2003 IKE 18-0

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PIKE-icon-IKE-20-50 Read document   塑膠物語: 聚氨酯 (polyurethanes, PU)

Materials  │ Introduction  │ Basic  │
 PU; rubber; PVC;
Plasterm.Fomula   ..余學海
 
聚氨酯 (polyurethanes) 主鏈含 ─NHCOO─ 重複結構單元的一類聚合物﹐英文縮寫為 PU。由單體異氰酸酯與羥基化合物聚合而成。

簡史
1937 年德國 O.拜爾 首先用二異氰酸酯與二元醇反應製得聚氨酯﹐並加工為鬃絲。不久﹐又研究成功聚氨酯橡膠。60 年代起﹐由於聚氨酯泡沫塑料、熱塑性彈性體和合成皮革等產品的問世﹐聚氨酯的研究和應用得到迅速發展。


性質
聚氨酯含有強極性的氨基甲酸酯基團﹐不溶於非極性溶劑﹐具有良好的強韌性和耐油性。採用不同的原料﹐可製得適應較寬溫度範圍 (一般為-50∼150℃) 的各種產品。在鹼性介質中或較高溫度下耐水解穩定性較差﹐特別是聚酯型聚氨酯更為突出。改變單體的品種和配比﹐可製得具有不同性能和用途的聚氨酯產品﹐其中包括彈性體、纖維、泡沫塑料、塗料和膠黏劑等。


聚合
常用異氰酸酯與羥基化合物進行聚加成反應而製得。根據單體分子中異氰酸酯基和羥基數目的不同﹐可以製得體型高分子或線型高分子。反應如下 (R 為烴基)﹕
         

異氰酸酯基中的 C=N 雙鍵非常活潑﹐可自聚成二聚體或三聚體﹐也可與含有活性氫的基團﹐例如水、醇、酚、酸、胺等進行加成反應 (見表 異氰酸酯的加成反應 )。其活性次序如下(Ar 為芳基)﹕



異氰酸酯的加成反應

         
聚氨酯的合成可在熔體或溶液中進行。在熔體中反應時必須避免由於溫度過高而引起的副反應。溶液聚合時常用的溶劑有乙酸酯類、丁酮、四氫喃、芳烴和鹵代烴等。有時使用催化劑﹐催化劑為叔胺類和有機錫化合物﹐常用三亞乙基二胺和二丁基二月桂酸錫。

常用的多異氰酸酯有﹕2﹐4(或 2﹐6)-甲苯二異氰酸酯、4﹐4-二異氰酸酯二苯甲烷、次甲基多苯異氰酸酯、六亞甲基二異氰酸酯。

常用的多元醇分為三類﹕簡單多元醇﹐如乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇、丙三醇、季戊四醇、木糖醇。聚酯型多元醇﹐為二元酸與多元醇縮聚生成的末端含有羥基的聚酯低聚物﹐如羥基封端的己二酸乙二醇酯。製得的聚氨酯稱為聚酯型聚氨酯。聚醚型多元醇﹐由環氧化合物﹐如四氫喃、環氧丙烷等開環聚合生成的末端含有羥基的聚醚低 聚物。選用不同的起始劑﹐可以得到不同官能度的多元醇。製得的聚氨酯稱為聚醚型聚氨酯。


工業產品
彈性體
其合成通常分兩步進行﹕先將分子量約為 800∼2500 的二元醇與過量的芳族二異氰酸酯反應﹐生成異氰酸酯封端的線型預聚物。然後用丁二醇擴鏈﹐得到以聚醚或聚酯為“軟段”而以二異氰酸酯和擴鏈劑為“硬段”的熱塑性彈性體﹔或者用芳族二胺擴鏈並交聯而得到澆鑄型彈性體。聚氨酯彈性體具有良好的耐油性和耐磨性﹐以及優良的綜合性能。可以用作滾筒、傳送帶、管子等工業用部件﹐ 汽車零件﹐鞋底﹐合成皮革﹐電線和電纜護層﹐醫用人工臟器等。

合成纖維
由二異氰酸酯和聚醚型二元醇製得預聚物﹐再用或二元胺擴鏈﹐可製成彈性纖維(如 Spandex 彈性纖維)﹐具有良好的染色性和耐候性。

泡沫塑料
在聚氨酯產品中佔比例最大的一類。採用不同的原料和配比﹐可以製得軟質和硬質泡沫體。例如﹐硬質泡沫體需要高度交聯﹐因此要求異氰酸酯佔較大的比例﹔而軟質泡沫體則要求用柔順性好的聚醚作原料。泡沫塑料的製法有兩種﹕一步法﹐將原料異氰酸酯、聚醚、水、表面活性劑、催化劑同時混合﹐使它發泡即得。軟質泡沫體幾乎全用此 法。預聚體法﹐將多元醇與異氰酸酯先生成預聚體﹐再與催化劑、發泡劑混合。由於分子已預先增大﹐所以發泡容易。此法適用於硬泡沫體的現場發泡或模塑品的製造。

軟質泡沫體主要用作各種襯墊﹐用於寢室用具、車輛、傢具、服裝等。硬質泡沫體主要用作隔熱、吸音、包裝、絕緣材料等﹐最近向高級傢具所用低發泡合成木材方面發展。

塗料
由多異氰酸酯與多元醇在適當的溶劑中反應製得﹐可採用不同的固化方式﹐如熱固化、濕氣固化、催化固化和多元醇固化等﹐以適應不同的配比和不同的要求。聚氨酯塗料具有緻密、耐化學藥品、耐磨、耐氣候、黏合力強等優點﹐是一種高級塗料﹐用於高級運輸器材、傢具、木器和金屬的防腐﹐以及織物塗層等。

膠黏劑
一般由兩個組分組成﹐即多異氰酸酯和羥基封端的聚醚或聚酯﹐使用時混合。由於─NCO 可與多種含有活性氫的材料表面反應﹐生成的 ─NHCOO─ 又具有較大的內聚能﹐因此它與多種金屬、玻璃、陶瓷、纖維等材料間產生很高的黏合力。


發展趨勢
聚氨酯產品的生產工藝、品種及其應用正在迅速發展。新開發的重要產品有﹕反應注射模塑聚氨酯彈性體、聚氨酯乳液、醫用聚氨酯橡膠和磁性材料膠黏劑等。

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      更新期別: 2003IKE18-0. Date: 2003/11/25.
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