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行業新聞

無處不在的聚氨酯如何讓生活變得更美好?

2020-11-11 14:07???來源:聚氨酯噴涂機聚氨酯 
  塑料、橡膠等各種合成高分子材料我們的生活中無處不在,這已是不爭的事實。不過在眾多的高分子材料中,恐怕沒有誰能夠像聚氨酯那樣深入到我們生活的每一個角落?;蛟S你很好奇,這種聽上去陌生的材料在哪里?那么就請跟隨我到每一天的生活中尋找它的足跡吧。
 
  早餐,你洗漱完畢走到廚房,準備從冰箱中取出今天的早餐時不妨想一想,冰箱厚厚的箱體和箱門里面是什么?答案是聚氨酯的泡沫,里面的冷空氣出不來,外面的熱空氣又進不去?答案是密閉在冰箱箱體和門中的聚氨酯泡沫。它們竭盡全力阻止冰箱內外的熱量交換,若是沒有聚氨酯,冰箱的壓縮機恐怕將無休止地轟鳴,而你也不得不為冰箱巨大的耗電量而發愁了。
 
  接下來請你把目光移到冰箱旁邊膠合板做的櫥柜。膠合板是將許多層的薄木板用膠粘合而成,酚醛樹脂和尿醛樹脂曾經是粘合木板的主力,但是這兩類材料會釋放出有強烈致癌作用的甲醛,因此近些年已經被聚氨酯所取代。最后再請你把視線移到墻角,聚氨酯密封劑正在忠實地履行自己的職責,將墻角的縫隙牢牢封死。
 
  吃過早餐你離開家來到單位。公司剛剛搬進了新建的辦公樓,走進大廳,實木地板光亮的像鏡子一樣,這多虧了覆蓋在地板上的一層聚氨酯涂料,否則木地板早就被往來的人流磨損得不像樣子了。
 
  你注意到公司走廊上貼著醒目的宣傳畫,自豪地向大家宣布,別看公司的新辦公樓面積龐大,內部裝修豪華,在節能方面卻堪稱表率。降低建筑物的能耗離不開方方面面的努力,但其中一大功臣是夾在墻體和天花板內部的聚氨酯,它們和你家中冰箱使用的聚氨酯泡沫非常相似,只不過在這里它們為更加龐大的“冰箱”提供服務。
 
  工作勞碌之余,你來到運動場上準備鍛煉一下身體。這里面有沒有聚氨酯的足跡呢?當然有。先說說你身上的運動服,為什么它能緊貼身體卻又不失舒適感?如果你留意一下它的標簽,可能會注意到“10%氨綸”的字樣,答案就在這里。氨綸是聚氨酯的纖維,具有極其優異的彈性。雖然衣物面料中氨綸的含量一般都不高,但是如果少了它,像泳衣、運動服和緊身褲這樣的衣服穿在身上感覺將會是非常糟糕。
 
  再說說你腳上的這雙運動鞋。許多鞋子舒適耐磨的鞋底都是由聚氨酯制成,而聚氨酯的鞋底常常又是依靠聚氨酯粘合劑與鞋面牢牢粘在一起。最后說說你腳下的塑膠跑道。塑膠跑道的基本原料當然是粉碎成小顆粒的廢舊橡膠,但是若沒有聚氨酯粘合劑把它們緊緊連在一起,這些橡膠小顆粒只會像砂土一樣到處飛揚。
 
  夜幕降臨,你回到家中。終于結束了一天的勞累,此時此刻你可能正慵懶地靠在沙發上欣賞電視節目,或是躺在自家的大床上準備進入夢鄉。如果揭開床墊或沙發墊外面的布料,你可能會看到白色或者乳黃色柔軟又輕盈的材料,這仍然是聚氨酯。床墊和沙發墊能如此舒適,聚氨酯功不可沒。
 
  最后,當你和愛人享受親密的二人世界時,不要忘記聚氨酯的另一項重要貢獻,那就是安全套。雖然聚氨酯并非生產安全套的主力——大部分安全套使用天然橡膠制成,但是對于那些對天然橡膠過敏的人,聚氨酯就提供了非常好的替代選擇。
 
  聚氨酯的若干重要應用:左上:床墊;右上:鞋底;左下:涂料;右下:彈力纖維
 
  通過上面的介紹,你是否意識到了我們日常工作和生活的幾乎方方面面都離不開聚氨酯?那么這究竟是怎樣一種神奇的材料,我們又是如何得到它的呢?
 
  眾所周知,各種合成高分子材料都是由無數小分子相互反應而來,例如聚乙烯就是乙烯分子相互反應的產物。聚氨酯自然也不例外,要得到它,離不開兩類重要的小分子。第一種分子叫做醇,也就是帶有羥基的化合物[1]。這是大家再熟悉不過的一類物質,我們每次開懷暢飲時就在喝下醇的一種——乙醇。不過要完成合成聚氨酯的任務,每個醇分子中至少要有兩個羥基才行,因此乙醇并不夠格,需要換成它的“近親”——乙二醇。另一種分子相對來說沒有那么知名,它叫做異氰酸酯,這里出場的是其中的一員,名叫二苯基甲烷二異氰酸酯[2]。雖然名字拗口難記,它可絕對稱得上聚氨酯工業中的“大腕”,全球范圍內年產量高達數百萬噸。顧名思義,每個二苯基甲烷二異氰酸酯分子中有兩個異氰酸酯結構。
 
  一個乙二醇分子和一個二苯基甲烷二異氰酸酯分子一旦相遇,就像久違的老朋友,一個伸出羥基,另一個伸出異氰酸酯,緊緊握住對方的“手”,變成了一個分子。但是反應并沒有就此打住。乙二醇還有另一只“手”——另外一個羥基,它還可以抓住另一個二苯基甲烷二異氰酸酯分子。而被乙二醇抓住的兩個二苯基甲烷二異氰酸酯也分別還有另外一個異氰酸酯結構空閑著,又可以分別抓住一個乙二醇分子。大家不停地拉手的結果就是形成了高分子化合物,也就是聚氨酯。
 
  由乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯生成聚氨酯的反應過程
 
  為什么聚氨酯的應用如此廣泛?奧秘就在于這兩種原材料上面。在剛才的例子中,我們用乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯反應得到了聚氨酯,但如果你把乙二醇換成丙二醇或者丁二醇,只要每個分子中至少含有兩個羥基,我們仍然能夠得到聚氨酯。同樣,我們也可以把二苯基甲烷二異氰酸酯替換成其它的材料,只要每個分子都至少有兩個異氰酸酯結構。也就是說,聚氨酯實際上包含了一大類材料,它們的結構雖然相似,性能卻又迥異,有的是堅硬的塑料,另外一些是富有彈性的橡膠,還有的能夠做成強勁的粘合劑。
 
  當然,無論性能如何變化,它們都具有許多共同的優點,例如生產成本低、加工方便、耐腐蝕等等。除了聚氨酯,幾乎沒有哪一種高分子材料能夠讓我們如此隨心所欲地調節它的性能以適應不同的應用。
 
  聚氨酯之所以遍布日常生活的幾乎每一個角落,還得益于它的另一個絕活——發泡。如果我們在燒杯中加入一定量的醇和異氰酸酯,攪拌一會兒后它們就會變成堅硬的固體。然而如果我們再向燒杯中加入一點水,燒杯中的混合物就變得像剛開瓶的啤酒,大量泡沫噴薄而出。原來,異氰酸酯一遇到水就就迅速變成另外一種有機物——胺,同時迅速放出二氧化碳氣體。由于液體的阻隔,這些氣體來不及逃逸至空氣中,因此我們就看到了大量的泡沫。
 
  可是隨著時間的推移,這些泡沫并不會像啤酒沫或者肥皂泡那樣逐漸破碎消失,而是永久地留存下來。原來,反應生成的胺還會會繼續尋找尚未與水反應的異氰酸酯并與它發生反應,把自己變成聚氨酯的一部分。也就是說,構成這些泡沫外壁的不再是脆弱的水膜,而是堅固的聚氨酯,因此這些泡沫得以永久保留下來。而由于內部充滿了大量微小的氣泡,聚氨酯也變得無比輕盈膨松,密度只有原先的幾十分之一[3]。
 
  制備聚氨酯泡沫的基本原理
 
  不要小看這些聚氨酯的泡沫,全球范圍內,它們竟然貢獻了聚氨酯材料一多半的產值。那么這么多的聚氨酯泡沫都到了哪里去呢?通過調整原料具體的組成,我們可以得到兩種不同的聚氨酯泡沫。第一種聚氨酯泡沫的孔洞之間互相連通,構成泡沫外壁的聚氨酯柔軟而富有彈性。這樣的泡沫遇到外力很容易變形,但又不會被壓垮,一旦外力撤去就會恢復自身的形狀,因此能夠給使用者帶來極大的舒適感。前面提到的床墊和沙發墊很多都應用了這一類聚氨酯泡沫。除此之外,汽車坐墊也少不了它。
 
  另一種聚氨酯泡更為堅硬,內部的微小孔洞不再相連,而是彼此隔絕,這樣的泡沫有什么用呢?我們知道,如果要隔絕熱量的傳播,沒有什么材料的效果能比得上空氣,而空氣中二氧化碳的隔熱能力又大大優于氧氣、氮氣等其他成分。如果我們用聚氨酯將二氧化碳隔絕在一個個微小的空間內,防止它們互相流通或者逃逸到外界,這樣的聚氨酯泡沫具有幾乎媲美空氣的良好的隔熱能力,是其他材料難以企及的。如果用磚來代替,30多厘米厚的磚的隔熱效果才能抵得上1厘米厚的聚氨酯泡沫!而且由于聚氨酯泡沫具有很好的機械強度,很多時候利用它來進行隔熱比單純使用空氣來隔熱效果要好得多,因此它廣受人們的青睞。聚氨酯泡沫不僅已經成為生產冰箱的必備,在建筑節能中的應用也十分廣泛。這些聚氨酯泡沫有效地幫助我們提高了能源的利用率,從而節省了寶貴的資源。
 
  操作人員正在用聚氨酯泡沫提高建筑物的隔熱能力
 
  從誕生至今,聚氨酯走過了近80年的歷程,極大地改變了我們的生活。放眼未來,聚氨酯材料的不斷革新和進步還將讓我們的生活更加美好。
 
  注釋
 
  [1] 準確地說醇是脂肪族碳鏈與羥基相連的化合物。羥基直接與苯環相連的化合物稱為酚。
 
  [2] 二苯基甲烷二異氰酸酯有2,2’, 2,4’ 和4,4’三種不同的結構,其中4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯在聚氨酯工業中最為常用,圖1展示的也是這種結構。
 
  [3] 許多聚氨酯泡沫在生產過程中也會通入其它氣體幫助發泡

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