硬质聚氨酯泡沫塑料的发展及应用

许晓辰

（南京美思德新材料有限公司，江苏南京 210047）

1849-1850年，Wurtz & Hofmann 发明了异氰酸酯，19世纪30年代在I.G.Farben 公司，以O.Bayer 博士为首的团队发明了聚氨酯材料。我国聚氨酯工业起始于20世纪50年代末，在20世纪60～70年代已初步形成规模，至今已有60多年的发展史[1]。

聚氨酯（Polyurethane，PU）全称为聚氨基甲酸酯，是多元醇与异氰酸酯聚合而成的含有重复-NHCOO-基团的化合物。根据多元醇和异氰酸酯的官能团数量的多少，分别可以得到体型和线型两种不同结构。正是由于分子结构的差异，最终所制得的材料性能也不同，因此聚氨酯可以制备泡沫塑料、胶黏剂、涂料、橡胶等不同材料[2]。

1 聚氨酯泡沫概述

聚氨酯泡沫塑料是聚氨酯的主要品种之一，按照发泡方式进行分类，可分为块状发泡、模塑发泡、喷涂发泡等；按照其合成时所用的多元醇品种进行分类，可分为聚酯型、聚醚型、生物基型聚氨酯泡沫塑料。通过配方的调整，可制成普通软质、高回弹、半硬质、硬质聚氨酯泡沫塑料。

聚氨酯泡沫塑料的应用范围广泛：普通软质聚氨酯泡沫塑料主要用于家私绵以及工业复合绵；高回弹聚氨酯泡沫塑料主要用于交通工具垫材以及家用垫材；半硬质聚氨酯泡沫塑料主要用于包装泡沫、汽车顶棚等；硬质聚氨酯泡沫塑料主要用于建筑、冷链、管道、仿木制品等领域。

2 硬质聚氨酯泡沫塑料的特点分析

2.1 极佳绝热性能，节能保温

硬质聚氨酯泡沫塑料是具有最低导热系数的绝热材料之一。依据组合白料配方中的发泡剂品种不同，硬质聚氨酯泡沫塑料导热系数可达到0.018～0.023W/m.K，其保温效果是红砖的 30倍，普通混凝土的 13.5倍，相同导热系数不同保温材料的厚度对比见图1。

图1 相同导热系数不同保温材料的厚度对比

2.2 黏合能力较强

硬质聚氨酯泡沫塑料对于木质材料、钢制材料和其他有机分子制作成的建筑材料都具有良好的黏合能力，常采用喷涂方法将其与基材相连接，用于建筑的屋顶绝热层或外墙保温层。实验证明在风荷载、潮湿、低温、自重、外部撞击等多种不利负载因素的作用下，硬质聚氨酯泡沫塑料仍能与基材保持紧密的连接，最大程度避免脱落情况的发生[3]。

2.3 加工性优良

硬质聚氨酯泡沫塑料多为组合白料（多元醇、发泡剂、助剂的混合物）和黑料（异氰酸酯）反应固化所得，其成型方法有手工发泡、浇注发泡、喷涂发泡等。组合白料和黑料均为液体，混合均匀后仍具有一定的流动性，可以制备各种形状的硬质聚氨酯泡沫塑料制品；另外，通过配方调整，可以提高组合白料和黑料反应性，实现快速固化成型，提高生产效率。

2.4 化学稳定性较好

硬质聚氨酯泡沫塑料在固化后不易与其他化学物质发生反应，其材料本身化学性质也较为稳定，如表1所示。

表1 硬质聚氨酯泡沫塑料和各种化学物质的储存稳定性

3 硬质聚氨酯泡沫材料的应用分析

3.1 管道

保温管的结构一般分为三层，即表层的保护层、中间的保温层、内部的防渗漏层，主要用于输油、输气、供热等方面。

目前我国的北方城市已采取了城市集中供热，供热管线长，输送距离远；另外，供热管道一般直接埋在地下，不宜采用地沟和架空的形式。因此，供热管道的保温层必须采用隔热性好、不易吸潮、使用寿命长的保温材料制造城市集中预制[2]。

硬质聚氨酯泡沫塑料具有机械强度高、绝热性好、吸水率低、耐热性好的特点，用于管道保温层能有效进行保温隔热，减少在输送过程中的能量消耗，提高地下直埋管道的防潮性，也为用户节约了能源，从而降低了成本。

另外，为提高硬质聚氨酯泡沫塑料的长期耐温性能，通常采用聚异氰脲酸酯改性，改善长期高温条件对泡沫性能的影响，从而延长保温层的使用寿命。

3.2 仿木制品

硬质聚氨酯泡沫塑料具有热固化性能，在没有固化前，可以对其进行加工，塑造成各种形状。高密度的硬质聚氨酯聚氨酯泡沫被称为仿木材料，具有刚性高，机械强度好，结构致密、工艺简单、抗腐蚀等特点，外观与手感接近木材，可刨、锯、钻及雕花造型[2]，可代替木材使用。

仿木材料可用作雕刻装饰品如相框、装饰条、浮雕、罗马柱等；可用于家具如桌椅、镜框、化妆台、衣架等[2]。

3.3 冷链设备

冷链设备包括冷库、冰箱、冷藏车、冷藏箱等，用于保证产品（食品、药品、原料等）在储存、运输、销售、使用各个环节始终处于产品所必需的特定低温环境。因此，冷链设备对保温层材料的绝热性能有很高的要求。

硬质聚氨酯泡沫塑料具有导热系数低，强度好，质量轻的特点，可以满足冷链设备的使用需求。

冰箱、冷柜使用硬质聚氨酯泡沫塑料作绝热层可以降低能耗；另外，在其外部尺寸一定的情况下，可以增加有效容积并减轻整体重量。

选用以硬质聚氨酯泡沫塑料为芯材的复合夹心板，可组装不同容积的冷库，搭建方便、快捷；另外硬质聚氨酯泡沫塑料也可以通过喷涂施工的方式在冷库内部形成保温层，快速固化成型。

3.4 建筑

硬质聚氨酯泡沫塑料的吸水率低、绝热性能好，在建筑行业中广泛应用于保温防水领域。

以硬质聚氨酯泡沫塑料为芯材的夹芯板可用于搭建临时活动板房，施工非常方便，房屋的隔热性能良好。

硬质聚氨酯泡沫塑料对基材的附着力强，表皮完好的硬质聚氨酯泡沫塑料水蒸气渗透性很差，防水效果好，可采用喷涂工艺对建筑的外墙、屋顶进行保温和防水施工。

单组分聚氨酯泡沫填缝剂（简称OCF）是一种特殊湿固化硬质聚氨酯泡沫塑料。将聚氨酯预聚体、催化剂、抛射剂等装入气雾罐中，当物料从罐中喷出时，与空气中的水分反应而发泡膨胀并固化。单组分泡沫可用于门框、窗框固定黏接，填缝防水等。

3.5 硬质聚氨酯泡沫塑料的回收再利用

硬质聚氨酯泡沫塑料废弃后可以进行粉碎后再加工回收利用。最普遍的方法就是黏合加压成型，其加工过程是将废泡沫用机械设备压成粉末，涂上聚氨酯黏合剂，再直接通入蒸汽高温，使得聚氨酯黏合剂溶解后和粉末搅拌黏合，在固化前通过塑型设备进行塑型，得到黏合板。这种黏合板可用于室内装修，家具的零部件等多种用途。另外，也可以将废弃的硬质聚氨酯泡沫塑料压成粉末后，直接用于填充建筑的缝隙，不但能起到保温的效果，还能起到隔音的效果。

4 结语

我国是人口大国，能源消耗巨大，而硬质聚氨酯泡沫塑料以其隔热保温性好，加工方便等特点被作为一种节能材料广泛用于建筑、冷链等行业，极大地降低了日常生活中的能耗；另外，该材料还可以回收利用，符合我国可持续发展战略。随着科技、经济的发展，硬质聚氨酯泡沫塑料的开发与应用研究仍需不断深入，以满足新时期环保、节能领域的更高要求。