零碳科技之聚氨酯材料应用

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双碳目标提出已经过去两年，建筑节能减排已然成为了中国如期实现双碳目标的重要组成部分。在施工过程中所选择的材料正在逐步转向以低隐含碳、高性能的绿色环保为主，其中聚氨酯无疑是较为出色的材料之一。该种类型材料不仅具有绿色环保的特性，而且能够有效减少工时和人工成本开支，因此在建筑领域中聚氨酯材料使用频次在逐步提高。


说起聚氨酯，很多人觉得陌生，但其实随着化学研究、产品制造、工艺技术的进步以及应用领域的不断扩宽，聚氨酯材料已经成为全球第六大合成材料（全球六大合成材料为 PE、PP、PVC、PS、PET、PU）。可广泛应用于轻工、建筑、汽车、纺织、机电、船舶、石化、冶金、能源、军工等国民经济各个领域。

1990 年意大利世界杯，首次在足球球体内加入黑色聚氨酯泡沫内层，使球在具有绝佳的防水性能的同时，运行速度也再次提高。渐渐地，聚氨酯泡沫材料制成的足球成为了主流。



这一切这是由于聚氨酯具有耐油、耐磨、防水、弹性好等特点，许多物理性能接近甚至超过天然皮革。正是因为聚氨酯优异的弹性及弹性恢复性能，使得聚氨酯广泛用于高档服装，仿真皮革等领域。而聚氨酯的优良性质也契合了足球材料的所需，因此 PU 逐渐成为足球所用的主要合成材料。同样的在诸如安全头盔，手机壳甚至是防晒霜的领域内都有聚氨酯的应用。

聚氨酯简介

“聚氨酯” 是聚氨基甲酸酯的简称，英文名称是 polyurethane，英文缩写 PU 或 PUR。它是一种有机高分子材料，被誉为 “第五大塑料”。聚氨酯最早于 1937 年在德国发明，由异氰酸酯（单体）与羟基化合物（聚醚型或聚酯型）在一定比例下反应聚合而成。



PU 具有诸多优良特性，包括：

（1）性能可调范围宽、适应性强；

（2）耐磨性能好；
（3）机械强度大；
（4）粘接性能好；
（5）弹性好，具有优良的复原性，可用于动态接缝；
（6）低温柔性好；
（7）耐候性好，使用寿命长；
（8）耐油性好；
（9）憎水率高。

聚氨酯是以异氰酸酯和聚醚、聚酯多元醇为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压发泡而成高分子聚合物，主要分为软泡（Flexile PU）、硬泡 (Rigid PU)、弹性体（PU Elastomers）等几种类型。

聚氨酯发泡材料是以异氰酸酯和聚醚、聚酯多元醇为主要原料，在发泡剂、催化剂、阻燃剂等多种助剂的作用下，通过专用设备混合，经高压发泡而成的高分子聚合物。

聚氨酯软泡为开孔结构，具有密度低、弹性回复好、吸音、透气、保温等性能，发挥的主要功能是缓冲，非常适合作为垫材材料，垫材也是软泡用量最大的应用领域如床垫、沙发、座椅、枕头等；同时聚氨酯软泡也是理想的吸音材料，可以用来制成吸音棉。


聚氨酯软泡材料

聚氨酯硬泡是一种热固型塑料，为闭孔结构，具有保温与防水功能；导热系数低为 0.022~0.1W/(m?Κ) 相当于挤塑板的一半，是目前所有同一层次保温材料中导热系数最低的。聚氨酯硬泡主要用于建筑行业，如外墙保温板材、冷藏冷冻设备及冷库保温材料、管道保温材料等。


聚氨酯硬泡材料

聚氨酯复合材料的发展历程

? 1937 年，德国奥托?拜耳发明了聚氨酯

? 20 世纪 60 年代，拜尔与瑞士 CIBA 公司开发了 RIM（反应注射成型工艺）

? 20 世纪 70 年代，美国 GE 公司推出 RIM 自动线；玻纤开始用于 RIM 增强

? 20 世纪 80 年代，出现了 S-RIM（结构反应注射成型工艺）；我国引入了 RIM 技术

? 20 世纪 80 年代以来 20 多年间，作为 FRSP 聚氨酯复合材料工艺主要是 RIM

?至今，纤维增强聚氨酯复合材料发展了长纤维注射 (LFI)、拉挤、缠绕、树脂传递成型等工艺，主要用不发泡的聚氨酯复合材料生产窗框、电线杆、浴缸、汽车大型部件等制品。

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其中的聚氨酯拉挤成型已经实现了商业化。在聚氨酯拉挤过程中，可以使用更多的增强纤维，使制品的强度大大提高。同时，由于聚氨酯本身优异的冲击强度、拉伸强度和层间剪切强度，制品可制得更薄更轻。聚氨酯拉挤材料包括型材、杆件和板材，如梯子杆、工具柄、电线杆横担、电线杆、曲棍球杆、货柜板材等。

聚氨酯拉挤材料最新的应用是门窗系统，它能够制得更大、更薄而强度足够的型材，用于大窗框甚至幕墙。这种窗框比铝、木和塑料窗框更好，具有良好的胀缩性能、耐候性好、外观经涂漆后可形成木质外观。

工艺的发展使聚氨酯复材的适用性更加广泛。

1 节能门窗

在建筑中，门窗、外墙、屋面和地面为建筑主要能耗的四大部位，我国门窗的绝热性过去相比欧美国家较差。据不完全统计，就我国的典型围护部件而言，门窗的能耗约为墙体的 4 倍、屋面的 5 倍、地面的 20 多倍，约占围护部件总能耗的 40%～50%。外窗作为建筑耗能的最大漏点，近年来已得到业界广泛重视，各地区相继提高了原有节能门窗标准。究其原因，除了经济水平有落差之外，门窗材料的选用仍是最为重要的原因之一。

随着经济发展，符合消费者要求的新型门窗幕墙结构陆续出现，从国外引进的节能门窗在国内已经被多数门窗公司及铝型材生产厂接受并采用，目前节能窗种类有塑钢窗、铝塑复合窗、双层窗、铝包木窗、铝合金隔热断桥窗等。

目前全球各国主要采用的门窗材料无外乎铝合金和 PVC 两种。欧美国家市场普遍使用 PVC 塑钢门窗，主要因其出色的保温性能。而在我国，PVC 型材因其生产门槛不高，加之用户采购成本的压力，导致各类 PVC 型材产品质量良莠不齐。变形、漏水等各种问题最终致使 PVC 塑钢门窗市场口碑不佳，在中高端用户群体中很难被接受。而铝合金型材由于金属材料本身导热能力强的特性，对节能十分不利，成本居高不下。

据欧洲相关权威机构调查发现，在欧洲市场，聚氨酯拉挤型材门窗作为新一代的节能门窗产品已经成为门窗主流。在我国，聚氨酯拉挤型材门窗也在繁荣兴起。科思创、亨斯迈等企业已经在中国市场布局多年，万科、绿地、上海建工等知名房企采用，还在上海第九人民医院、西岸人工智能大会 B 馆、以及多个幼儿园及学校等文教、医疗类的公共建筑中得到了使用。

亨斯迈集团与集韧科技共同开发的玻纤增强聚氨酯拉挤型材是将聚氨酯为基体，以玻璃纤维为增强材料，通过先进的注射浸胶拉挤工艺生产出的门窗型材。据相关数字表明，玻纤增强聚氨酯复合材料的生产能耗仅为铝合金的 1/60，生产过程无挥发性组分、无工业废水排放；且有完整的废料统一回收体系、研磨制成附框等，可循环利用，是绿色环保的建筑节能解决方案。


玻纤增强聚氨酯复合材料质量轻、强度高，弯曲强度高达 1442Mpa，是铝合金的 6~8 倍，是钢的 3~7 倍，主要用于汽车轻量化、风力发电叶片、航空航天等领域。又因其耐候性优异，耐酸碱、耐盐雾，被广泛应用于环境严酷的领域，如：海堤、风电、海洋工程等。同时，聚氨酯材料广泛应用于人体直接接触的各个方面，包括医学领域，是公认的安全无害材料，零挥发组分。

玻纤增强聚氨酯复合材料门窗相较于断桥铝合金和 PVC 塑钢门窗来说，在保温、抗风压、气密性、水密性、隔声、防火、耐腐蚀等各方面性能都具有明显优势。同时型材表面可做各种涂装处理，效果丰富。该型材的导热系数是铝合金的 1/700，导热系数仅 0.22W/m?K，所制成的门窗真正做到了门窗 “全断桥”。仅搭配双玻 6Low-E+12A+6 即可做到整窗 K 值 1.8，配合三玻可达到被动房标准：K=0.9。针对北京 2021 年即将执行的整窗 K 值要求不得大于 1.1 的新标准，玻纤增强聚氨酯复合材料门窗仅需 60 系列就可做到 K 值 1.1，而断桥铝合金则需要 90 及以上系列。相较之下，玻纤增强聚氨酯门窗比断桥铝和 PVC 塑钢门窗性价比更高。

玻纤增强聚氨酯复合材料门窗除了具备保温表现优异从而降低建筑能耗这一优势的同时，还有极佳的耐火性能，搭配各种防火玻璃，耐火完整性可做到 1~1.5 小时。

2 聚氨酯塑胶


聚氨酯塑胶是一种新型的高分子合成材料，该材料具有弹性好、强度高、耐磨、耐低温、抗老化、防滑、防水、整体黏结性强、施工成型方便等特点，是一种非常好的室内铺装和运动场地的铺装材料。

聚氨酯塑胶材料主要用于运动跑道、网球场、篮球场、排球场、体操房以及幼儿园活动场地等各类运动设施。聚氨酯作为铺装材料，虽然成本很高，但以其优异的性能和良好的效果在建筑业日益受到重视。

3 聚氨酯建筑玻璃密封胶



密封胶主要用于填缝，其使用已遍及建筑、汽车、机床、船舶、飞机等产业领域，但 80% 用于建筑，每年以 2 位数的速度增长。建筑用的密封胶主要是聚硫、有机硅以及聚氨酯，而聚氨酯密封胶对各种建筑材料都具有良好的黏合性，可应用于建筑领域的各个部门。并且其价格比有机硅和聚硫密封胶便宜，因此从 20 世纪 90 年代开始聚氨酯密封胶的需求量超过有机硅和聚硫密封胶而占主导地位。

聚氨酯密封胶是继聚硫硅橡胶之后又一个无溶剂型密封胶，通常用于中高层的预制构件的建筑，它是以异氰酸酯基 (-NCO) 为主料与含活泼氢化合物固化剂反应而成的室温固化型聚氨酯密封胶，分为单组分和双组分 2 种。

单组分的有加入筒形管和密封罐 2 种，通过与空气中的水分反应而固化，因此在保存时要存放在阴冷干燥的地方；双组分是由主料和固化剂组成，使用时需按比例配制，操作比较麻烦。

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4 聚氨酯防水涂料



聚氨酯防水涂料是为了克服传统的沥青系列防水涂料和防水卷材不足，于 20 世纪 60 年代在欧美和日本出现的一种新型防水涂料。由于其整体防水效果优异、性能稳定可靠、施工维修方便，加上其组成调节灵活，适用于建筑物不同部位的防水和堵漏而受到重视。

聚氨酯防水涂料一般有双组分和单组分两种形式，双组分聚氨酯防水涂料的甲组分一般是由聚醚多元醇与异氰酸酯缩聚而成的端异氰酸酯基 (NCO) 预聚体，乙组分是含有活泼氢交联剂的黏稠状液体，施工时将甲、乙组分按比例混合均匀，涂刷在防水基层上，常温固化成有弹性的涂膜，从而起到防水的作用。

单组分聚氨酯防水涂料是含 NCO 端基的预聚体和空气中的潮气反应，生成脲键而固化成膜。单组分聚氨酯防水涂料克服了双组分聚氨酯防水涂料施工时需要现场调配的缺点，使用方便，已逐渐受到重视。但单组分聚氨酯防水涂料固化速度受温度和空气湿度的影响，冬季固化慢，因此适应性不及双组分防水涂料。

5 聚氨酯保温材料



在建筑领域，设计建筑必须考虑绝热保温、提高能源效率和降低能耗等问题，硬质聚氨酯泡沫具有质量轻、导热系数低、耐热性好、耐老化、容易与其他基材黏结、燃烧不产生熔滴等优异性能，被誉为目前国际上性能最好的保温材料，广泛用于建筑物的屋顶、墙体、天花板、地板、门窗等作为保温隔热材料。

6 聚氨酯墙地砖陶瓷橡胶模具

随着建筑陶瓷产量的迅速增长，墙地砖陶瓷模具也面临着越来越激烈的挑战。现在的模具生产，已不再满足于一般常规制造，而是对模具结构和模具材料的最佳选择，并同时减少和杜绝砖坯缺陷，从而实现整套模具高寿命、高质量、高效率等方面都提出了很高的要求。近年来，根据模具生产形势，我国用国产设备、国产材料研制开发了聚氨酯橡胶模具，质量已达到进口橡胶模具的水平。

聚氨酯橡胶模具，又叫橡胶模，是在金属钢模的表面覆盖一层有特殊性能的高分子材料的模具，国外从 20 世纪 80 年代开始使用，我国虽然起步较晚，但在聚氨酯橡胶模具的研制和制造以及在建筑陶瓷行业的广泛应用，已处于世界领先水平。

7 聚氨酯道路嵌缝胶



聚氨酯道路嵌缝胶是一种新型双组分常温固化嵌缝材料，甲组分为多异氰酸酯预聚体，乙组分为低聚物多元醇和功能助剂的混合物，其产品具有黏结强度好、强度高、弹性好、抗老化、延伸率好、固含量高、使用寿命长、操作方便等特点，并不含焦油和石油树脂及沥青等对人体有害的溶剂，广泛用于高速公路接缝、机场停机坪及跑道、桥面的伸缩缝、地下隧道、水库堤坝等接缝施工。

8 聚氨酯灌浆材料

聚氨酯灌浆材料是应用于岩上、土木建筑工程中起堵水、防渗、加固作用的一种新型灌浆材料。它遇水后立即反应，体积迅速膨胀，生成一种不溶于水、有较高强度和弹性的凝胶体，广泛应用于地下工程的防水堵漏、建筑物地基加固、复杂地层的稳固、大坝基础加固、隧道防止滴水、破碎体加固、地下铁道基础加固、桥基加固和裂缝补强、矿井建设中的止水和加固等方面。

聚氨酯灌浆材料分水溶性和油溶性两种，两者都能防水、堵漏、加固地基。水溶性聚氨酯灌浆材料包水量大、渗透半径大。油溶性聚氨酯灌浆材料形成的固结体强度大、抗渗好，适用于加固地表和防水兼备的工程，适用于堵填动水层的涌水和土质表面层的防护。

小结

聚氨酯材料作为一种新型的材料已应用到了各行各业中，发挥的作用也愈来愈大，随着建筑业的发展、人们对环境保护意识的逐渐提高、聚氨酯新技术的不断出现，聚氨酯在建筑中的应用还会愈来愈广泛。

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聚氨酯原料广泛用于 PU 合成皮革、PU 鞋底 、聚氨酯弹性体：软泡、硬泡 、聚氨酯涂料 、聚氨酯胶粘剂 、聚氨酯纤维、聚氨酯树脂。聚氨酯作为本世纪应用最广泛的合成材料之一，与生活息息相关。对此我们提供数种进口 / 国产催化剂材料及发泡剂。