聚氨酯是指分子結(jié)構(gòu)中含有許多重復(fù)的氨基甲酸酯基團(tuán)（）的一類聚合物，全稱為聚氨基甲酸酯，簡(jiǎn)稱PU。聚氨酯根據(jù)其組成的不同，可制成線型分子的熱塑性聚氨酯，也可制成體型分子的熱固性聚氨酯。前者主要用于彈性體、涂料、膠黏劑、合成革等，后者主要用于制造各種軟質(zhì)、半硬質(zhì)、硬質(zhì)泡沫塑料。

聚氨酯于1937年由德國(guó)科學(xué)家首先研制成功，于1939年開始工業(yè)化生產(chǎn)。其制造方法是異氰酸酯和含活潑氫的化合物（如醇、胺、羧酸、水分等）反應(yīng)，生成具有氨基甲酸酯基團(tuán)的化合物。其中以異氰酸酯與多元醇反應(yīng)為制造PU的基本反應(yīng)，其反應(yīng)式為：

反應(yīng)屬于逐步加成聚合，反應(yīng)過程中沒有小分子副產(chǎn)物生成。如異氰酸酯或多元醇之一有三個(gè)以上的官能團(tuán)，則生成立體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

一、        合成聚氨酯的基本原料

合成聚氨酯的基本原料為異氰酸酯、多元醇、催化劑以及擴(kuò)鏈劑等。

（1）異氰酸酯   異氰酸酯一般含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的異氰酸酯基，異氰酸酯基團(tuán)很活潑，可以跟醇、胺、羧酸、水等發(fā)生反應(yīng)。目前聚氨酯產(chǎn)品中主要使用的異氰酸酯為甲苯二異氰酸酯（TDI）、二本基甲烷二異氰酸酯（MDI）和多亞甲基對(duì)苯多異氰酸酯（PAPI）。TDI主要用于軟質(zhì)泡沫塑料；MDI可用于半硬質(zhì)、硬質(zhì)泡沫塑料機(jī)膠黏劑等；PAPI由于含有三個(gè)官能度，可用于熱固性的硬質(zhì)泡沫塑料、混煉以及澆注制品。

（2）多元醇   多元醇構(gòu)成聚氨酯結(jié)構(gòu)中的彈性部分，常用的有聚醚多元醇和聚酯多元醇。多元醇在聚氨酯中的含量決定聚氨酯樹脂的軟硬程度、柔順性和剛性。聚醚多元醇為多元醇、多元胺或其他含有活潑氫的有機(jī)化合物與氧化烯烴開環(huán)聚合而成，具有彈性大、粘度低等優(yōu)點(diǎn)。這類多元醇用的比較多，特別是應(yīng)用于軟質(zhì)泡沫塑料和反應(yīng)注射成型產(chǎn)品中。聚酯多元醇是以各種有機(jī)多元酸和多元醇通過酯化反應(yīng)而得到的。二元酸和二元醇合成的線型聚酯多元醇主要用于軟質(zhì)聚氨酯，二元酸與三元醇合成的支鏈型聚酯多元醇主要用于硬質(zhì)聚氨酯。

（3）催化劑   在聚氨酯聚合過程中還需要加入催化劑，以加速聚合過程，一般有胺類和錫類兩種，常用的胺類有三乙烯二胺、N-氨基嗎啡啉等，錫類有二月桂酸二丁基錫、辛酸亞錫等

（4）擴(kuò)鏈劑   常用的擴(kuò)鏈劑是低相對(duì)分子質(zhì)量的二元醇和二元胺，它們與異氰酸酯反應(yīng)生成聚合物中的硬段。常用的擴(kuò)鏈劑有乙二醇、丙二醇、丁二醇、己二醇等。二元胺一般都采用芳香族二元胺，如二苯甲烷二胺、二氯二苯基甲烷二胺等。

二、        結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響

任何高分子材料的性能均由其結(jié)構(gòu)決定,聚氨酯結(jié)構(gòu)包含化學(xué)結(jié)構(gòu)和聚集結(jié)構(gòu)兩方面?；瘜W(xué)結(jié)構(gòu)即分子鏈結(jié)構(gòu),是合成之初配方設(shè)計(jì)中需要著重考慮的因素;聚集結(jié)構(gòu)是指大分子鏈段的堆積狀態(tài),受分子鏈結(jié)構(gòu)、合成工藝、使用條件等的影響。具體有以下幾方面的影響：

（1）軟段對(duì)性能的影響

聚醚、聚酯等低聚物多元醇組成軟段。軟段在聚氨酯中占大部分，不同的低聚物多元醇與二異氰酸酯制備的聚氨酯性能各不相同。

極性強(qiáng)的聚酯作軟段得到的聚氨酯彈性體及泡沫的力學(xué)性能較好。因?yàn)?，聚酯制成的聚氨酯含極性大的酯基，這種聚氨酯內(nèi)部不僅硬段間能夠形成氫鍵，而且軟段上的極性基團(tuán)也能部分地與硬段上的極性基團(tuán)形成氫鍵，使硬相能更均勻地分布于軟相中，起到彈性交聯(lián)點(diǎn)的作用。在室溫下某些聚酯可形成軟段結(jié)晶，影響聚氨酯的性能。聚酯型聚氨酯的強(qiáng)度、耐油性、熱氧化穩(wěn)定性比PPG聚醚型的高，但耐水解性能比聚醚型的差。聚四氫呋喃（PTMEG）型聚氨酯，由于PTMEG規(guī)整結(jié)構(gòu)，易形成結(jié)晶，強(qiáng)度與聚酯型的不相上下。一般來說，聚醚型聚氨酯，由于軟段的醚基較易旋轉(zhuǎn)，具有較好的柔順性，優(yōu)越的低溫性能，并且聚醚中不存在相對(duì)易于水解的酯基，其耐水解性比聚醚型好。聚醚軟段的醚鍵的α碳容易被氧化，形成過氧化物自由基，產(chǎn)生一系列的氧化降解反應(yīng)。以聚丁二烯為軟段的聚氨酯，軟段極性弱，軟硬段間相容性差，彈性體強(qiáng)度較差。含側(cè)鏈的軟段，由于位阻作用，氫鍵弱，結(jié)晶性差，強(qiáng)度比相同軟段主鏈的無側(cè)基聚氨酯差。

軟段的分子量對(duì)聚氨酯的力學(xué)性能有影響，一般來說，假定聚氨酯分子量相同，其軟段若為聚酯，則聚氨酯的強(qiáng)度隨作聚酯二醇分子量的增加而提高；若軟段聚醚，則聚氨酯的強(qiáng)度隨聚醚二醇分子量的增加而下降，不過伸長(zhǎng)率卻上升。這是因?yàn)榫埘バ蛙浂伪旧順O性就較強(qiáng)，分子量大則結(jié)構(gòu)規(guī)整性高，對(duì)改善強(qiáng)度有利，而聚醚軟段則極性較弱，若分子量增大，則聚氨酯中硬段的相對(duì)含量就減小，強(qiáng)度下降。

軟段的結(jié)晶性對(duì)線性聚氨酯鏈段的結(jié)晶性有較大的貢獻(xiàn)。一般來說，結(jié)晶性對(duì)提高聚氨酯制品的性能是有利的，但有時(shí)結(jié)晶會(huì)降低材料的低溫柔韌性，并且結(jié)晶性聚合物常常不透明。為了避免結(jié)晶，可打亂分子的規(guī)整性，如采用共聚酯或共聚醚多元醇，或混合多元醇、混合擴(kuò)鏈劑等。

（2）硬段對(duì)性能的影響

聚氨酯的硬段由反應(yīng)后的異氰酸酯或多異氰酸酯與擴(kuò)鏈劑組成，含有芳基、氨基甲酸酯基、取代脲基等強(qiáng)極性基團(tuán)，通常芳香族異氰酸酯形成的剛性鏈段構(gòu)象不易改變，常溫下伸展成棒關(guān)狀。硬鏈段通常影響聚合物的軟化熔融溫度及高溫性能。

異氰酸酯的結(jié)構(gòu)影響硬段的剛性，因而異氰酸酯的種類對(duì)聚氨酯材料的性能有很大影響。芳族異氰酸酯分子中剛性芳環(huán)的存在、以及生成的氨基甲酸酯鍵賦予聚氨酯較強(qiáng)的內(nèi)聚力。對(duì)稱二異氰酸酯使聚氨酯分子結(jié)構(gòu)規(guī)整有序，促進(jìn)聚合物的結(jié)晶，故4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）比不對(duì)稱的二異氰酸酯（如TDI）所制聚氨酯的內(nèi)聚力大，模量和撕裂強(qiáng)度等物理機(jī)械性能高。芳香族異氰酸酯制備的聚氨酯由于硬段含剛性芳環(huán)，因而使其硬段內(nèi)聚強(qiáng)度增大，材料強(qiáng)度一般比脂肪族異氰酸酯型聚氨酯的大，但抗紫外線降解性能較差，易泛黃。脂肪族聚氨酯則不會(huì)泛黃。不同的異氰酸酯結(jié)構(gòu)對(duì)聚氨酯的耐久性也有不同的影響，芳香族比脂肪族異氰酸酯的聚氨酯抗熱氧化性能好，因?yàn)榉辑h(huán)上的氫較難被氧化。

擴(kuò)鏈劑對(duì)聚氨酯性能也有影響。含芳環(huán)的二元醇與脂肪族二元醇擴(kuò)鏈的聚氨酯相比有較好的強(qiáng)度。二元胺擴(kuò)鏈劑能形成脲鍵，脲鍵的極性比氨酯鍵強(qiáng)，因而有二元胺擴(kuò)鏈的聚氨酯比二元醇擴(kuò)鏈的聚氨酯具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、模量、粘附性、耐熱性，并且還有較好的低溫性能。澆注型聚氨酯彈性體多采用芳香族二胺MOCA作擴(kuò)鏈劑，除固化工藝因素外，就是因?yàn)閺椥泽w具有良好的綜合性能。

聚氨酯的軟段在高溫下短時(shí)間不會(huì)很快被氧化和發(fā)生降解，但硬段的耐熱性影響聚氨酯的耐溫性能，硬段中可能出現(xiàn)由異氰酸酯反應(yīng)形成的幾種鍵基團(tuán)，其熱穩(wěn)定性順序如下：

異氰脲酸酯＞脲＞氨基甲酸酯＞縮二脲＞脲基甲酸酯

其中最穩(wěn)定的異氰酸酯在270℃左右才開始分解。氨酯鍵的熱穩(wěn)定性隨著鄰近氧原子碳原子上取代基的增加及異氰酸酯反應(yīng)性的增加或立體位阻的增加而降低。并且氨酯鍵兩側(cè)的芳香族或脂肪族基團(tuán)對(duì)氨酯鍵的熱分解性也有影響，穩(wěn)定性順序如下：

R-NHCOOR＞Ar-NHCOOR＞R-NHCOOAr＞Ar-NHCOOAr

提高聚氨酯中硬段的含量通常使硬度增加，彈性降低。

（3）聚氨酯的形態(tài)結(jié)構(gòu)

聚氨酯的性能，歸根結(jié)底受大分子鏈形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。特別是聚氨酯彈性體材料，軟段和硬段的相分離對(duì)聚氨酯的性能至關(guān)重要，聚氨酯的獨(dú)特的柔韌性和寬范圍的物性可用兩相形態(tài)學(xué)來解釋。聚氨酯材料的性能在很大程序上取決于軟硬段的相結(jié)構(gòu)及微相分離程度。適度的相分離有利于改善聚合物的性能。

從微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)看，在聚氨酯中，強(qiáng)極性和剛性的氨基甲酸酯基等基團(tuán)由于內(nèi)聚能大，分子間可以形成氫鍵，聚集在一起形成硬段微相區(qū)，室溫下這些微區(qū)呈玻璃態(tài)次晶或微晶；極性較弱的聚醚鏈段或聚酯等鏈段聚集在一起形成軟段相區(qū)。軟段和硬段雖然有一定的混容，但硬段相區(qū)與軟段相區(qū)具有熱力學(xué)不相容性質(zhì)，導(dǎo)致產(chǎn)生微觀相分離，并且軟段微區(qū)及硬段微區(qū)表現(xiàn)出各自的玻璃化溫度。軟段相區(qū)主要影響材料的彈性及低溫性能。硬段之間的鏈段吸引力遠(yuǎn)大于軟段之間的鏈段吸引力，硬相不溶于軟相中，而是分布其中，形成一種不連續(xù)的微相結(jié)構(gòu)，常溫下在軟段中起物理交聯(lián)點(diǎn)的作用，并起增強(qiáng)作用。故硬段對(duì)材料的力學(xué)性能，特別是拉伸強(qiáng)度、硬度和抗撕裂強(qiáng)度具有重要影響。這就是聚氨酯彈性體中即使沒有化學(xué)交聯(lián)，常溫下也能顯示高強(qiáng)度、高彈性的原因。聚氨酯彈性體中能否發(fā)生微相分離、微相分離的程度、硬相在軟相中分布的均勻性都直接影響彈性體的力學(xué)性能。

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（4）氫鍵

氫鍵存在于含電負(fù)性較強(qiáng)的氮原子、氧原子的基團(tuán)和含H原子的基團(tuán)之間，與基團(tuán)內(nèi)聚能大小有關(guān)，硬段的氨基甲酸酯或脲基的極性強(qiáng)，氫鍵多存在于硬段之間。據(jù)報(bào)道，聚氨酯中的多種基團(tuán)的亞胺基（NH）大部分能形成氫鍵，而其中大部分是NH與硬段中的羰基形成的，小部分與軟段中的醚氧基或酯羰基之間形成的。與分子內(nèi)化學(xué)鍵的鍵合力相比，氫鍵是一種物理吸引力，極性鏈段的緊密排列促使氫鍵形成；在較高溫度時(shí)，鏈段接受能量而活動(dòng)，氫鍵消失。氫鍵起物理交聯(lián)作用，它可使聚氨酯彈性體具有較高的強(qiáng)度、耐磨性。氫鍵越多，分子間作用力越強(qiáng)，材料的強(qiáng)度越高。

（5）交聯(lián)度

分子內(nèi)適度的交聯(lián)可使聚氨酯材料硬度、軟化溫度和彈性模量增加，斷裂伸長(zhǎng)率、永久變形和在溶劑中的溶脹性降低。對(duì)于聚氨酯彈性體，適當(dāng)交聯(lián)，可制得機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)良、硬度高、富有彈性，且有優(yōu)良耐磨、耐油、耐臭氧及耐熱性等性能的材料。但若交聯(lián)過度，可使拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等性能下降。

聚氨酯化學(xué)交聯(lián)一般是由多元醇（偶爾多元胺或其它多官能度原料）原料或由高溫、過量異氰酸酯而形成的交聯(lián)鍵（脲基甲酸酯和縮二脲等）引起，交聯(lián)密度取決于原料的用量。與氫鍵引起的物理交聯(lián)相比，化學(xué)交聯(lián)具有較好的熱穩(wěn)定性。

聚氨酯泡沫塑料是交聯(lián)型聚合物，其中軟制裁泡沫塑料由長(zhǎng)鏈聚醚（或聚酯）二醇及三醇與二異氰酸酯及擴(kuò)鏈交聯(lián)劑制成，具有較好的彈性、柔軟性；硬質(zhì)泡沫塑料由高官能度、低分子量的聚醚多元醇與多異氰酸酯（PAPI）等制成，由于很高的交聯(lián)度和較多剛性苯環(huán)的存在，材料較脆。有研究表明，隨著脲基甲酸酯、縮二脲等基團(tuán)的增加，軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的耐疲勞性能下降。

三、        聚氨酯的幾個(gè)實(shí)際應(yīng)用

（1）鯊魚皮泳衣

鯊魚皮泳衣是人們根據(jù)其外形特征起的綽號(hào)，它的核心技術(shù)在于模仿鯊魚的皮膚。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過，鯊魚得以快速游動(dòng)?？炱さ某煺估w維表面便是完全仿造鯊魚皮膚表面制成的。此外，這款泳衣還充分融合了仿生學(xué)原理：在接縫處模仿人類的肌腱，為運(yùn)動(dòng)員向后劃水時(shí)提供動(dòng)力；在布料上模仿人類的皮膚，富有彈性。實(shí)驗(yàn)表明，鯊魚皮的纖維可以減少3% 水的阻力，這在1秒就能決定勝負(fù)的游泳比賽中有著非凡意義。根本原因：“鯊魚皮”使用了能增加浮力的聚氨酯纖維材料。

固體浮力材料是一種低密度、高強(qiáng)度多孔結(jié)構(gòu)材料。講聚氨酯彈性體噴涂在材料表面作為阻水層使用，能有效降低材料的吸水率和體積變形率，對(duì)提高固體浮力材料水下使用安全性和可靠性有重要的意義

（2）運(yùn)動(dòng)員球鞋鞋底

聚胺脂底的特點(diǎn)：

聚胺脂底 很輕巧， 粘膠率好于橡膠底和牛筋底，舒適性也要好于橡膠底和牛筋底。

聚胺脂底，尺寸穩(wěn)定性好，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)；優(yōu)異的耐磨性能、耐撓曲性能；優(yōu)異的減震、防滑性能；較好的耐溫性能；良好的耐化學(xué)品性能等等。但聚胺脂底要分為加密聚胺脂底和發(fā)泡聚胺脂底兩種。

發(fā)泡聚胺脂密度要比加密型聚胺脂底低，發(fā)泡聚胺脂底要比加密型聚胺脂還要柔軟，發(fā)泡聚胺脂底重量也要比加密型聚胺脂底還要再輕一些，發(fā)泡聚胺脂底成本也要比加密型聚胺脂底便宜一半。發(fā)泡聚胺脂底光澤度也不如加密型聚胺脂底亮；發(fā)泡聚胺脂底耐穿度不如加密型聚胺脂．

加密型聚胺脂鞋底耐磨度是普通橡膠鞋底的5倍，發(fā)泡聚胺脂底耐磨程度是普通橡膠底的2分之一。

聚胺脂底的性能:

聚氨酯鞋底通常在生產(chǎn)中會(huì)形成各種氣泡，具有彈性.質(zhì)輕,耐磨,耐折,耐油,耐化學(xué)品.防腐蝕等特點(diǎn),以微孔聚氨酯彈性體為主的PU鞋材手感柔軟,穿著舒適,保暖,富有彈性,防震.防滑。

聚氨酯鞋底分為加密型和發(fā)泡型，加密型聚氨酯底非常輕，軟硬適中，手工制造，耐磨耐穿，維修方便，不易開膠斷底。發(fā)泡型聚氨酯底因成份少，自然就很軟，但不耐磨，不易開膠，一但開膠就無法修理。

聚氨酯鞋底廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)休閑鞋,運(yùn)動(dòng)鞋,工作鞋.涼鞋.旅游鞋、男女皮鞋、防護(hù)鞋等.使用膠粘劑將聚氨酯鞋底和鞋子幫面二者粘合在一起，因?yàn)檩p，所以脫膠率比橡膠底要低。

（3）聚氨酯涂料

性能：

優(yōu)異的耐磨性

優(yōu)良的耐化學(xué)品和耐油性

附著力強(qiáng)

低溫固化性能

高裝飾性能

性能多樣性，可調(diào)性。通過配方的改進(jìn)，聚氨酯的涂膜可以做成高硬度的涂膜，也可以制成柔韌性極好的彈性涂膜，大大加強(qiáng)了聚氨酯涂料的應(yīng)用范圍。

耐高溫、低溫性。

涂膜固化后無毒性。

環(huán)保型   水性聚氨酯涂料   不含或喊很少的有機(jī)溶劑

用途:

飛機(jī)外壁涂料。

木器涂料。

交通運(yùn)輸工具。

防腐蝕涂裝。

機(jī)床及儀表儀器涂裝。

塑料涂料。

聚氨酯涂料應(yīng)用廣泛，除上述用途外，丙烯酸聚氨酯可用作磁記錄涂料、聚酯聚氨酯作電絕緣涂料、透明彈性聚氨酯作防霧涂料等?？傊郯滨ネ苛峡捎糜谄囆袠I(yè)、航空、海洋、建筑、塑料、機(jī)電、石化等各個(gè)領(lǐng)域。

（4）聚氨酯膠黏劑

膠黏的原理：

    聚氨酯膠粘劑中含有很強(qiáng)極性和化學(xué)活潑性的-NCO-（異氰酸根）、-NHCOO-（氨基甲酸酯基團(tuán)），與含有活潑氫的基材，如泡沫、塑料、木材、皮革、織物、紙張、陶瓷等多孔材料，以及金屬、玻璃、橡膠、塑料等表面光潔的材料都有優(yōu)良的化學(xué)粘接力。

特性：

具備優(yōu)異的抗剪切強(qiáng)度和抗沖擊特性，適用于各種結(jié)構(gòu)性粘合領(lǐng)域，并具備優(yōu)異的柔韌特性；

    聚氨酯膠粘粘劑能適應(yīng)不同熱膨脹系數(shù)基材的粘合，它在基材之間形成具有軟-硬過渡層，不僅粘接力強(qiáng)，同時(shí)還具有優(yōu)異的緩沖、減震功能；

   聚氨酯膠粘劑的低溫和超低溫性能超過所有其他類型的膠粘劑；

水性聚氨酯膠粘劑——水性聚氨酯膠粘劑具有低或無環(huán)境污染、不燃等特點(diǎn)，是聚氨酯膠粘劑的重點(diǎn)發(fā)展方向。