高柔韧性聚氨酯复合材料在卫生洁具中的运用

谢伟藩 谢振武

摘 要：本文简要阐述了新型聚氨酯材料运用在洁具产品中需要关注和解决的一些技术难点，并进行了相应的分析，分析指出方案的技术创新点。

关键词：改性聚氨酯;喷射发泡技术;活性反应型增强剂

1 前 言

2007年中国建筑装饰协会《建筑装饰行业实现资源节约型和环境友好型工程建设指南》中突出强调建筑装饰过程中要节能、节地、节水、节材和环境保护。建筑家居是节能环保工作的重要组成部分，全面推进建筑家居的节能环保，有利于保证国民经济持续稳定快速发展，改善人民生活和健康环境。作为建筑装饰行业的组成部分卫生洁具行业，将以“做大做强”，实现“由制造大国向创新大国”的转变为指导思想，实现“节能、环保、节水、清洁安全”的发展目标，将是我国卫生洁具行业今后可持续健康发展的长期和重要任务。

洁具行业的技术创新除了产品的外观设计外，更重要的是开发性能优异的制作材料。就目前国内的浴缸产品而言，主要有搪瓷钢板、搪瓷铸铁、玻璃纤维增强塑料（FRA）和聚甲基丙烯酸甲酷（PMMA）板等材料，其中以PMMA/ FRA复合而成的压克力为主。近几年来，节能环保型聚氨酯高分子复合材料开始在卫生洁具产品中运用，德国Keramag 公司推出新款F1 浴缸，我国浙江格鲁斯集团也生产了系列氨酯复合材料洁具用品。聚氨酯材料因其节能、节水、成本低、附加值高、健康舒适、性能优异等优点，取代传统的材质打造时尚家居洁具产品，必将成为行业未来发展的趋势。但聚氨酯作为有机物具有高温易燃、易开裂，以及光泽度低的特性，是行业关注的关键技术难题。本文通过文献检索和专利分析，对高柔韧性聚氨酯复合材料在研发中的技术难点和提出了初步的见解和方案，与读者一起探讨聚氨酯新材料复合性能单一的或协同的变化机理，初步建立复合材料性能改变的理认体系。

2 重点研发技术关键点

2.1 新型聚氨酯洁具材料的分子设计与合成

调控有机中间体单元结构，设计和合成液态反应型性能增强剂，将其通过化学作用引入到聚氨酯高分子的主链或侧基，赋予洁具材料本质高效的节能、节水、阻燃功能，是项目真正得以实现的前提条件;基于降低成本的要求，需完善并严格控制反应过程中的工艺条件。

2.2 纤维增强基改性聚氨酯洁具材料技术

合理选择合适的无机或有机纤维类型，增强基量比、粒度大小、以及增强基在有机乳液中的分散方式，是解决复配产品的稳定性、相容性、抗熔滴性的关键;此外参与复配增强基材料的化学成份、结构对改性的聚氨酯复合材料柔韧性也极为重要。

2.3 喷射发泡技术及其生产工艺的研发

洁具底座部分采用微孔硬质整体蒙皮成型;中间主体部分采用半硬质或软质聚氨酯喷射和短纤维喷射结合成型，以及组合料快速固化是实现高质量的复合材料色彩稳定，抗老化性的重要环节;模具的浇铸或焊接技术，以及模体在空气中的敞开固化，连续喷射发泡，是实现聚氨酯软体浴缸产业化生产的关键。

2.4 新型聚氨酯洁具复合材料物化性能机理的研究

利用多种现代仪器和方法，探讨复合材料微观物相及宏观性能变化关系;探索节能、节水、阻燃、柔韧性等多种物化性能相互协同变化规律，以及可能发生的新颖物理和化学现象;揭示新型卫生洁具用复合材料高温掺水时液相、凝聚相、中断热交换，以及微观物相、量比等多方面单一或协同的作用机理，为合成理想的卫生洁具聚氨酯软体材料提供坚实的理论指导，是项目真正得以顺利进行的关键。

3 研究开发内容

3.1 活性反应型增强剂的合成

选择环状刚性和链状软性有机结构单元，分别合成具有不同类型活性基团的中间体;以实验为先导，计算机辅助设计，定向构筑系列含-OH、-NH2、-COOH等多形式的多元活性基团的有机环保型液态反应型增强剂。

3.2 环保型聚氨酯节能节水新材料的制备

基于含多元活性基团的有机液态反应型增强剂，选择快速反应的和慢速反应的聚醚或聚酯多元醇，以及异氰酸酯，通过化学作用将有机液态反应型增强助剂引入到聚氨酯聚合物的主链或侧基，构筑具有高效本质的节能节水聚氨酯新型聚合物材料， 赋予卫生洁具材料节能、节水、阻燃、环保多重功效。

3.3 纤维增强基对聚氨酯新型洁具材料的复配改性

合理选择高柔韧性的无机或有机纤维材料作复合增强基，采用机械分散的物理方法，复配改性聚氨酯节能节水新材料，探讨无机增强基尺寸大小、化学结构、复合量比等因素对聚氨酯聚合物材料柔韧性、光亮强度等物化性能的影响;赋予环保型聚氨酯节能节水新型复合材料的高柔韧性、高光泽的物化性能。

3.4 聚氨酯洁具材料喷射发泡成型工艺的研究

聚氨酯聚合物發泡方法采用喷射发泡法。选用合适的起泡剂，促进剂等补助试剂，采用机械法，直接喷射发泡。敞开模型，计量注入，完善新型聚氨酯复合材料喷射发泡成型的工艺条件，赋予聚氨酯软体浴缸成型固化后底座高硬度以及中间体高柔软性的特性。

3.5 结构表征和物化性能测试

用现代物理仪器对所合成的有机反应型增强助剂进行结构表征;聚氨酯复合材料性能包括导热系数、吸水率、拉伸断裂伸长率、阻燃等级及其其它力学方面，测试结果可分析聚氨酯复合材料节能、节水、柔韧性、阻燃等性能的影响因素，以及纤维增强基对聚氨酯复配时相容性、稳定性等变化规律。

3.6 聚氨酯洁具材料性能改进机理的研究

基于复合材料电镜、X衍射、热重等现代仪器分析，通过揭示复合材料微观物相及宏观性能变化关系，初步探讨复合材料化学成份的量比、聚合物中的化学环境、纤维增强基对聚氨酯复配时的微观结构变化，来研究新型聚氨酯洁具材料多重物化性能改进的作用机理。

4 技术要点分析与讨论

4.1 研究方法

（1）逐步合成和片段组合相结合的有机合成法。

在合适的条件（温度、酸度、溶剂等体系）下，分别合成活性有机中间体、反应型增强剂、聚醚多元醇、聚酯多元醇;将有机中间体、反应型增强剂、聚醚多元醇、聚酯多元醇以及聚异氰酸酯分阶段片段组合成本质的节能、节水、阻燃新型聚氨酯卫生洁具材料。

（2）机械分散的物理方法。

将无机或有机纤维增强基体采用机械分散法复配到聚氨酯高分子中，改性聚合物高分子材料的物化性能，实现聚氨酯复合材料高柔韧性的目的。

（3）喷射发泡法。

敞开反应体系，配入起泡剂，促进剂，防老剂，增稠剂，填充剂和氧化剂，直接机械打泡，计量注入，喷射发泡，得到高柔韧性聚氨酯新型卫生洁具复合材料。

（4）结构表征方法。

用红外、紫外、核磁、质谱、凝胶等色谱解析方法对中间体及聚氨酯聚合物进行初步的化学成分与结构表征;用X-射线结构分析方法测定聚合物的空间结构;用热重和电镜等多种现代仪器分析方法跟踪聚氨酯复合材料微观结构以及高温掺水时连续系列变化规律，揭示复合材料在高温掺水时液相、凝聚相、中断热交换方面单一的或协同的性能变化机理。

（5）性能测试方法。

重点利用光谱解析，化学反应动力学、热力学，晶体学、材料学等学科的相关知识跟踪聚氨酯复合材料高温掺水时化学结构、物理环境的变化，研究材料物化性能、单元结构转换与高温掺水时化学环境三体系的协同效应，探讨复合材料节能、节水、阻燃、柔韧性等多种物化性能单一的或协同的变化机理。相关物化性能评价按照国家标准委托权威检测结构进行检测。

4.2 研发技术路线

5 技术创新点

（1）设計合成特定的聚氨酯结构单元、性能增强结构单元，构筑具有本质高效节能、节水、阻燃的聚氨酯新型洁具材料;探讨无机或有机纤维增强基体对有机聚氨酯基体进行复配改性技术，赋予聚氨酯复合材料的高柔韧性、高光泽等物化性能。生产的聚氨酯软体浴缸每1小时泡浴时间水温仅下降2度;柔软富有弹性、安全不易滑倒;吸水率小于3%，节水效果好。

（2）选择合适的快速反应的和慢速反应的聚醚或聚酯多元醇、物理发泡剂和化学发泡剂混配，有效降低泡沫开孔率，调控泡沫制品的密度和性能， 降低并稳定体系的导热系数，开发出具有新型的聚氨酯节能节水洁具复合材料;对聚合物材料进行共聚改性，合理选择无机纤维增强基体，解决其在聚合物中的分散性、相容性等一系列界面问题。

（3）采用先进的喷射发泡装备：电脑编程控制反应，流量自动检测，配方自动转换，网络远程维修设备;敞开反应体系，计量注入，喷射发泡，降低生产成本，稳定泡沫色彩， 组合料快速固化。

（4）采用多种现代分析技术跟踪新型洁具复合材料高温掺水时的动力学过程，探索物化性能、结构单元转换与化学环境三因素之间的变化规律与协同效应，研究复合材料高温掺水时液相、凝聚相、中断热交换，以及复合微观物相、基体间的量比等多方面单一或协同的作用机理，为合成新型的卫生洁具用聚氨酯材料提供系统的理论依据。

6 结 语

项目的研发是通过分子设计，将有机活性结构单元，引入聚氨酯聚合物的主链或侧基，降低其导热系数（≤0.022 W/m·K）和吸水率（≤3%），提高阻燃等级（达到V-0级），赋予聚氨酯材料本质的高效节能、节水及阻燃防火的特性;用无机或有机纤维增强基体进行复配改性，增大其断裂延伸率（>4%），赋予聚氨酯材料高柔韧性的物化性能。完善聚氨酯喷射发泡和产品工艺技术，开发出高柔韧性聚氨酯新型高效节能节水的洁具复合材料，最终实现聚氨酯新材料在卫生洁具类软体浴缸产品的产业化。研发产品软体浴缸，相比普通浴缸，节能15%，每小时泡浴时间水温仅下降2℃;节水20%;柔软舒适，解决了卫浴空间的安全隐患;使用寿命增加了5倍，社会与经济效益极为显著。