聚氨酯是一种多功能多用途的合成高分子材料,通常由低聚物多元醇、多异氰酸酯和扩链剂/交联剂反应制得,其制品涵盖泡沫塑料、合成橡胶、塑料、合成纤维、涂料、胶黏剂等许多合成材料领域,以硬泡保温材料、软泡垫材、弹性体零部件、微孔弹性体鞋材、高弹纤维、织物及革涂层、油漆涂料、胶黏剂、密封胶及灌封胶、防水及防护涂料、仿木材料、处理剂等产品方式应用于冷链、交通、建筑、家居、服装鞋革、机械配件、食品、包装印刷、体育器材、国防军事等等各行各业,这是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯酸酯等高分子合成材料无法比拟的。
1937年德国的奥托•拜耳(Otto Bayer)发现聚氨酯的工业应用价值,1941~1942年,德国Bayer公司建立了1200吨/年的聚氨酯工厂,初始的聚氨酯生产技术开始被开发,并在欧美开始发展,同时逐渐向其他国家和地区扩散。从全球聚氨酯制品产量变化来看,1956年仅为3600多吨,到1967年已增长到27万多吨,1983年全球聚氨酯的总产量约为380万吨,1998年全球聚氨酯产量为770万吨,2000年超过860万吨,2010年全球聚氨酯产量约1669万吨,2012年约1896万吨,2018年产量约2307万吨。目前聚氨酯增长平稳,预计到2022年全球聚氨酯产量将超过2570万吨。未来几年(2019-2022年)预计全球聚氨酯消费规模总体还将保持逐年上升的趋势,平均每年增长速度保持在6.7%左右。
我国聚氨酯工业始于20世纪50年代末,并缓慢发展,六十年代后期年产量估计在1000吨左右,1978年以前全国聚氨酯制品产量仅5000吨/年左右。随着异氰酸酯MDI等原料装置的引进建设,中国的聚氨酯产业开始加速发展。1989年,我国聚氨酯原料产量达3.22万吨,制品产量达9.93万吨(某些制品如涂料、胶黏剂,产量估计值含溶剂,下同),只占全球总产销量425万吨的2.34%。90年代以后,随着万吨级大型异氰酸酯和聚醚装置的引进投产,中国聚氨酯工业步入了飞速发展阶段。1998年聚氨酯产品总量约77.0万吨,2000年92.2万吨,2010年我国聚氨酯产品消费量增加到650万吨,2014年增长到960万吨。
2018年聚氨酯消费量达到1250万吨(其中聚氨酯泡沫约占39%,合成革树脂浆料约17%,鞋底原液约5%,聚氨酯涂料约16%,弹性体约10%,聚氨酯胶黏剂含密封胶约6%,氨纶约6%)。
我国聚氨酯产消总量已超过欧美国家,人均消耗量却远低于发达国家,但目前我国的聚氨酯产业发展速度很快,增长速率始终高于GDP增速。
1.2 弹性聚氨酯材料应用领域和发展前景
聚氨酯弹性材料属于嵌段聚合物,即聚氨酯大分子由“软段”和“硬段”构成并形成微观相分离结构,其中硬段(来源于异氰酸酯和扩链剂)分散在软段相区(来源于低聚物多元醇)中起到物理交联点的作用,因此相较其他合成橡胶(弹性体),聚氨酯弹性体具有更优异的强度和耐磨性,硬度高时仍可保持高伸长率。
弹性类聚氨酯材料,国外简称“CASE”, 主要包括传统聚氨酯弹性体制品,聚氨酯塑胶跑道等铺装材料、聚氨酯防水涂料、胶黏剂以及密封胶、灌封胶等,约占聚氨酯产品总量的40%左右,绝大多数CASE材料的固化物(水性和溶剂型产品除去水和溶剂后)是非泡沫弹性聚氨酯材料。其中PU合成革树脂、部分涂料和胶黏剂是溶剂型或水性产品,也可以认为是广义上的聚氨酯弹性体材料。狭义上的聚氨酯弹性体指浇注型聚氨酯弹性体(CPU)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)和混炼型聚氨酯弹性体(MPU),占聚氨酯总量的10%或略低,其中CPU和TPU是主要的聚氨酯弹性体,它们的区别在于生产工艺和扩链剂等因素。这类传统的聚氨酯弹性体也称为“聚氨酯橡胶”,属于一类特种合成橡胶,高性能的聚氨酯弹性体是所有合成高分子材料中耐磨性最好的材料,有“耐磨王”之称,在许多领域应用广泛,并且新的应用还在拓展之中。
聚氨酯弹性体在某些领域可用来替代金属、塑料和普通橡胶。DMTDA,二甲硫基甲苯二胺,DETDA
与金属材料相比,聚氨酯弹性体具有重量轻、噪音低、耐损耗、加工费用低及耐酸腐蚀等优点。与塑料相比,有高韧性、高耐磨性等优点。与一般橡胶相比,聚氨酯弹性体具有耐磨、耐切割、耐撕裂、高承载性,耐臭氧等优点,并且制造简单,可灌封、浇注,硬度范围广。