聚氨酯泡沫(多孔性聚氨酯材料)

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聚氨酯泡沫（英文名：Polyurethane foam，PUF），又称聚氨酯泡沫塑料，全称为聚氨基甲酸酯泡沫塑料，是由大量微细孔及聚氨酯没药树孔壁经络组成的多孔性聚氨酯材料。

聚氨酯泡沫的主要原料为多元醇和异氰酸酯，按硬度可分为硬质、软质及半硬质聚氨酯泡沫。聚氨酯泡沫的主要特征为多孔性、相对密度小、比强度高，同时具备优良的物理机械性能、声学性能、电学性能和耐化学性能。其发泡方式通常分为预聚体法、半预聚体法和一步自由发泡法。

聚氨酯泡沫的密度、强度、硬度等均可随原料配方调整，且成型施工方便，广泛应用于冷藏运输、建筑绝热、家具制造等领域。其回收利用方法主要有物理法、化学法和能源法。聚氨酯泡沫易燃，燃烧会产生剧毒氰化氢气体，可致人快速中毒死亡。其使用管控不应仅限于人员密集的公共场所，还应覆盖企业用房、高层住宅外立面及室内装修，有必要采取强制性管控措施。聚氨酯泡沫有毒，未固化泡沫具有刺激性，施工需做好通风防火，佩戴护天文望远镜目镜与手套，避免罐体倒置，泡沫接触眼肤应立即用大量清水冲洗，必要时就医。

定义

聚氨酯泡沫是由大量微细孔及聚氨酯没药树孔壁经络组成的多孔性聚氨酯材料。

主要原料

聚氨酯泡沫的主要原料为多元醇和异氰酸酯，用于聚氨酯泡沫的有机异氰酸酯通常有甲苯二异氰酸酯（简称TDI），4，4`-二苯基甲烷二异氰酸酯（简称MDI），多次甲基多苯基多异氰酸酯（简称PAPI）等及少量作特殊用途的其它脂肪族和芳香族的有机异氰酸酯。多元醇包括聚酯和聚醚多元醇二大类。

聚酯是二元酸和二元或多元醇的缩聚产物。通常采用的二元酸有己二酸、邻苯二甲酸酐、顺丁烯二酸、卤代苯二甲酸酐等有机酸。多元醇一般为乙二醇、丙二醇、一缩乙二醇、己三醇、1,1,1-三羟甲基丙烷、丙三醇、季戊四醇等。聚醚一般都是以多元醇、多元胺或其它含有活泼氢的有机化合物为起始剂与氧化烯烃开环聚合而成。常用的起始剂有乙二醇、乙二胺、丙三醇、三羟甲基丙烷、季戊四醇、木糖醇、甘露醇、蔗糖、山梨醇、葡萄糖、木质素等。助剂主要包括：催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、交链剂、阻燃剂、防老剂、填料、颜料等。

产品类型

根据软硬程度，聚氨酯泡沫可分为聚氨酯硬泡塑料、聚氨酯软泡塑料及介于两者之间的半硬质聚氨酯泡沫塑料三种。

按所用的多元醇品种分类，聚氨酯泡沫可分为聚酯型、聚醚多元醇型和蓖麻油型聚氨酯泡沫塑料等。

按发泡方法分类，聚氨酯泡沫可分为块状、模塑和喷涂聚氨酯泡沫塑料等类型。

特性

聚氨酯泡沫的主要特征是具有多孔性，因而相对密度小，比强度高。

聚氨酯泡沫塑料具有优良的物理机械性能、声学性能、电学性能和耐化学性能，尤其是硬质聚氨酯泡沫塑料的热导率特别低，是一种优质的绝热保温保冷材料。聚氨酯泡沫塑料的密度大小及软硬程度均可以随着原料及配方的不同而改变，加上成型施工方便，使其它塑料品种无法与它相比。

制备方法

聚氨酯泡沫的发泡方式通常分为以下三种：

预聚体法的具体步骤是：在反应容器中加入足量的聚醚多元醇或聚酯多元醇，在室温下搅拌，同时加入异氰酸酯，得到预聚体，再将预聚体与其他助剂进行混合，比如匀泡剂、催化剂、水、交联剂，最终制成泡沫材料。

半预聚体法是先将部分多元醇与异氰酸酯进行混合，然后加入另一部分的主要原料与其他小分子助剂，经高速搅拌后进行发泡。半预聚体发泡方法一般多用于制备硬质和半硬质聚氨酯泡沫，不用于制备软质聚氨酯泡沫。

一步自由发泡法是最普遍的聚氨酯发泡方式，具体是将多元醇、匀泡剂、发泡剂、催化剂等其他助剂一同加入反应容器，搅拌几秒后迅速倒入异氰酸酯，因发泡过程中释放出大量热量，故泡沫制成后不需要高温固化，同时采用的硅油匀泡剂能够保证物料在黏度较低情况下形成的泡沫材料泡孔均匀。此方法的优点是操作简单、成本低，无需大量空间。

采用预聚体制法备聚氨酯泡沫，发泡过程较为复杂，不适用实验研究，所以本次研究采取一步法自由发泡方式制备软质聚氨酯泡沫，有利于在聚醚多元醇中加入不同质量的阻燃剂，且有利于搅拌混合均匀。关于发泡剂的选择，物理发泡剂与化学发泡剂均为研发人员常用的发泡剂，物理发泡剂是指溶于聚氨酯泡沫基本原料的液体或气体，当增加体系的温度或压力时，有气体逸出，从而发挥发泡作用，但存在发泡过程不易控制的缺点。化学发泡剂原理是通过与异氰酸酯基团发生反应，生成以二氧化碳为主的一些气体，起到发泡作用，但有些发泡剂会在发挥作用的同时释放有毒、有害气体，对人体造成伤害，对环境造成污染，比如环戊烷，基本已经禁止使用。本文选择水作为制备软质聚氨酯泡沫的发泡剂，既降低了成本，又不会对环境造成污染。

应用

聚氨酯泡沫的密度、强度、硬度等均可以随着原料配方的不同而改变，再加上其成型施工十分方便，因此在国民经济领域获得了越来越广泛的应用。如在冷藏运输、建筑绝热、家具制造等方面。此外，聚氨酯泡沫还应用在农业、医药卫生、三废治理、节能、宇宙飞行、国防军事尖端等领域，成为塑料中应用范围最广的品种之一。

聚氨酯软泡的应用

软质聚氨酯泡沫塑料有块状泡沫和模塑泡沫两种主要生产方式。制品主要用于家具垫材、吸音材料、玩具、包装材料等。

聚氨酯软泡是制作家具软垫及桨轮船座椅的理想材料。家具座椅、沙发、汽车坐垫和靠背等的垫材基本上都是聚氨酯软泡，是聚氨酯软泡用量最大的市场。坐垫用泡沫塑料的密度一般在35千克/平方米以上。泡沫块泡可切割成规整或异形材，制造各种软垫，坐垫一般由聚氨酯软泡和塑料（或金属）骨架支撑材料制成，但人们开发了全聚氨酯坐垫，是采用双硬度聚氨酯软泡制造的；例如采用硬度较高的聚酯型泡沫作为支撑件，坐垫表面层使用聚醚多元醇泡沫塑料或高回弹泡沫塑料。用聚氨酯块泡制造坐垫时，一般裁成简单的长方体。如火车和大客车上的长坐椅、沙发等。外形复杂的坐垫，特别是各种车辆及其他交通工具用软坐垫，基本上全部采用模塑泡沫塑料。高回弹泡沫塑料具有较高的承载能力，较好的舒适度，已广泛应用于各种车辆的坐垫、靠背、扶手等。聚氨酯软泡透气透湿性好，还适合制作床垫。例如，我国的床垫大多数由聚氨酯软泡片材、弹簧及面料等制成，也可用不同硬度密度的聚氨酯制成双硬度床垫，或单一材料的全软泡床垫。

开孔的聚氨酯软泡具有良好的吸音消振性能，可用于具有宽频音响装置的室内隔音材料，也可直接用于遮盖噪声源（如鼓风机和空调器等）。汽车音响、扬声器等采用开孔泡沫做吸音材料，可以使传出的音质更优美。聚氨酯块泡制成的薄片材可与PVC材料、织物复合，用作汽车车厢内壁衬里，利用聚氨酯泡沫的吸音作用可降低噪声，并起到一定装饰效果，也有利于乘客安全。

聚氨酯软泡片材与各种纺织面料采用火焰复合法或黏合法制成的层压复合材料，是软泡的经典应用领域之一。多采用聚酯型聚氨酯软泡，复合薄片质轻，具有良好的隔热性和透气性，特别适合用作服装内衬。例如用作服装垫肩、内衣海绵垫、各类鞋子的衬里以及手提包的衬里等。复合泡沫塑料还大量用于室内装饰材料和家具的包覆材料，以及车辆座椅的罩布等。织物与聚氨酯软泡制成的复合材料与组合铝合金金属条、高强力黏扣带等制成医用绷臂、绷腿、颈围等支具产品，透气性是石膏绷带的200倍。

聚氨酯可用于制造多种玩具。为了幼儿的安全，应用于玩具的大多数为软质泡沫塑料，少量是半硬泡。采用整皮聚氨酯软泡原料，以简单的没药树模具，可模塑各种形状的整皮软泡玩具制品，如地球及足球等球形模型玩具、各种动物模型玩具等。采用彩色喷漆工艺可使玩具具有丰富的色彩。采用慢回弹原料生产的实心玩具在受压后慢慢恢复，增加了玩具的玩赏性。除了用模塑工艺制作玩具外，也可用块泡的边角料切割成一定形状，用聚氨酯软泡胶黏剂粘接成多种造型的玩具。

由于聚氨酯软泡弹性好、质轻，是一种理想的包装材料，特别适合用于轻质贵重物品的包装。采用适当的制造方法，可使软泡包装材料的外形与被包装物品完全吻合。聚氨酯软泡还可用于容器和管道的保温，其保温性能虽然不如硬泡，但它与被保温物体表面的吻合性好，可用于临时或长期保温，无须像硬泡那样现场灌注成型。例如用于管道保温时，可将块泡裁成的片材缠绕在管道上，再用PVC外壳包覆。聚氨酯软泡可制作体操、柔道和摔跤运动的保护软垫，也可作为跳高和撑竿跳的抗冲击垫等，还可用于制造体育用球类。聚氨酯泡沫用于地毯背衬可使地毯具有较好的弹性。软泡边角料可粉碎和黏结，用于地毯背衬以及其他垫材。聚氨酯软泡配方中采用少量特殊表面活性剂制成“乱孔海绵”，可用作洗浴擦澡用品等。开孔性好的软泡可用作过滤材料，过滤空气、液体等，应用于许多领域。特种开孔泡沫塑料可用于喷墨打印机的墨盒储墨泡沫。抗静电聚氨酯软泡可用于计算机等设备的包装材料。

聚氨酯硬泡的应用

由于硬质聚氨酯泡沫塑料具有重量轻、绝热效果好、施工方便等特点，还具有隔音、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等优良特性，在中国外已广泛应用于航天、船舶、石油、电子设备、车辆、食品等工业部门。较低密度的聚氨酯硬泡主要用作隔热（保温）材料，较高密度的聚氨酯硬泡可用作结构材料（仿木材）。聚氨酯硬泡的导热系数比聚苯乙烯及其他泡沫塑料以及天然保温材料低，绝热效果优良，并且可现场浇铸或喷涂成型，与被保温材料结合成一体，使得保温效果更好。因此，在保温隔热领域，聚氨酯泡沫塑料是首选材料，应用面大。聚氨酯硬质泡沫塑料主要应用于以下几个方面：

为了达到较理想的保温效率，经过选择，聚氨酯硬泡成为冷冻、冷藏设备最理想的绝热材料。冰箱、冷柜是居民家庭和食品工业等行业普遍使用的电器。聚氨酯硬泡做绝热层的冰箱、冷柜，绝热层薄，在相等外部尺寸条件下，有效容积比其他材料做绝热层时大得多，并减轻冰箱的自重。聚氨酯硬泡强度较高，浇铸在冰箱的壳体与内衬之间，形成整体无须其他支撑材料，因而不存在“热桥”，确保了冰箱、冷柜整体优异的绝热效果。冷冻冷藏室、大型冷库也多用聚氨酯泡沫塑料做隔热材料，多采用硬泡金属夹心板材组装，方便、快捷。聚氨酯硬泡还用于冷藏车、冷藏集装箱等的绝热材料，能保证长距离运输过程中冷冻食品温度在所要求的范围内。

许多酿酒、化工、储运等企业，存在不同的保热、保冷等要求，聚氨酯硬泡施工方便、卫生，保温效果优良，是良好的保温材料。储罐、管道是石油、天然气、炼油、化工、轻工等工业生产中常用的设备，为防止热量或冷量在储罐储存或者在输送过程中损失，冷/热储罐和管道必须采取保温措施。城镇集中供热的管道也采用聚氨酯硬泡为隔热层材料。

房屋建筑是聚氨酯硬泡最重要的应用领域，用作住宅和办公楼屋顶的隔热防水，冷库、粮库等的保温材料等。

除了上述的用于冷藏运输工具保温材料外，硬质聚氨酯泡沫塑料还应用于汽车、火车、船舶等交通工具的其他部件。聚氨酯硬泡广泛用于汽车顶篷和车内侧内饰件，以前是织物或聚氯乙烯薄膜与聚氨酯软泡复合而成，基本上采用聚氨酯硬泡材料，如浇铸硬泡、喷涂硬泡、玻璃纤维增强硬泡以及热成型硬泡片材与装饰材料的热压配位化合物等。特别是采用开孔性泡沫制成的热成型复合硬泡，提高了车辆的装配效率，且强度、尺寸稳定性、隔热性、吸声性等都能满足使用要求。硬质结构泡沫塑料用于多种汽车部件，如车门板、行李箱盖板、发动机盖板等。火车车厢采用聚氨酯硬泡进行保温效果也很好。硬质泡沫塑料还用于液化气船及液化气气储罐等的深冷隔热材料，气化率低，比矿棉等保温效果好得多。

高密度（密度为300~700千克/平方米）聚氨酯硬泡或玻璃纤维增强硬泡是结构泡沫塑料，又称仿木材料。模塑成型的聚氨酯结构硬泡通常是整皮硬泡，具有强度高、韧性好、结皮致密坚韧、成型工艺简单、生产效率高等特点，强度可比天然木材高，密度可比木材低，可替代木材用作各类高档型材、板材、体育用品、装饰材料、家具、仿木管道管托和工艺品等，并可根据需要调整制品的外观颜色，具有广阔的市场前景。加入阻燃剂制成的结构硬泡具有比木材高得多的阻燃性。例如，结构硬泡在低成本模具中模塑成型所制成的仿木雕装饰线条装饰材料、花盆、工艺品等，具有制作简便、成本低、艺术风格独特的优点。聚氨酯硬泡已用于制作雪橇板等轻质高强度体育娱乐器材。脚架、窗扇、窗框、门框等构件可使用聚氨酯结构泡沫制作。

聚氨酯硬泡材料能方便地对电线等进行灌注密封保护。如用于煤矿井下电缆接线盒的发泡填充，胶料具有较高的机械强度、阻燃自熄、耐腐蚀、无环境污染、固化体无毒等特点，电性能指标能满足要求，适宜井下现场浇铸。聚氨酯硬泡用途很广，日常生活到处可见。如家用热水器、太阳能热水器、鲜啤酒桶夹层中都可采用硬质聚氨酯泡沫塑料做保温材料。这些器具壳体外形与工业用储罐相似，只是体积小得多，绝热原理与效果完全相同。

回收方法

聚氨酯泡沫塑料的回收利用，主要有3种，即物理法、化学法和能源法。

物理回收法

所谓物理回收法，就是首先将各类废弃的聚氨酯制品粉碎，经粉碎后的固体颗粒不具备反应活性而直接作为回收加工的原料，做成新的制品，中国以外国家这种方法研究得最早，实用的技术也较多。在物理回收法中，废弃聚氨酯的精细粉末是通过冷冻或其它机械研磨得到的，这种粉末或者作为填料直接混合于多元醇组分中，得到新的聚氨酯产品，也可以通过压缩模塑的方法，与高性能的粘接剂（一般为聚合MDI，即多苯基多次甲基多异氰酸酯PMDI）混合，制做成各种模制品，该方法是物理回收中最普遍的工艺，制品中废弃聚氨酯粉末的使用量可高达90%。被加工成粉末的废弃聚氨酯，不仅可以是硬泡、软泡，也可以是纤维、弹性体等。在建筑工业领域，还可将硬质聚氨酯泡沫粉末直接添加到混凝土中，以提高混凝土的绝热效果。

物理方法回收利用聚氨酯废旧料是指改变废旧料的物理形态后直接利用的方法，主要包括热压成型、粘合加压成型、挤出成型和用作填料等，其中以粘合加压成型为主。该方法的要点是：先将废旧聚氨酯硬质泡沫粉碎成细片状，涂撒聚氨酯粘合剂等，再直接通入水蒸气等高温气体，使粘合剂熔融或溶解后将粉状废旧聚氨酯粘接，然后加压固化成一定形状的泡沫。

针对废旧绝热夹芯板聚氨酯泡沫（粉碎后约含70%聚氨酯泡沫、25%纤维、3%铝箔、2%玻璃纤维，难于筛分），若直接作为填料添加到聚醚多元醇中，会导致多元醇粘度急剧增大，添加量仅4%时即变为膏状物无法使用，因此胶粘工艺是可行方案：将硬质聚氨酯泡沫夹心板废旧物料粉碎为约12.7毫米碎片后，加入约6%的PMDI胶粘剂，在转动式混合器中混合，然后在约176℃模压约6min，制成厚约12.7毫米的板材。该板材的内部粘接强度、弯曲强度、硬度、拨螺纹强度优于木质碎料板，耐水性及尺寸稳定性远超过所有木质板材；在密度相等的情况下，其刚度比木质碎料板差，可添加价格低廉的木纤维、回收废纸碎片、木材碎片来增加刚度，满足标准要求。

化学回收方法

所谓化学回收方法，是采用降解的原理，将高相对分子质量的聚氨酯制品解聚为具有反应活性的低相对分子质量的齐聚物，再将这类齐聚物与其它化合物反应，制得新的制品，这里的降解方法有2种：一是化学降解；二是物理降解。化学降解包括酸解法、碱解法、磷解法等，它们的原理都是使各种酯键、醚键、脲键断裂，形成各种多元醇化合物和胺基化合物的混合液体，这种混合液体可用于制造新的聚氨酯泡沫，聚氨酯胶粘剂和环氧树脂胶粘剂。而物理降解法，则是利用高能超声波将热固性聚氨酯的交联节点断裂，然后再重新交联硫化，制成新的制品。例如，将高回弹泡沫通过挤出机连续挤入一个高能超声波反应器中，调节不同的挤出速度和超声波振幅，以使体形结构的交联节点断裂，然后与原生的聚氨酯橡胶以一定的比例混合，经硫化后制得新的聚氨酯弹性体。

聚氨酯是由含异氰酸酯基-NCO的化合物，如TDI、MDI等与含活泼氢（如ROH、RNH₂）的化合物通过聚合反应得到的。聚合物中含有氨基甲酸酯键、脲键等。化学回收是在一定条件下，采用醇解、水解、碱解、热解的方法，把软质聚氨酯泡沫中的氨基甲酸酯基和脲基断裂，分解成多元醇及芳香族胺、二氧化碳等，然后通过蒸馏等设备，将其分解物进行分离，达到回收的目的。

醇解法

在对软质聚氨酯废料化学回收的研究中，以醇解法最为活跃，并取得了较好的经济效益和环保效益，是当前重点推广的回收方法。已被研究的醇解方法很多，其中又多以小分子烷基二醇为主要的醇解剂，在一定比例的醇解剂及助醇解剂（如醇胺、叔胺、有机金属化合物）的作用下，反应温度控制在150~250℃进行醇解反应1~5h，即可得到再生多元醇及芳香族胺的混合物。

水解法

在碱氢氧化物的催化下，在250~340℃温度下，向废旧软泡中通入压力为50~150kPa的水蒸气，废旧软泡分解成胺、多元醇、CO₂。所生成的胺和CO₂由水蒸气带出，经冷凝后可回收胺类化合物，而醇类化合物则从裂解器的下部收集。水解温度是回收物产率和质量的保证，有报道称最佳温度为288℃。由于该方法通入的是高压水蒸气，所以有时也叫水蒸气裂解法。这种方法的优点是直接得到回收物种类多，回收来的多元醇可以5%的比例制备软质泡沫，与常规相比，密度、拉伸强度和伸长率均有所提高，只是撕裂强度有所下降；缺点是水解温度相对较高，所得的胺不能直接用于异氰酸酯的生产，多元醇也很难醇化到需求标准，且费用较高，所以该方法尚未实现工业化。

碱解法

以碱氢氧化物如氢氧化钠、氢氧化锂、氢氧化钾、Ca（OH）₂中的一种或多种混合物作分解剂，以季胺盐或硫酸盐作活化剂，加入盛有粉碎的软质泡沫体的分解器中，在搅拌下加热至160℃，即开始分解反应；连续搅拌保温4h左右，即可获得碱解法产物多元醇、二元芳香胺和碳酸钠等。整个过程包括泡沫体的分解、甲苯二胺分离回收、聚醚多元醇的精制回收三部分组成。回收的甲苯二胺纯度可超过98.5%，可直接作为光气化反应的原料，用以生产异氰酸酯。回收的多元醇也可直接用于制备聚氨酯泡沫体，且性能与常规泡沫很接近。

能源法

除了将废弃的聚氨酯回收利用以外，也可以在制造聚氨酯制品时，通过一定的技术手段，使得这类制品在使用寿命以后的不太长的时间内，自然分解为有用的资源，同样能达到环境保护的目的。这类技术在欧美国家研究得比较多，主要是利用农植物制得聚氨酯的原料。例如：利用脱脂大豆粉，先制成大豆多元醇，用水作发泡剂，制得的硬质聚氨酯泡沫，既能降低生产成本、制品的机械强度和导热系数，又能满足工业使用要求，同样，大豆多元醇也能用于软质聚氨酯泡沫塑料。复旦大学也报道了一项专利技术，他们利用天然废弃植物原料在聚醚多元醇中液化，制成可降解多元醇，由此制得的聚氨酯泡沫，可用于保温缓蚀包装材料，不仅性能优良，还具有良好的微生物分解性，避免了废弃物对环境的污染。

另外，据报道，一种被称作聚碳酸酯聚氨酯的泡沫塑料被研制成功。据介绍，大分子中的聚碳酸酯链段在生物作用下可以被分解。因此，这种材料属于生物分解材料。如中科院广州化学研究院以二氧化碳和环氧丙烷为原料，制备了相对分子质量为3000左右的聚碳酸酯多元醇，其中，碳酸酯基团的摩尔分数为30%~40%，由此用全水发泡制得的脂肪族聚碳酸酯聚氨酯半硬泡，比普通半硬泡有更良好的强度，同时，由于结构中含有大量的COO结构单元，因此它的耐温和阻燃性能都要优于普通的泡沫材料。研究还表明，由于碳酸酯链段的存在，这种材料有良好的生物降解性。几乎与此同时，国际也报道了用脂肪族的聚碳酸二醇与碳酸二乙酯在脂肪酶作用下缩合，制得的聚碳酸酯聚氨酯，也具有良好的生物降解性。

注意事项

聚氨酯泡沫有毒、易燃，未固化泡沫具有刺激性，施工中应有良好的通风和防火设施，并注意下列事项：

1、施工时需戴好防护目镜和手套并保证通风良好。

2、如果泡沫触及眼睛或皮肤，请立即用大量水冲洗，必要时请就医。

3、不可倒置，正常状态下罐体处于压力状态，处置不当会有爆裂危险。

定义