作者：黄茂松 贾润萍
来源：《新材料产业》 2013年第8期
文/ 黄茂松 贾润萍
上海应用技术学院材料科学与工程学院
上海市聚氨酯工业协会
聚氨酯（P U）是唯一一种在泡沫塑料、橡胶、合成革、纤维、涂料、胶黏剂和功能高分子7大领域均具有重大应用价值的先进高分子材料，已成为当代高分子材料中品种最多、用途最广、发展最快的一种新型有机材料。
据中国聚氨酯工业协会统计，2012年我国P U行业产量增长约15%，达到810万t，生产和消费规模居世界首位。预测到“十二五”末，我国P U产品年消费量将超过1 000万t，实现产值将逾3 000亿元。
近年来，PU材料在我国国民经济相关领域已发挥了重大作用，PU产业有力地促进了我国国民经济的快速的发展。毋庸置疑，P U在我国国民经济中具有重要的地位和作用。
一、PU 材料在建筑节能领域中的应用
1.PU 是实现建筑节能目标的综合性能优良保温材料
众所周知，PU硬泡保温材料是目前有机和无机保温材料中导热系数最低（0.017 ～
0.024W/mK）、在外保温系统已得到大面积推广应用的一种材料。PU保温材料具有优良的力学性能、防水性能、耐高低温性能。与酚醛等其他有机保温材料相比，PU保温材料综合性能优良。PU保温材料产品形式的多样化，是目前任何保温材料都无法与之相比的。PU材料可应用于墙体结构外墙、屋面、地面和门窗等部分。PU节能玻璃门窗框导热系数比铝小729倍，比塑钢和铝合金门窗有明显的隔热节能效果和防腐性能。相对于其他建筑保温材料，P U外保温材料具有应用面广、节能效率高的特点。
据有关资料报道，1m3P U保温材料，一年能减少C O2排放量270k g。按1年消耗100万t P U保温材料计算，则一年可减少C O2排放量700万t。我国建筑用能增加对全国温室气体排放，其“影响率”已达到25%。由此可知，P U保温材料在建筑节能领域中的推广应用，无疑将对改善全球空气环保质量，并为提高人民日常生活水平，创造优良的环保环境起着十分重要作用。
2.PU/ 无机复合材料在建筑节能领域中的应用
这种复合材料是由阻燃B1级P U为芯材、阻燃A级无机材料为面层而构成的一种保温材料，具有保温性能和防火安全性能兼优、轻质、外保温体系质量安全性高、现场施工方便和现场防火安全性高等优点。
近年来，此种P U复合保温材料生产线发展迅速，目前约有300多条生产线，年产能已逾3亿m2，已在北京、江苏、新疆自治区和其他有关省市得到广泛应用，如北京老旧房改造和新建建筑、南京保障房建设等。这种复合材料现已成为绿色建筑外墙建设的首选材料，是理想的外保温材料之一。
二、PU 材料在新能源领域中的应用
1.PU 材料在太阳能新能源上的应用
（1）太阳能电池用TPU 薄膜材料德国B a y e r材料科技有限公司（以下简称“Bayer材料科技”）成功地开发出传统乙烯-醋酸乙烯共聚物（E V A）薄膜的替代级产品，即耐光型热塑性聚氨酯弹性（T P U）薄膜，同步提高了太阳能电池的生产和发电效率。T P U薄膜可通过熔融修复太阳能电池，使昂贵的太阳能电池再次重复使用，从而大大降低了成本。T P U薄膜比EVA粘结更结实，储存更简便。
（2）太阳能光伏模块框架用PU 材料
德国B A S F公司成功地采用聚氨酯反应注射成型（P U - R I M）系统（Cold-FAST），用于光伏模块框架，提高了太阳能转化效率，并能加快框架的安装效率，降低了生产成本。
（3）PU 光电板材新材料
欧洲E u r o p o n t e x公司研制成一种太阳能光电板材。该板材以聚异三聚氰酸脂（P I R）泡沫为芯材，内置光电电池，可产生1 000V / m2电量。该新产品是一种具有吸引力的新型太阳能光电新材料。
2.PU 材料在风能新能源上的应用
（1）PU 材料在风机叶片上的应用
风机叶片是风电设备极为关键的部件，一般采用环氧树脂、聚酯树脂等作为原料，要求其具有大型化、抗冲击、耐腐蚀和抗高低温等优良特性。资料显示，在现阶段，微孔P U弹性体材料完全可以达到这些性能要求，完全替代环氧树脂和聚酯树脂等材料。
B a y e r材料科技几年前就已开始研制风机叶片P U复合材料的制造技术。2011年，B a y er材料科技获得美国能源部75万美元拨款，用来研究用碳纳米管增强P U复合材料，来制造1.5MW以上的更大、更强、更轻的风力发电机叶片，改善环氧树脂风机叶片易变形的缺点，提高其使用寿命。
全球最大的不饱和聚酯复合材料供应商——美国雷可德公司也推出了PU复合树脂风机叶片复合材料。报道称，该产品具有优良的低黏度、高活性、抗冲击、高韧性等性能，能与纳米蒙脱土和碳纤维完全相容。
（2）PU 涂料在风机叶片上的应用
美国P P G涂料公司近期推出采用牌号为HSP-7401PU底漆、HUE-5000PU面漆，成功应用于风机叶片和风机塔筒。该涂层表面光滑，具有优良的抗风化、抗腐蚀性能，可降低环境、气候等外界条件对叶片造成的破坏作用。PPG公司开发成了Sigma Dur568PU涂层，用于风机塔筒和其他钢结构机械设备；又开发成了S i g m aS h i e l d880厚膜型P U涂料，主要用于海上风机叶片飞溅区的维护，具有优良的防海水腐蚀性能。一般来说，1.5MW风机叶片通常要消耗900k gPU涂料。
我国西北永新集团有限公司与西北师范大学合作开发成氟硅改性P U涂层，并用于风机叶片。该涂层具有优良的耐候性、耐磨性、耐冲击性、耐风沙性、耐紫外光和抗结冰性等性能。
（3）PU 粘合剂在风机叶片上的应用
德国汉高通用工业粘合剂部门开发成了新型PU粘合剂MacroplastU K1340，用于风机叶片粘结。该产品可提高固化速度，提高叶片生产效率。其固化速度远高于目前使用的环氧粘合剂，而且固化放热较少，固化温度低，固化时间也短。尤其重要的是，该产品满足了风机叶片粘结所需的机械强度要求。一般来说，1.5MW风机叶片平均消耗600kgPU胶黏剂。
3.PU 相变储能新能源材料
相变储能材料是指在其物相变化过程中，可以从环境中吸收热（冷）量或向环境放出热（冷）量，从而达到能量储存和释放的目的。利用此特性不仅可以制造出各种提高能源利用率的设施，同时由于其相变温度近似恒定，也可以用来调控周围环境的温度，并且可以多次重复使用。
相变储能材料现已成为新能源利用和节能技术领域研究的重要组成部分，其中固-液相变材料和固-固相变材料系其主要研究方向。前者在相转变过程中因液漏而极大限制其应用，后者则因不存在此缺点而具有更广阔的应用前景。
P U相变材料不仅具有较大的相变潜热和稳定的理化性能，同时相变温度范围广且可调，可以通过调整材料软硬段比例而获得所需要的相变温度范围。PU弹性体是一种性能优异的固-固相变储能新能源材料，具有巨大的开发应用前景。
三、PU 新材料在高端装备制造领域中的应用
高端装备制造业是装备制造业的高端部分，具有技术密集、附加值高、成长空间大、带动作用强等突出特点，对于加快我国工业化现代建设，实现制造强国战略目标具有重要意义。
1.PU 材料在现代汽车工业上的应用现代汽车工业未来发展方向是轻量化、绿色环保和舒适安全，而PU是实现汽车轻量化、塑料化的关键材料。目前，我国轿车的PU平均用量为20kg/辆，欧美轿车则为30 ～50k g/辆。其中，微孔PU弹性体、纤维增强PU复合材料、微孔木质纤维P U复合材料、T P U合金、TPU复合材料、生物基PU材料、PU轮胎、低挥发性有机化合物（V O C）内饰件P U材料、以及环保性P U胶黏剂和涂料等ＰU材料在现代汽车工业上，作为内饰件、外饰件和结构件已得到广泛应用，将极大提升高端汽车制造业的发展。
2.PU 新材料在海洋装备上的应用
（1）海底输油输气管道用PU 材料
国外已成功地采用P U弹性体用做海洋平台海底输油输气管道。多年使用结果证明，此种管道不仅具有抗冲击力强、耐磨和耐海水腐蚀、以及高的拉伸强度和粘结强度等特性，还具有更长的使用寿命（如在相同环境下，此种海底输油输气管道的使用寿命较硫化橡胶管道和钢管延长1倍）。因而，此种海底管道可广泛应用于石油和天然气勘探开采平台、浮式储油库、浮式电站、浮式海水淡化等装置。B A S F、P E R M石油天然气公司以及L L O G勘探公司合作开发了由PU材料制成的海底绝缘管道，管道长度超过81 000英尺（24 688.8m）。
（2）海底油管PU 保温材料美国陶氏油气事业部推出
Neptune高级海底油管PU保温系统，专为抵御水下油田开采中日益恶劣的环境条件设计开发。陶氏油气事业部宣布该海底油管P U保温系统已实现商业化应用。
（3）深海输油管涡激减振装置用PU材料
涡激振动是海水立管结构疲劳破坏的重要因素。若不采取减少立管的涡激振动措施，涡激振动会导致立管断裂、油气停产，甚至产生严重的环境污染问题。因此抑制涡激振动，已成为深海油气开发的关键技术。中海油能源发展股份管道工程分公司已成功地采用PU弹性体材料，制成了螺旋列板式涡激振动抑制装置，并已得到了应用。该项技术在墨西哥湾、西非、北海等深水采油气作业中已得到广泛应用。
（4）PU 重防腐涂料在海洋装备上的应用
以钢结构为主体的海洋石油平台、海底管道、油气储罐及管线等海洋工程装置，处于严重海洋腐蚀环境。解决这些海上钢结构防腐技术，已成为海洋油气能否安全平稳开发的关键。高性能P U重防腐涂料具有耐海水腐蚀、耐紫外光、高耐磨、高耐候性等优点，在国内外海洋工程上已得到广泛应用。
3.PU 和聚脲弹性体在高铁、地铁、城市轨道交通中的应用
PU轨枕垫板是一种PU微孔弹性体，用于钢轨和枕木（或水泥枕）之间，要求具有良好的弹性和减振性能，以缓冲高速列车通过时产生的强烈振动和冲击而起到保护路基作用。要求材料具有优良的耐磨和电绝缘性能以及耐自然老化和耐温性能（-40 ～80℃），每块P U轨枕垫
板约几百克。目前，P U轨枕垫板在国内高速铁路和地铁中已得到普遍应用，市场需求量巨大。
据我国高铁规划要求，每铺设1k m高铁轨道需要200k g的P U轨枕垫板（垫）。未来几年内，此种P U弹性体市场需求量将达到2万t。目前此种高性能PU弹性体以进口为主，价格较高，如美国杜邦公司生产的此种产品售价为10万元/t。
作为PU材料的一个门类，聚脲材料也取得了广泛的应用。京津高铁工程中，聚脲材料防护工程达95万m2，聚脲用量超过2 000t。京沪高铁全长1 318km，消耗聚脲弹性体涂层2万t以上、脂肪族面层涂料868t、PU防水涂料6 707t，工程总额20亿元。除高铁外，与高铁配套的海底隧道、过江隧道、山体隧道和地铁隧道，均需大量聚脲涂层。
4.PU 密封材料在高端装备制造设备上的应用
（1）PU 密封材料在三峡水利工程上的应用
我国广州宝力特液压密封有限公司已成功制成了直径13m、周长42.7m的特大P U密封圈，用于三峡水电站水轮机机组，对三峡水电机组保持稳定运行起到了重大作用。
（2）PU 防水密封件在南京长江隧道工程中的应用
南京长江隧道总长度为6 042m，具有盾构机械直径超大、隧道水压高、地层透水性强、地质条件复杂等特点，由此给隧道结构防水带来极大的难题。中铁第四勘察设计院、西北橡胶塑料研究设计院和北京化工大学等单位联合开发成攻PU防水条，解决了高水压、高透水层、严苛条件下隧道100年不漏水的世界性难题。PU防水材料在隧道防水工程中发挥了重大作用。
（3）耐高温高压PU 密封件
耐高温高压密封技术是高端制造设备的一个技术难点。特瑞宝密封系统（中国）有限公司开发出牌号为Z u r c o y的专用P U复合材料Z25密封件，耐高压40M P a，耐高温130℃。
产品包括O型密封圈、旋转密封件和液压密封件，在航空航天飞行器密封系统、商用和军用飞行器控制系统、汽车燃料控制系统、汽车动力系统中已得到了应用。
5.PU 灌浆材料在矿山等工程设备中的应用
P U注射封堵技术在煤矿中的应用，在欧美已有30多年发展历史。该项技术近年来已引进我国，其技术特点是：在高压振动下，预聚体注入煤矿岩石裂缝、砂砾煤层和隧道孔洞中，起到快速封堵作用，从而防止煤矿出现水和瓦斯积聚现象。该项技术是确保煤矿地下作业，防止瓦斯外泄和积水事故的重要安全技术措施。PU灌浆技术也已广泛应用于水利、水库、隧道、建筑、公路、桥梁等领域。
6.PU 阻尼材料在高端机械装备上的应用
随着现代化工业发展，大功率高端机械不断增多。为解决高端机械装备的振动、噪声和失效等问题，阻尼技术是控制结构共振的最有效方法，是解决减振问题的重要手段。PU阻尼材料包括阻尼弹性体、阻尼胶黏剂、阻尼泡沫和阻尼涂料等，已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、精密机械仪器等高端制造装备。
7.PU 新材料在航空航天领域中的应用
（1）PU 复合材料在民用直升机上的应用
中航直升机有限责任公司与德国赢创工业集团合作，采用赢创的ROHACELL PU硬质泡沫塑料为芯材的夹层结构复合材料，成功地用于大型民用直升机AC313桨叶，已完成了在高寒地区的试飞。通过验证表明，该材料在极地地区温度下，具有优异的耐低温性能和压缩性能，在长期动力载荷条件下仍具有优异的剪切强度。
（2）航空航天飞行器用PU 蒙皮材料B a y e r材料科技采用长波紫外光固化技术，开发了用于美国航天飞机用的P U蒙皮材料，以取代传统的双组份P U蒙皮材料。据报道，称此种涂料具有固化速度快、V O C含量低、综合性能优良等特点。此种P U蒙皮涂料已应用到美国C -150大型空运飞机和F-16战斗机中。
四、生物基PU 新材料在建筑、汽车和医学等领域中的应用
1. 植物基PU 材料在建筑和汽车等领域中的应用
植物基P U材料系指利用植物基原料制成植物基聚醚多元醇，再制成PU材料。目前，国内外基本上有2条技术途径：一条路线是利用植物油，如大豆油、棕榈油、蓖麻油、柿籽油等植物油类为原料制成植物油基聚醚多元醇。另一条路线是利用废弃植物如秸秆、竹类等原料，制成植物纤维基聚醚多元醇。
近期笔者的研究团队与刘为锋等合作开发出植物纤维基聚醚多元醇，技术处于国内外领先水平。在此基础上，该团队研究人员首次利用植物秸秆制成了植物结构阻燃聚醚多元醇，并实现了其产业化生产。采用该植物纤维基聚醚多元醇或植物结构阻燃聚醚多元醇，成功制备出阻燃B1和B2级的P U外保温材料，以及复合A级的PU外保温材料。
以植物油基或植物纤维基聚醚多元醇为基体树脂，可制备的P U材料主要有：P U硬泡、软泡、涂料、胶黏剂、密封剂和仿木等，以上产品已在建筑外保温、冰箱、汽车、家具等领域得到推广应用。
2.TPU 弹性体在生物医学领域中的应用
T P U是生物医用高分子材料中极为重要的一大品种。国内外生物医用材料研究与应用表明，T P U材料比其他医用高分子材料具有更好的血液和组织相容性、生物稳定性。在长期植入人体内的医用材料中，目该材料具有更优异的综合性能。T P U材料已成为国内外研制人工心脏及其辅助装置和人工血管之首选材料。T P U薄膜可用于多种医疗卫生用途，如伤口包扎材料、退烧冰敷冰袋、避孕套、医院床垫级床套等。
目前全球医用级T P U年消费量已超过数万吨，仅美国用于人工血管T P U年消费量已达到1.6万t，其年增长率为20%。我国T P U医用材料因受到上游原料医疗级T P U昂贵价格因素制约，大部分医疗T P U及其医用材料由国外进口。目前国内医疗级T P U年需求量是千吨级规模。
B a y e r材料科技近期推出了3种医疗级T P U产品，即T e x i n R XHM125、Texin RX STX120和TexinR X T70A。前2个品种主要用于医疗配件旋塞、医疗设备外壳。这2种材料具有优良的耐磨性、耐化学性、耐热性和低热膨胀系数、低模收缩率和低水分吸收率等优点。T e x i n RX T70A是目前医疗特种型材和管材、导管的理想选择材料，也可用于医疗二次注塑和垫圈。
美国Pelham Plastics公司开发成了血液透析T P U导管，此种新型血液导管将于2013年初获得美国食品药物管理局（FDA）的批准。
3. 生物基PU 降解材料在包装等领域中的应用
生物降解塑料是目前全球开发的热点。可生物降解的PU弹性体在包装材料、化肥缓/控施肥、医疗材料、信息技术等领域均有广阔的应用前景，是P U弹性体的未来重要发展方向。2012年，拜耳材料科技与莱茵集团( RWE )发电厂共同努力已经研发出利用二氧化碳制造多元醇的方法，制得的聚醚聚碳酸酯多元醇，将被进一步用于软泡产品，比如床垫。这种工艺既使得温室气体二氧化碳能被运用于生产原材料，又能够节约宝贵的原油资源。据相关资料预测，全球生物降解塑料（包括生物降解P U材料）在未来5年的年产量将达到几百万吨级规模，10年内将达到千万吨级规模。
五、PU 涂料在3C 电子产品中的应用
3C产品包括电脑、通讯和消费电子产品。对于3C产品，外壳塑料件的设计和生产必须满
足高生产效率、低次品率、环保工艺和华丽外观等。PU涂料在3C产品中已有多年成熟的应用。
P U涂层具有优异的外观、优良的机械性能、耐水性、耐化学品种、耐刮擦以及耐候性能，得到了消费者的青睐。
随着电脑、手机等电子产品在全球迅速蔓延，其中的按键产品已形成了一个规模很大的产业。目前硅橡胶按键占各种按键的75%以上，按键长期接受手指敲打、摩擦，因此对其上面字符图案的耐磨损性和耐手汗性要求极高。一般的保护层耐磨性较差，字符容易磨损脱落，需要喷涂高耐磨性的字符保护涂料，以延长使用寿命。随着消费者对电脑和手机键盘的使用寿命要求越来越高，适于硅胶按键用的高耐磨性P U涂层在此领域得到了应用。其中，德国汉高公司已开发成透明的高耐磨PU涂层，应用于多家知名手机、笔记本电脑和硬盘组装。
六、PU 材料在新能源汽车中的应用
为了减轻质量，新能源汽车的电池必须采用轻质材料。PU复合材料在此将会得到应用。同时，新能源汽车比普通轿车采用更多的塑料件，因此粘结技术成为关键技术之一，PU结构胶在此可发挥作用。此外，新能源燃料电池中，密封是至关重要的一个环节，一个电池中有几百片，每一片都要用密封胶进行密封，而PU密封胶是重要的胶种之一。
七、PU 复合材料在相关领域中的应用
1.PU 枕木复合材料在高铁中的应用
PU枕木是一种玻璃纤维增强的硬质P U泡沫复合材料，具有比强度大、减震、降噪、电气绝缘性好、高耐久性和环保等优良性能。虽然P U枕木性能优良，但因价格昂贵，所以目前在全球和国内高铁、地铁未能实现大量推广应用。根据国家高铁发展规划，为了适应高铁提速要求，开发高性能、低成本的P U枕木新材料以取代或部分取代混凝土枕木，必将是未来发展的方向。
2.PU 电线杆复合材料在输配电系统中的应用
PU电线杆是一种纤维增强的PU复合材料，采用缠结成型工艺制成。这种材料已由Ba y er材料科技与加拿大Resin SystemRS公司合作开发成功。我国国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司也开发成了相似产品，称之为PU复合材料杆塔。这种材料具有优良的绝缘性能、力学性能以及显著的耐化学腐蚀和耐候性等，可有效降低由于污闪、雷电、大风、冰闪等导致输电线路事故率，同时节约土地资源，减少电网钢材用量，降低输电线路的综合运行与维护成本。PU电线杆材料非常轻，质量仅为混凝土电线杆和钢材电线杆的1/10。其使用寿命长，在普通气候条件下可使用125年，在最恶劣气候条件下至少有65年使用寿命，可广泛用于电力输配电系统，也可用于无线网络和微波通讯系统。PU电线杆新材料在电力输电系统具有重要的应用价值。
3.PU 弹性体夹芯板(SPS) 弹性体在船舶和桥梁等领域中的应用
S P S是由PU与钢材构成的一种具有双层结构的材料，它包括2层9m m厚的钢板和钢板中间注入的40m m厚的P U弹性体。其优点是质轻、抗冲击、耐疲劳、减震、消音、隔热以及结构简单、加工方便等。
B A S F公司已成功地采用S P S夹芯板材（夹芯层厚度只有45m m），用于长236m、宽8m的加拿大大型道森桥梁。该桥梁每天有1.7万多辆车通过，桥的性能稳定、桥梁施工方便，采用螺栓固定技术避免了现场焊接工艺带来的麻烦，该应用由此获得2011年加拿大建筑创新应用奖。
八、结语
综上所述，P U在我国建筑节能、现代汽车工业、高铁等交通运输业、海洋工程、水利工程、矿山工程等高端装备制造业、新能源、电子产品、以及航空航天等领域均具有广泛的应用价值，并日益发挥其重要作用。外保温用P U /无机复合材料、汽车用T P U合金、T P U /玻纤、T P U /碳纤维复合材料、医用TPU弹性体、PU枕木复合材料、SPS/PU复合材料、PU电线杆复合材料以及植物基P U材料等均具有广阔的开发前景。由此可见，P U新材料在我国国民经济发展中具有举足轻重的作用和地位。
10.3969/j.issn.1008-892X.2013.08.008
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