室温固化聚氨酯弹性体的应用进展

赵廷午, 李思丝

(1.山西省化工研究所,山西 太原 030021；2.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024)

室温固化聚氨酯弹性体的应用进展

赵廷午1, 李思丝2

(1.山西省化工研究所,山西 太原 030021；2.太原理工大学材料科学与工程学院，山西 太原 030024)

综述了近年来室温固化聚氨酯弹性体在体育设施、建筑、电子、交通等领域的应用和研究进展，并针对应用中存在问题提出了解决方案。

聚氨酯；塑胶场地；轨道交通；密封胶

引 言

聚氨酯弹性体(PUE)是弹性体中比较特殊的一类材料，其综合性能出众，包括良好的机械性能，优异的耐磨、耐油和耐低温等性能，因而被广泛应用于轻纺、建筑、医疗等行业中[1]。聚氨酯弹性体的制备工艺通常是将预聚体与熔融的二醇或二胺混合，然后经过高温熟化成型。但是，对于一些大型制件、形状复杂或需现场浇注的制品，不宜采用热浇注热硫化工艺，如，煤矿井下冷补电缆、灌封材料等，因无法保障制品熟化所需要的温度条件，所以需要使用室温浇注固化工艺[2-3]。

近年来，室温固化聚氨酯弹性体已成为我国聚氨酯界的研究热点[4-5]。如，山东一诺威聚氨酯有限公司合成的双组份室温固化聚氨酯弹性体，用作海底灌封材料；中国科学院山西煤炭化学研究所公布的“一种用于固体药包覆的室温固化聚氨酯组合料的合成方法”专利等。室温固化聚氨酯弹性体因其节约能源、操作方便、适应环保要求、可为终端产品提供更佳的性价比而越来越受到人们的重视，因而应用也越来越广泛，如，建筑用室温固化聚氨酯密封胶、电子用封装材料、轨道交通用阻尼材料、防水涂料以及橡塑运动场地等。

1 室温固化聚氨酯弹性体的应用进展

室温固化聚氨酯的应用领域很多，本文就其在体育设施、建筑领域、电子灌封材料、交通方面以及其他方面的应用进行介绍。

1) 体育设施

室温固化聚氨酯在体育器材方面的应用除了运动器材(如，篮球架)等外，更多的用于塑胶跑道。为改进传统的TDI、MOCA体系的塑胶跑道，郭凯等[6]采用同时添加TDI和MDI的方法(先添加TDI参与封端反应，再利用MDI提供游离—NCO集团)，来解决聚醚多元醇、TDI、MOCA等合成的传统双组分体系的聚氨酯用塑胶跑道中游离的二异氰酸酯(TDI)和重金属催化剂对人类身体健康造成危害的问题。

随着人们整体生活水平的提高和我国聚氨酯工业的发展，塑胶跑道技术也将呈现新局面，MDI将完全替代TDI，且纳米技术、共混技术及许多新型材料的出现将会推动我国塑胶跑道的进一步发展。塑胶跑道将朝着更高性能、更加环保健康等方向发展。王新灵等[7]采用蒙脱土纳米改性和纳米二氧化硅(SiO2)改性聚氨酯弹性体材料，来克服传统聚氨酯塑胶跑道中甲苯二异氰酸酯(TDI)有毒以及二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)用前必须加热熔化成液体，且不利于其操作等缺点，同时，纳米改性聚氨酯塑胶跑道可以成倍地提升聚氨酯跑道的断裂伸长率、拉伸强度，且其优良的压缩恢复率和回弹值也是普通聚氨酯塑胶跑道无法比拟的。

2) 建筑领域

室温固化聚氨酯在建筑上的应用多为胶黏剂、密封胶和涂料等，从生产工艺来看，分为双组分和单组分，在简化操作的基础上满足更多的性能需求。现以胶黏剂和密封胶举例说明。

在建筑用胶粘剂方面，Peyman Najafi Moghadam[8]等用蓖麻油等合成的可再生聚酯多元醇、聚丙二醇、丁二醇、MDI和催化剂在无溶剂条件下合成的双组分聚氨酯木材胶黏剂(其中，—NCO/—OH为1.3)具有良好的黏结强度；鉴于双组分胶黏剂配制的复杂，宫涛等[9]以多亚甲基多苯基多异氰酸酯、聚丙二醇和2,2，-二吗啉二乙基醚为主要原料合成了一种木材用单组分湿固化聚氨酯胶黏剂，在室温下固化速度快，粘接性能优异。

在建筑用密封胶方面，为解决实际应用时固化过程中的起泡问题，李波等[10]采用聚醚多元醇N220、330N，MDI和滑石粉、碳酸钙填料以及恶唑烷类潜固化剂制得的潜固化型单组分聚氨酯密封胶，其抑泡效果较好。由于普通聚氨酯密封胶的主体材料一般是多元醇与多异氰酸酯反应合成的聚合物，大都是由碳、氢、氧等元素组成，具有可燃性，对环境及人体安全具有潜在威胁，为此，王玉东等[11]用阻燃型原料、增塑剂和填料纳米MgOH制得阻燃型单组分聚氨酯密封胶。结果表示，将有机和无机阻燃剂合理配合，制成了达到难燃级的单组分聚氨酯密封胶，其各项性能指标均满足用户要求，且贮存稳定性良好。

3) 电子灌封材料

灌封胶多用于电子元器件的粘接、密封、灌封和涂覆保护，是一种不可缺少的重要绝缘材料，也是目前的研究热点，如，山西省化工研究所郭秀鹏[12]等以四氢呋喃环氧丙烷共聚醚、PTMG和TDI和扩链剂MOCA制备了适合电器、电子元件灌封的室温固化聚氨酯灌封胶，且当—NCO含量为7.7%～8.2%，催化剂质量分数为0.1%时具有较好的力学性能。

由于电子元器件在灌封后的使用过程中，有可能受到震动、冲击，同时具有较高电压，因此需要灌封材料具有较高的强度、弹性、较高的体积电阻以及在受到外界力作用时低内耗等特性。袁振[13]等在使用传统预聚体工艺下，通过80%(质量分数)聚四氢呋喃醚二醇与20%(质量分数)聚酯多元醇进行复配作为聚氨酯弹性体软段聚合物，且—NCO质量分数达到6.5%时，与MOCA反应固化成型得到一种高强度(拉伸强度为56 MPa、撕裂强度为120 kN/cm)、低内耗(内耗峰峰高tanδ=0.224)的聚氨酯灌封胶，适用于高振动工况条件下电子元器件的灌封。

另外，从实际应用出发，专利CN 104861919[14]公布了一种可长期储存且不沉降的灌封胶的制备方法；专利CN 10217417[15]制备一种可用于光学元器件、太阳能电池板等的无气泡、耐黄变聚氨酯电子灌封胶。

4) 交通方面

聚氨酯在交通领域的应用非常广泛，尤其是近些年快速发展的高速铁路、城市轨道、航空领域中的应用日渐丰富，并将成为研究的热点。

a) 高铁方面

目前，聚氨酯在高速铁路中的应用主要有无砟轨道灌封填充、道砟胶等。如，天津市合成材料工业研究所有限公司研制的Ⅰ型嵌缝胶，主要用于高速铁路轨道板伸缩缝等，绿色环保，现场浇筑任何复杂部位都易施工，固化后性能优异，并已在兰新铁路的得到了成功的应用[16]。

根据高速铁路伸缩缝强冲击和大变形的特点，李冬梅等[17]合成了一种具有适宜的拉伸强度、高伸长率、高黏结和高回弹的聚氨酯嵌缝胶。结果表明，采用MDI-3051和自制聚醚为原料，—NCO含量在6%时，所制备的嵌缝胶拉伸强度为1.87 MPa，拉断伸长率为983%，黏结强度为1.2 MPa，嵌缝胶性能优异，能满足客运专线桥梁混凝土桥面伸缩缝的技术要求。

高速铁路的设计中有的要求无砟轨道和有砟轨道同时并存，而无砟轨道与有砟轨道的刚度差异较大，而刚度的变换必须借助过渡段均匀的完成，李红英等[18]制备出在硬段质量分数为40%～50%、有机铋作催化剂的用于高速铁路无砟与有砟轨道过渡段性能优异的胶粘剂，并成功应用于京沪高铁、黄河大桥以及哈大铁路等道砟的粘接。

b) 城市轨道方面

近几年来，城市轨道(包括地铁和轻轨建设等)迅速发展。如何保证在高速条件下减少震动带来的各种破坏、降低噪声等问题带来的困扰成为我国发展轨道交通的重要课题。

目前，阻尼减震聚氨酯功能材料在轨道交通上的应用主要集中在聚氨酯轨枕垫板、聚氨酯扣件垫板和聚氨酯枕木等。黄自华等[19]在R值为1.02，水质量分数为0.12%的条件下，以MDI、聚醚多元醇以及助剂为原料制备出聚氨酯微孔弹性垫，其动静刚度比、力学性能、减震性能都达到了最好的效果。

聚氨酯枕木是一种采用玻璃纤维增强的聚氨酯微孔弹性体，其各项性能优异，具有吸震减噪性能，广州地铁4号线和上海地铁8号线都已部分使用FFU(fiber reinforced foamed urethane)合成枕木，以解决噪声突出等问题。目前，我国FFU领域的研究和生产刚刚起步。今后几年，随着我国铁路提速、高等级铁路的建设以及城市轨道交通的发展，必将产生对这种复合材料的大量需求[20]，这也是室温固化聚氨酯的研究方向之一。

c) 航空方面

航空用聚氨酯面漆是航空飞行器必不可少的辅助材料，不仅具有装饰作用，更重要的是能够对航空飞行器的结构材料起到防护作用。于献等[21]以具有优异耐磨性和耐候性的聚酯多元醇树脂为基础树脂，100%固体含量且具有优异耐候性和耐温变性的聚己内酯多元醇树脂为改性树脂，通过多异氰酸酯固化剂、填料及助剂的合理配制，制备了一种耐航空介质性、耐磨蚀性、耐低温性、耐高低温交变性以及耐霉菌性更加优异的聚氨酯面漆。

随着环保观念的深入，在生产与施工时如何有效地减少可挥发性有机化合物(VOC)的排放已成为当前航空涂料业面临的严峻问题。国外已开始使用高固体分航空涂料产品来减少VOC的排放，但国内仍以进口为主。为研制一种施工固体含量高且综合性能优异的国产高固体分航空涂料，周如东等[22]用聚酯、混合溶剂和二氧化钛颜料等为A组分，100%固体含量的HDI三聚体为B组分，按n(-OH)∶n(-NCO)=1.00∶1.15混合制得高固体分聚氨酯航空涂料，在保证涂料高施工效率与低VOC排放的基础上，重点解决了涂料在应用过程中存在的干燥时间较长，适用期限较短，施工时易产生缩孔、橘皮等问题。

5) 其他应用

室温固化聚氨酯在医疗等方面也有很广泛的应用，如，生物黏合剂、医用渗析膜和医用胶管等。方志薇[23]等研制出了不含苯环的医用聚氨酯新型室温固化剂，发现其与MOCA作交联剂的反应产物性能相近，可代替MOCA使用。

在其他方面，Minxuan Ni[24]等合成了双组分聚氨酯快速固化γ射线屏蔽材料，其在核电站的维护中有着广泛的应用前景，对防止工人辐射损伤可能具有重要意义；Janusz Kozakiewicz[25]等合成的聚硅氧烷-聚氨酯脲弹性体薄膜在锂电池应用方面具有潜在的前景。

2 展望

室温固化聚氨酯因其操作方便、节能环保所以其应用非常广泛。为继续拓展其应用领域，扩大用量还应解决存在的一些问题。如，降低成本凸显性能优势，尽管聚氨酯弹性体在性能上有较强优势，但由于原材料成本高，一定程度上限制了其的用量。再则，室温固化聚氨酯多在户外施工，施工的质量好坏极大地影响着工程的质量。因此，不断完善专业化的户外施工工艺设备是保证户外施工材料质量的保证。另外，还要不断加强应用基础研究，通过必要的改性手段，满足施工和应用环境的苛刻要求。

纵观国内，室温固化聚氨酯产品林林总总品种很多，但与国外的同类产品相比尚有差距，争取赶超国外水平，使其走向世界应是研发工作者共同的目标和方向。

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Application progress of room temperature curing polyurethane elastomer

ZHAO Tingwu1, LI Sisi2

(1.Shanxi Chemical Research Institute Co., Ltd., Taiyuan Shanxi 030021, China； 2.College of Materials Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China)

In this paper, the application and research progress of room temperature curing polyurethane elastomers in sports facilities, construction, electronics, transportation and other fields are reviewed.The suggestions are provided in view of the problems existing in the application.

polyurethane; plastic site; rail transit; sealant

2017-04-23

赵廷午，男，1963年出生，1985年毕业于太原理工大学，高级工程师，从事聚氨酯弹性体材料及制品等的研发和生产工作。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.04.07

TQ323.8

A

1004-7050(2017)04-0021-04

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