- 聚氨酯材料与市场介绍
聚氨酯材料与市场介绍
聚氨酯材料与市场介绍
聚氨酯，通常称为PU，是一种多功能的聚合物，广泛应用于各行各业。由于其不同的配方和生产工艺，聚氨酯可以呈现多种形式，如泡棉或弹性体。聚氨酯的生产过程复杂，需要深入了解化学原理。本文将重点介绍聚氨酯生产的三个重要方面。
首先，我们将介绍聚氨酯的制造过程，分为三个部分：异氰酸酯的生产、多元醇的制造以及聚氨酯的生产。其次，我们将探讨PU材料的重要应用，包括PU泡棉、PU涂料和胶黏剂、以及PU密封和弹性体。
聚氨酯的原材料及形成
1937年，奥托·拜耳（Otto Bayer）和他的同事在德国莱沃库森的I.G. Farben实验室工作时，发现了聚氨酯。当时，他们正在研究由脂肪族异氰酸酯和二胺制造聚脲的过程。聚氨酯是由脂肪族异氰酸酯和乙二醇反应生成的。虽然聚氨酯的研究和生产持续进行，但直到十五年后才开始商业化生产。
PU的生产过程涉及一种放热反应，即含多羟基（-OH）基团的醇类与异氰酸酯反应。这些分子可以是二醇、三醇或多元醇，而异氰酸酯应含有多异氰酸酯基团（-NCO），如二异氰酸酯或多异氰酸酯。
在聚氨酯市场中，TDI（二异氰酸甲苯）和MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）是最常用且重要的芳香族异氰酸酯形式。由于MDI和TDI的生产涉及高度有毒的化合物光气，因此该供货商高度集中，形成寡头垄断，主要制造商控制了全球市场的大部分份额。因此，异氰酸酯的价格和库存高度依赖于这些主要化工制造商。此外，不断增长的环保问题和波动的原材料价格对聚氨酯制造商构成挑战。MDI和TDI的价格波动受到其前体市场（如石化产品）价格变动的影响。
PU制造的第二部分涉及多元醇的生产，这些多元醇至少占PU总制造量的90%。它们可以是羟基封端聚醚或羟基封端聚酯。这些化合物与异氰酸酯的反应产生具有特定性能的PU。分子交联度取决于所选多元醇的分子结构、大小和柔韧性，这些因素也会影响聚合物的机械性能。近年研发发展出与大豆油和环氧丙烷等bio-base聚合物的聚氨酯合成反应，从可再生资源中获得聚氨酯聚合物是目前的重要发展方向。
聚氨酯的生产涉及两个羟基与TDI或MDI反应形成线性聚合物。含多羟基的多元醇反应，导致长链分子在其中间点相互交织，形成具有增强机械性能的网状刚性聚合物结构，从而产生具刚性的PU。PU需要经过各种化学反应来控制形成过程并实现特定性能。不同的添加剂在PU制造中具有不同的用途。例如，催化剂加速多元醇与多异氰酸酯之间的反应过程，而烟雾抑制剂在燃烧PU时减少烟雾的生成。PU材料添加剂最常见的是发泡剂和表面活性剂，这些添加剂使PU形成泡棉，从而控制气泡形成并产生蜂窝结构泡棉。分子链的交联改变了PU结构，增强了其强度并提高了其功能性。
聚氨酯的应用
大量聚氨酯以泡棉形式生产，通常以大块形式，然后再切割成小块。PU泡棉主要用作垫子或热绝缘材料。PU的硬度或柔软性取决于其特定的密度水平，这也决定了其应用。例如，低密度、高柔性的PU非常适合作为椅垫材料，因为它具有高度抗疲劳性。聚氨酯泡棉广泛用于内部组件和轻质汽车部件，以促进燃料和能源的节省。PU也是电气设备的优秀绝缘材料，因为它具有耐油性。PU的密度在制造过程中可以增加，使电缆更耐用。此外，PU的高柔韧性和生物稳定性使其适合用于人工心脏瓣膜，确保它们能像天然心脏瓣膜一样自由扩张和收缩。
另一个聚氨酯的优点是，由于预聚合物液体的低分子量，使得PU过程可以在不同阶段启动，且容易处理。起始材料的压力也相对较低。聚合过程可以在反应的不同阶段将初始单体和预聚物转化为固体最终产品。刚性和柔性泡棉的固有特性（如结构稳定性）使其能够生产具有热绝缘性能的产品。PU的黏合性能确保建筑板材具有足够的强度并持久。高效且绝缘性能好的泡棉在绿色建筑和可持续基础设施项目中被使用，以降低欧洲和北美等发达地区的能源成本。由于PU具有高度的耐磨性、耐用性和灵活的物理特性，它也是鞋底的优秀材料。
聚氨酯涂料对于车辆、墙壁、地板、电缆、桥梁和纺织品等应用至关重要。全球涂料市场产生约20亿美元的销售额，反映了工业和建筑行业对PU涂料制成品的高需求。环保涂料的发展，例如聚天门冬氨酸和2K
水性PU技术，开辟了新的销售增长途径。PU的特性如耐用性、耐腐蚀性和耐候性，使其成为理想的涂料材料。涂料保护表面免受污染或腐蚀，并增强其外观。例如，车辆涂料确保外部具有高光泽度，以防止腐蚀或刮擦，同时提高颜色保持度。日本是PU涂料消耗量最高的国家之一，这可能是由于该地区众多的汽车装配和建筑公司。
PU还用作胶黏剂或粘结剂，相较于其他天然胶黏剂，PU及其系统化学提供了高性能特性。其多功能性允许生产具有高剪切和抗拉强度的胶水。纺织、家具、鞋类、建筑和包装等行业大量依赖PU胶黏剂。PU胶黏剂的高弹性和强度确保物品长时间保持粘合在一起。PU胶黏剂的质量还促进了废旧车胎的回收利用，用于制作运动场等表面，从而保护自然资源。例如，纤维板是
PU胶黏剂与木屑结合的产品。此外，
溶剂型PU胶黏剂逐渐不受欢迎，工业界转向使用水性PU材料，以符合挥发性有机化合物（VOC）指南，推广无溶剂和环保选项。
PU密封材和弹性体
密封材通过填充两个表面之间的空隙来将它们粘合在一起，在建筑、消费品、交通、航空航天和电子行业中有很大的需求。建筑行业是PU密封材需求最大的行业，其次是交通和工业市场。PU密封材在制造需要高强度、耐水密封的材料中至关重要。PU的特性确保材料在弯曲或拉伸后容易恢复而不失去形状。
PU弹性体是一种橡胶状聚合物，可以显著拉伸并在去除拉伸力后恢复原状，类似于弹簧。弹性体在外力变形时抵抗流动。PU弹性体的多功能性使其能够达到特定应用所需的最佳物理特性。它们可针对不同市场细分进行定制，并且由于浇铸弹性体的可靠性，可以在金属和陶瓷上执行多种功能。作为橡胶形式的浇铸弹性体具有高弹性和柔韧性。PU弹性体具有多种应用和广泛的硬度和加工特性。它们对油、汽油和非极性溶剂等物质具有高度抵抗力。仅有少数化合物如氧化剂和强碱性和酸性元素会影响完全固化的浇铸弹性体。常见的浇铸弹性体产品包括滑板轮、
叉车轮胎和压胎。PU弹性体能同时胜过金属、塑料和橡胶。然而，目前PU系统技术中使用聚酯多元醇降低了PU弹性体的水解稳定性，限制了其应用范围。
许多公司正在投资创新研究，以满足对高性能PU喷涂弹性体和浇铸应用不断增长的需求。主要重点是提高耐磨性，这是磨损应用（如涂层或技术灌注物品）所需的关键物理和机械性能。改进的PU弹性体技术包括开发具有内在自修复特性的PU弹性体，有助于细分市场的增长。PU弹性体预计将成为增长最快的PU产品，提供塑料和橡胶的综合优势，在高性能应用中具有高度的灵活性和抗冲击性。
结论
聚氨酯行业可以按产品细分为泡棉、涂料、密封材、胶黏剂、弹性体和其他产品。聚氨酯市场规模在2015年约为500亿美元，并预计由于对家具、建筑、电子产品、汽车、家电、鞋类和包装的轻质耐用材料需求不断增加，市场将稳步增长。研究更快且成本更低的生产过程、更强的性能和更环保的PU材料是至关重要的。
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