斷裂伸長率可高達600%。化學上，它對多種化學物質，如油和許多常見的工業化學品，都具有較好的穩定性。聚氨酯在不同溫度下的性能也會有所不同。例如，在低溫下，它可能變得更加脆硬，而在高溫下可能會變得更加柔軟。此外，聚氨酯在長時間受到紫外線照射時可能會發生降解，這是因為其化學結構中的醚鍵和酯鍵對紫外線有一定的敏感性。

2.3 環境影響評估

聚氨酯作為一種合成材料，其對環境的影響有正有負。正面來看，與傳統皮革相比，使用聚氨酯制造的皮革在生產過程中產生的環境污染較少，主要是因為其生產過程中無需使用如鉻鹽這類有毒化學品。此外，聚氨酯皮革的生產還可以有效地減少對水和能源的消耗。然而，從負面角度看，聚氨酯是一種難以生物降解的材料，這意味著當其作為廢棄物時，需要經過長時間才能在自然環境中分解。

聚氨酯的生產過程需要使用某些可能對環境有害的化學物質，如異氰酸酯。綜合考慮，雖然聚氨酯在某些方面對環境有利，但在生產和廢棄處理過程中仍需考慮其潛在的環境影響。為此，對聚氨酯及其衍生物進行全生命周期的環境影響評估是必要的，以確保其真正實現可持續性。

3 聚氨酯樹脂在皮革生產中的應用

3.1 聚氨酯合成皮革的制造過程

3.1.1 原料選擇與配比

聚氨酯合成皮革的生產首先取決于原料的選擇和配比。選擇適當的多元醇和異氰酸酯是關鍵，這決定了最終產品的性能和特性。通常，聚酯型多元醇和聚醚型多元醇是常用的選擇。對于需要高耐磨性和耐老化性的應用，可能會傾向于選擇聚酯型多元醇；而對于需要高柔韌性和耐寒性的應用，則可能選擇聚醚型。配比是一個精細的過程，通常在生產之前需要進行大量的實驗來確定。例如，一種常用的配比是NCO/OH摩爾比為1.05:1，以確保充分的交聯和固化。

3.1.2 聚合與固化過程

一旦確定了原料和配比，接下來的步驟是聚合。在此過程中，多元醇與異氰酸酯在適當的條件下反應形成預聚物，然后通過加入鏈延長劑或交聯劑來產生高分子量的聚氨酯。這一步通常在高溫下進行，例如80～100 ℃。固化是確保聚氨酯形成一個堅固、持久結構的關鍵步驟。這通常通過熱固化或紫外固化來實現。固化過程可能需要數小時至數天，具體取決于使用的固化系統和所需的最終性能。

3.1.3 表面處理與染色

聚氨酯皮革的表面處理通常包括打磨、聚氨酯皮革的表面處理通常包括，以達到所需的外觀和觸感。此外，為了使產品具有吸引力，染色也是常見的步驟。染色可以在聚合前、聚合過程中或聚合后進行。傳統的染料如酸性染料、分散染料和活性染料都可以用于聚氨酯皮革。然而，考慮到環境因素，水性染料和天然染料的使用越來越受到青睞。對于需要特定功能的應用，如防水或抗紫外線，還可以在表面處理過程中添加特定的添加劑或涂層。

3.2 聚氨酯皮革的性能特點

3.2.1 耐磨、耐拉伸與彈性特性

聚氨酯皮革的物理性能使其在多種應用中都備受青睞。在耐磨性方面，它的性能往往優于傳統的天然皮革。在標準的Taber Abrasion測試中，高質量的聚氨酯皮革通常可以承受超過5 000個周期而不顯著磨損。同時，聚氨酯皮革的拉伸強度可達到50～60 MPa，這是由其分子結構決定的，其中硬段提供強度，而軟段提供彈性。它的斷裂伸長率可以達到400%～600%，顯示出良好的彈性和柔韌性，與高品質的天然皮革相近。

3.2.2 抗老化與耐溫性能

聚氨酯皮革的化學結構為其賦予了卓越的抗老化性能。尤其是在紫外線輻射、氧化和熱老化方面，它展現出了穩定性。然而，持續的高溫或紫外線暴露可能會導致聚氨酯分解或發黃，尤其是在不含有UV穩定劑的情況下。在一般的熱穩定性測試中，聚氨酯皮革可以在-30 ℃～80 ℃的范圍內保持其物理性能，但在更極端的溫度下可能會出現硬化或軟化。

3.2.3 感覺和觸感與天然皮革的比較

與天然皮革相比，聚氨酯皮革提供了近似的外觀和觸感。技術和合成革工藝的技術進步使得聚氨酯皮革的顆粒紋理、光澤和手感與高品質的天然皮革越來越接近。在盲測試中，消費者往往難以區分高品質的聚氨酯皮革和天然皮革。但是，與天然皮革相比，聚氨酯皮革往往更為均勻、無瑕疵，并且可以提供更加一致的色彩和厚度。然而，某些天然皮革的獨特性質，如其天然的氣味和年代的痕跡，是聚氨酯皮革難以復制的。

4 環境友好背景下聚氨酯皮革的改進與創新

4.1 研發技術的不斷升級

隨著環保意識的加強，聚氨酯皮革的生產技術也在不斷升級和創新。非溶劑型PU皮革技術的核心是通過水性技術或固態反應來制備PU皮革。在水性PU皮革技術中，聚氨酯分散在水中，形成水性分散液。這種方法不僅大大減少了有機溶劑的使用，從而降低了VOCs的排放，而且生產過程中所需的能源也大大減少，因為水性系統的固化溫度較低。根據研究數據，與傳統的有機溶劑型PU皮革相比，非溶劑型PU皮革的VOCs排放量減少了超過90%。除了減少環境污染，水性PU皮革還具有其他的優點，如提高的耐磨性和更好的觸感。然而，其制造過程中仍然需要面對一些技術挑戰，如確保產品的耐水性和耐化學品性。另一方面，為了進一步減少碳足跡，現在更多的關注點轉向了生物基聚氨酯的開發。這種聚氨酯使用生物來源的原料，如植物油，作為生產中的關鍵組分。以植物油為例，大豆油、蓖麻油和亞麻籽油都已經成功地用于生產生物基聚氨酯。據統計，使用生物基聚氨酯的皮革生產可以將碳足跡減少約20%～40%，這主要是因為生物基原料是可再生的，與從石油中提取的化學品相比，其生產過程中的CO2排放大大減少。

4.2 高效固化技術

固化是聚氨酯皮革制造中的關鍵步驟，直接影響到最終產品的物理性能。傳統的熱固化方法需要較長的固化時間和較高的能耗。為解決這些問題，工程師和科學家開始采用更為先進的固化方法，如UV固化和電子束固化技術。UV固化技術利用紫外線進行快速固化，大大縮短了固化時間，并能確保產品的均勻固化。這種方法不僅提高了生產效率，而且提高了皮革的抗拉伸、耐磨和耐化學性能。電子束固化技術則使用高能電子束進行聚合和交聯反應，從而達到固化的目的。這種技術具有獨特的優勢，能在室溫下進行固化，降低了生產過程中的能耗，并提供了極高的固化深度，確保產品具有卓越的性能。

4.3 對環境與健康的新考慮

當前，環境與健康問題已成為聚氨酯皮革產業發展的核心議題。眾多研究指出，傳統的PU皮革生產過程中，所使用的有機溶劑、染料及其他化學物質對環境和人體健康存在潛在風險。例如，部分有機溶劑被認定為致癌物質，長時間暴露在這類環境下的工人面臨的健康風險增加。根據近年的數據，聚氨酯皮革行業在全球范圍內投入了超過5億美元用于綠色生產技術的研發。其中，替代有害化學物質、減少能源消耗和水資源利用是研發的三大方向。例如，采用新型生物酶處理技術，可以在染色過程中減少約30%的水消耗。

4.4 市場需求驅動的產品創新

隨著消費者對環保和健康的日益關注，市場對環境友好型聚氨酯皮革的需求也在快速增長。據統計，過去5 a中，環保型PU皮革的年復合增長率達到了15%，并預計在未來10 a內將繼續保持這一增長趨勢。為滿足市場需求，許多公司開始研發和推出具有特定功能的PU皮革產品。例如，抗菌、抗UV、自清潔等功能性皮革應用于醫療、戶外運動和汽車內飾領域。此外，對天然皮革外觀和手感的模擬也是產品創新的重點，新型PU皮革在觸感、透氣性和舒適性上與天然皮革更為接近，滿足了消費者對高品質皮革產品的追求。

5 結束語

經過深入研究，可以明確地得出，聚氨酯樹脂在環境友好型皮革生產中展現出了巨大的潛力和價值。與傳統皮革相比，使用聚氨酯樹脂制造的皮革不僅能大大減少對環境的污染，還能有效地節約資源，并展現出優越的物理和化學性能。同時，與其他合成皮革材料相比，聚氨酯皮革在多個方面都具有顯著的優勢，包括耐磨、耐拉伸、抗老化等性能。此外，隨著技術的進步，聚氨酯皮革還在環境和健康考慮、產品創新等方面取得了重要進展。綜上所述，聚氨酯樹脂為皮革產業帶來了革命性的變革，值得進一步推廣和應用。