聚氨酯树脂材料在环境友好型皮革生产中的应用研究

陈鸿飞

（南通万顺化工科技有限公司，江苏如东 226407）

关键字：聚氨酯树脂；环境友好型皮革；合成皮革；污染物排放

环境保护意识的增强，传统皮革制造业面临着日益严峻的挑战。从生产过程中的污染物排放、大量的资源消耗，到废弃物处理的问题，这些都对生态环境和人类健康造成了不可忽视的威胁。为了寻找一种更加环保、高效且具备优良性能的皮革替代品，聚氨酯树脂应运而生。作为一种合成材料，聚氨酯树脂既继承了传统皮革的许多优点，又具有其他合成皮革所不具备的特性。本文旨在深入探索聚氨酯树脂在环境友好型皮革生产中的应用，为皮革产业的可持续发展提供新的方向。

1 传统皮革生产的环境问题

1.1 生产过程中的污染物排放

传统的皮革生产过程产生大量的污染物，这些污染物主要来源于鞣制、染色和处理过程。鞣制过程常使用铬盐，尤其是六价铬，这是一种已知的致癌物质。当这些物质被排放到水体中时，它们不仅会对生态系统造成损害，还会对人类健康产生威胁。此外，皮革染色和处理过程也会使用大量的有机溶剂，这些溶剂在挥发时会释放有害的挥发性有机化合物（VOCs）到大气中。VOCs可以导致大气臭氧层的形成，从而对人类健康和环境造成伤害。

1.2 消耗资源：水、能源等

皮革生产是一种资源密集型产业，特别是在鞣制和染色过程中，大量的水被用于清洁、浸泡和鞣制动物皮。为了确保皮革的柔软度和质量，这些过程需要大量的水。此外，鞣制和染色过程还需要大量的热能来加热水和化学品。这些能源主要来自于化石燃料，导致更多的温室气体排放。长期以来，这种大规模的水和能源消耗对地球的资源造成了巨大的压力。

1.3 废弃物处理问题

皮革生产过程产生的废弃物是一个严重的环境问题。皮革加工过程中产生的废水含有高浓度的有机物、铬和其他重金属。如果这些废水未经适当处理直接排放，会对水体生态系统造成严重伤害。此外，皮革生产中还产生大量的固体废弃物，如剪裁下来的皮革碎片和不合格的皮革产品。这些固体废物往往被堆放在露天场地，可能导致土壤和地下水污染。正确处理这些废弃物是传统皮革产业面临的一个重大挑战。

2 聚氨酯树脂的基本性质与特点

2.1 结构与成分

聚氨酯是一类高分子材料，其结构由醇和异氰酸酯反应形成的尿素键组成。PU树脂可以根据其起始原料和生产条件有所不同，表现出不同的物理和化学性质。基于其成分，聚氨酯可以细分为聚酯型和聚醚型。聚酯型聚氨酯具有良好的耐油性和抗氧化性，而聚醚型聚氨酯则具有较高的柔韧性和耐寒性。根据所使用的多元醇的种类和数量，以及所选择的异氰酸酯种类，聚氨酯的宏观结构和微观相结构可以在一定范围内进行调控，这为其广泛的应用奠定了基础。

2.2 物理和化学特性

聚氨酯树脂因其独特的结构，展现出一系列的优越物理和化学性质。物理上，PU 具有出色的耐磨性、高弹性以及良好的柔韧性。其拉伸强度可以达到50～60 MPa，而断裂伸长率可高达600%。化学上，它对多种化学物质，如油和许多常见的工业化学品，都具有较好的稳定性。聚氨酯在不同温度下的性能也会有所不同。例如，在低温下，它可能变得更加脆硬，而在高温下可能会变得更加柔软。此外，聚氨酯在长时间受到紫外线照射时可能会发生降解，这是因为其化学结构中的醚键和酯键对紫外线有一定的敏感性。

2.3 环境影响评估

聚氨酯作为一种合成材料，其对环境的影响有正有负。正面来看，与传统皮革相比，使用聚氨酯制造的皮革在生产过程中产生的环境污染较少，主要是因为其生产过程中无需使用如铬盐这类有毒化学品。此外，聚氨酯皮革的生产还可以有效地减少对水和能源的消耗。然而，从负面角度看，聚氨酯是一种难以生物降解的材料，这意味着当其作为废弃物时，需要经过长时间才能在自然环境中分解。

聚氨酯的生产过程需要使用某些可能对环境有害的化学物质，如异氰酸酯。综合考虑，虽然聚氨酯在某些方面对环境有利，但在生产和废弃处理过程中仍需考虑其潜在的环境影响。为此，对聚氨酯及其衍生物进行全生命周期的环境影响评估是必要的，以确保其真正实现可持续性。

3 聚氨酯树脂在皮革生产中的应用

3.1 聚氨酯合成皮革的制造过程

3.1.1 原料选择与配比

聚氨酯合成皮革的生产首先取决于原料的选择和配比。选择适当的多元醇和异氰酸酯是关键，这决定了最终产品的性能和特性。通常，聚酯型多元醇和聚醚型多元醇是常用的选择。对于需要高耐磨性和耐老化性的应用，可能会倾向于选择聚酯型多元醇；而对于需要高柔韧性和耐寒性的应用，则可能选择聚醚型。配比是一个精细的过程，通常在生产之前需要进行大量的实验来确定。例如，一种常用的配比是NCO/OH摩尔比为1.05:1，以确保充分的交联和固化。

3.1.2 聚合与固化过程

一旦确定了原料和配比，接下来的步骤是聚合。在此过程中，多元醇与异氰酸酯在适当的条件下反应形成预聚物，然后通过加入链延长剂或交联剂来产生高分子量的聚氨酯。这一步通常在高温下进行，例如80～100 ℃。固化是确保聚氨酯形成一个坚固、持久结构的关键步骤。这通常通过热固化或紫外固化来实现。固化过程可能需要数小时至数天，具体取决于使用的固化系统和所需的最终性能。

3.1.3 表面处理与染色

聚氨酯皮革的表面处理通常包括打磨、聚氨酯皮革的表面处理通常包括，以达到所需的外观和触感。此外，为了使产品具有吸引力，染色也是常见的步骤。染色可以在聚合前、聚合过程中或聚合后进行。传统的染料如酸性染料、分散染料和活性染料都可以用于聚氨酯皮革。然而，考虑到环境因素，水性染料和天然染料的使用越来越受到青睐。对于需要特定功能的应用，如防水或抗紫外线，还可以在表面处理过程中添加特定的添加剂或涂层。

3.2 聚氨酯皮革的性能特点

3.2.1 耐磨、耐拉伸与弹性特性

聚氨酯皮革的物理性能使其在多种应用中都备受青睐。在耐磨性方面，它的性能往往优于传统的天然皮革。在标准的Taber Abrasion测试中，高质量的聚氨酯皮革通常可以承受超过5 000个周期而不显著磨损。同时，聚氨酯皮革的拉伸强度可达到50～60 MPa，这是由其分子结构决定的，其中硬段提供强度，而软段提供弹性。它的断裂伸长率可以达到400%～600%，显示出良好的弹性和柔韧性，与高品质的天然皮革相近。

3.2.2 抗老化与耐温性能

聚氨酯皮革的化学结构为其赋予了卓越的抗老化性能。尤其是在紫外线辐射、氧化和热老化方面，它展现出了稳定性。然而，持续的高温或紫外线暴露可能会导致聚氨酯分解或发黄，尤其是在不含有UV稳定剂的情况下。在一般的热稳定性测试中，聚氨酯皮革可以在-30 ℃～80 ℃的范围内保持其物理性能，但在更极端的温度下可能会出现硬化或软化。

3.2.3 感觉和触感与天然皮革的比较

与天然皮革相比，聚氨酯皮革提供了近似的外观和触感。技术和合成革工艺的技术进步使得聚氨酯皮革的颗粒纹理、光泽和手感与高品质的天然皮革越来越接近。在盲测试中，消费者往往难以区分高品质的聚氨酯皮革和天然皮革。但是，与天然皮革相比，聚氨酯皮革往往更为均匀、无瑕疵，并且可以提供更加一致的色彩和厚度。然而，某些天然皮革的独特性质，如其天然的气味和年代的痕迹，是聚氨酯皮革难以复制的。

4 环境友好背景下聚氨酯皮革的改进与创新

4.1 研发技术的不断升级

随着环保意识的加强，聚氨酯皮革的生产技术也在不断升级和创新。非溶剂型PU皮革技术的核心是通过水性技术或固态反应来制备PU皮革。在水性PU皮革技术中，聚氨酯分散在水中，形成水性分散液。这种方法不仅大大减少了有机溶剂的使用，从而降低了VOCs的排放，而且生产过程中所需的能源也大大减少，因为水性系统的固化温度较低。根据研究数据，与传统的有机溶剂型PU皮革相比，非溶剂型PU皮革的VOCs排放量减少了超过90%。除了减少环境污染，水性PU皮革还具有其他的优点，如提高的耐磨性和更好的触感。然而，其制造过程中仍然需要面对一些技术挑战，如确保产品的耐水性和耐化学品性。另一方面，为了进一步减少碳足迹，现在更多的关注点转向了生物基聚氨酯的开发。这种聚氨酯使用生物来源的原料，如植物油，作为生产中的关键组分。以植物油为例，大豆油、蓖麻油和亚麻籽油都已经成功地用于生产生物基聚氨酯。据统计，使用生物基聚氨酯的皮革生产可以将碳足迹减少约20%～40%，这主要是因为生物基原料是可再生的，与从石油中提取的化学品相比，其生产过程中的CO2排放大大减少。

4.2 高效固化技术

固化是聚氨酯皮革制造中的关键步骤，直接影响到最终产品的物理性能。传统的热固化方法需要较长的固化时间和较高的能耗。为解决这些问题，工程师和科学家开始采用更为先进的固化方法，如UV固化和电子束固化技术。UV固化技术利用紫外线进行快速固化，大大缩短了固化时间，并能确保产品的均匀固化。这种方法不仅提高了生产效率，而且提高了皮革的抗拉伸、耐磨和耐化学性能。电子束固化技术则使用高能电子束进行聚合和交联反应，从而达到固化的目的。这种技术具有独特的优势，能在室温下进行固化，降低了生产过程中的能耗，并提供了极高的固化深度，确保产品具有卓越的性能。

4.3 对环境与健康的新考虑

当前，环境与健康问题已成为聚氨酯皮革产业发展的核心议题。众多研究指出，传统的PU皮革生产过程中，所使用的有机溶剂、染料及其他化学物质对环境和人体健康存在潜在风险。例如，部分有机溶剂被认定为致癌物质，长时间暴露在这类环境下的工人面临的健康风险增加。根据近年的数据，聚氨酯皮革行业在全球范围内投入了超过5亿美元用于绿色生产技术的研发。其中，替代有害化学物质、减少能源消耗和水资源利用是研发的三大方向。例如，采用新型生物酶处理技术，可以在染色过程中减少约30%的水消耗。

4.4 市场需求驱动的产品创新

随着消费者对环保和健康的日益关注，市场对环境友好型聚氨酯皮革的需求也在快速增长。据统计，过去5 a中，环保型PU皮革的年复合增长率达到了15%，并预计在未来10 a内将继续保持这一增长趋势。为满足市场需求，许多公司开始研发和推出具有特定功能的PU皮革产品。例如，抗菌、抗UV、自清洁等功能性皮革应用于医疗、户外运动和汽车内饰领域。此外，对天然皮革外观和手感的模拟也是产品创新的重点，新型PU皮革在触感、透气性和舒适性上与天然皮革更为接近，满足了消费者对高品质皮革产品的追求。

5 结束语

经过深入研究，可以明确地得出，聚氨酯树脂在环境友好型皮革生产中展现出了巨大的潜力和价值。与传统皮革相比，使用聚氨酯树脂制造的皮革不仅能大大减少对环境的污染，还能有效地节约资源，并展现出优越的物理和化学性能。同时，与其他合成皮革材料相比，聚氨酯皮革在多个方面都具有显著的优势，包括耐磨、耐拉伸、抗老化等性能。此外，随着技术的进步，聚氨酯皮革还在环境和健康考虑、产品创新等方面取得了重要进展。综上所述，聚氨酯树脂为皮革产业带来了革命性的变革，值得进一步推广和应用。