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聚氨酯（PU）及其在包装中的应用陈颖健樊慧敏楼绿松石王瑶（江南大学机械学院包装1301）摘要：聚氨酯是各种高分子材料中唯一一种在塑料、橡胶、泡沫、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子七大领域均有重大应用价值的合成高分子材料，已成为当前高分子材料中品种最多、用途最广、发展最快的特种有机合成材料，并不断地应用于高铁和新能源等新兴领域。本文综述了聚氨酯的结构与性能、理化性质、合成原料、合成工艺、主要品种及在包装和其他领域中的应用，展望了聚氨酯材料的发展趋势。关键词：结构；性能；合成原料及工艺；品种；包装；发展趋势ThePolyurethaneAndItsApplicationinPackageAreaChenYingjian;FanHuimin;LouLvsongshi;WangYao(No.1301,PackageEngineering,SchoolofMechanicalEngineering,JiangnanUniversity)ABSTRACT：Polyurethane,theonlyoneKEYWORDS:Structure;Performance;RawMaterials;SyntheticTechnology;Variety;Package;TrendofDevelopment一、聚氨酯的结构与性能（一）、聚氨酯概述聚氨酯是主链上含有重复的（—HN—CO—O—）基团的树脂,通常由多异氰酸酯、多元醇聚合物或芳香族二胺等经逐步加成聚合而成。化学名称为聚氨基甲酸酯，简称聚氨酯，英文名：polyurethane，简称PU。分子式为(C10H8N2O2·C6H14O3)x，大分子中除了氨基甲酸酯外，还可含有醚、酯、脲、缩二脲,脲基甲酸酯等基团。（二）、影响聚氨酯性能的基本因素聚氨酯制品品种繁多、形态各异，影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，这种因素之间相互有一定的联系。1、基团的内聚能聚氨酯材料大多由聚酯、聚醚等长链多元醇与多异氰酸酯、扩链剂或交联剂反应而制成。聚氨酯的性能与其分子结构有关，而基团是分子的基本组成成分。聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的内聚能大小有关。聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。各基团对分子内引力的影响可用组分中各不同基团的内聚能表示，有关基团的内聚能（摩尔内能）见下表：酯基的内聚能高，极性强。因此聚酯型聚氨酯的强度高于聚醚型和聚烯烃型，聚氨酯-脲的内聚力、粘附性及软化点比聚氨酯的高。聚氨酯材料的结晶性、相分离程度等与大分子之间和分子内的吸引力有关，这些与组成聚氨酯的软段及硬段种类有关，也即与基团种类及密集程度有关。2、氢键氢键存在于含电负性较强的氮原子、氧原子的基团和含H原子的基团之间，起物理交联作用，极性链段的紧密排列促使氢键形成。它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。氢键越多，分子间作用力越强，材料的强度越高。3、结晶度结构规整、含极性及刚性基团多的线性聚氨酯，分子间氢键多，材料的结晶程度高，这影响聚氨酯的某些性能，如强度、耐溶剂性，聚氨酯材料的强度、硬度和软化点随结晶程度的增加而增加，伸长率和溶解性则降低。4、交联度分子内适度的交联可使聚氨酯材料硬度、软化温度和弹性模量增加，断裂伸长率、永久变形和在溶剂中的溶胀性降低。对于聚氨酯弹性体，适当交联，可制得机械强度优良、硬度高、富有弹性，且有优良耐磨、耐油、耐臭氧及耐热性等性能的材料。但若交联过度，可使拉伸强度、伸长率等性能下降。5、软段对性能的影响聚氨酯弹性体的软链段主要影响材料的弹性，并对其低温性能和拉伸性能有显著的贡献。一般情况下聚酯型聚氨酯弹性体比聚醚型聚氨酯弹性体具有更好的物理机械性能，而聚醚型聚氨酯具有更好的耐水解性和低温柔顺性能。聚醚软段具有较低的玻璃化转变温度，因而低温使用范围更广。6、硬段对性能的影响聚氨酯的硬段由反应后的异氰酸酯或多异氰酸酯与扩链剂组成，含有芳基、氨基甲酸酯基、取代脲基等强极性基团，通常芳香族异氰酸酯形成的刚性链段构象不易改变，常温下伸展成棒关状。硬链段通常影响聚合物的软化熔融温度及高温性能。三、聚氨酯在包装中的应用（一）、软包装用聚氨酯胶黏剂软包装又称软罐头，以其轻质方便、保鲜期长、卫生、易贮存运输、易拆开、垃圾量少及货架效应良好等独特的综合性能，现已超过硬包装如塑料、玻璃瓶和罐等。软包装类型有：真空袋、自立吸嘴饮料袋、蒸煮袋、冷冻袋等。聚氨酯胶粘剂由于其优异的性能，可将不同性质的薄膜材料粘接在一起得到耐寒、耐油、耐药品、透明、耐磨等各种性能的软包装用复合薄膜。软包装用聚氨酯胶黏剂可大致分为四类，每类都有其特点。首先是通用的溶剂型聚氨酯胶粘剂，因其易于调节和便于涂敷等优点，在国内软包装复合用胶粘剂中占有绝大比例其生产和使用技术较成熟。一般含30%～50%固体树脂(50%以上),以低毒的酯、酮醇类为溶剂其胶可简单分为单组分和双组份。而双组份普通型是复合用胶中最重要的品种。二是耐高温、低温型的聚氨酯胶粘剂。由于通过多异氰酸酯交联固化的聚氨酯胶粘剂不宜在120℃以上高温蒸煮条件下使用，因此可采用芳香族HMDI或IPDI型胶。此外采用共聚措施也能提高蒸煮性能。国内溶剂型聚氨酯胶普遍存在耐低温性能差的问题，而在聚酯合成时,引入醚键和芳环,再与异氰酸酯反应生成的胶粘剂,在低温下贮存不会冻结。三是低溶剂型聚氨酯胶粘剂。软包装用聚氨酯胶通常固含量一般为30%～40%,少数达50%以上。提高胶粘剂的固含量,从而减少溶剂散发量来降低公害是目前的一种方向。因为浓度高合成时易产生凝胶、粘度大在高速复合时涂胶时易产生飞丝,给存贮和涂布带来困难故必须降低胶的粘度其基本途径是采用低分子量低粘度的聚酯多元醇与多异氰酸酯进行配制。最后是水基型聚氨酯胶黏剂。目前聚氨酯胶黏剂以溶剂型为主，所用的有机溶剂易燃、易爆、易挥发、气味大，有毒，使用时造成污染，带来公害。随着很多国家部门颁布法令限制挥发性有机化合物(VOC)的使用,以水代溶剂作分散介质,对环境友好,无毒，不可燃、可用现有的使用设备、设备较易清洗、胶粘剂从溶剂型到水基型的转变已成必然。包装用的聚氨酯胶黏剂的发展趋势除了上述所提及的向高固体含量、低黏度胶黏剂方向发展和向水溶性或醇溶性胶黏剂方向发展外，还有另外两个发展方向分别为向无溶剂型聚氨酯胶黏剂方向发展和向功能性聚氨酯胶黏剂方向发展。随着快餐业、方便和即食食品业的蓬勃发展，推动对软包装的要求。软包装具有质轻、占空间小、携带方便、内容物保质期长、拆封简易等特点，已逐步替代硬质包装，同时软包装业正在扩展到饮料、日用品、医药、农药、液体洗涤剂、化妆品、电子商品及其它需保护免受损伤的商品领域，现已占包装材料的25%。现今使用的功能性软包装产品，离不开功能胶黏剂。这些趋势已促使聚氨酯胶黏剂向着用户所需、包装结构所要求的高品质、新技术和新工艺方向发展。（二）、聚氨酯泡沫塑料聚氨酯泡沫塑料，是异氰酸酯和羟基化合物经聚合发泡制成，按其硬度可分为软质和硬质两类，其中软质为主要品种。一般来说，它具有极佳的弹性、柔软性、伸长率和压缩强度；化学稳定性好，耐许多溶剂和油类；耐磨性优良，较天然海绵大20倍；还有优良的加工性、绝热性、粘合性等性能，是一种性能优良的缓冲材料。在运输方面，与纯塑料相比，泡沫塑料具有密度低，质轻，比强度高，其强度随密度增加而增大，具有优良的冲击、振动能量的吸收性，用于缓冲防震包装能大大减少产品的破损;有优良的缓冲减震性能，而其中的软质泡沫塑料又具有弹性优良等性能。因此可以作为运输缓冲材料。在建筑方面，由于聚氨酯硬泡材料中间存在众多细孔、细腔和小空洞，这使得聚氨酯泡沫材料具有保温、防水、隔音和吸震的功能。其次，聚氨酯硬泡材料的泡体由连续、致密和封闭的孔洞组成，因此具有防水的性能。在化学性能方面，聚氨酯硬泡材料燃点较高，且燃烧后产生的有害气体较少。其次，聚氨酯硬泡材料稳定性强，使得聚氨酯硬泡材料不但具有长时间的寿命，而且还有对环境污染轻的特点。其三，聚氨酯硬泡材料是由聚合反应制得，所以耗时较少，适于野外和条件艰苦地区施工。其四，聚氨酯硬泡材料具有超强的自粘性能，容易与建筑物表面牢固粘贴。最后，硬质聚氨酯泡沫塑料各种面材都有较强的粘接强。因此聚氨酯是一种不可多得的建筑材料。另外，由于聚氨酯泡沫的闭孔率达92%以上,用聚氨酯泡沫作为直埋管道的保温层,不仅可以起保温隔热作用，而且能有效地防止水，湿气以及其它多种腐蚀性液体、气体的浸透，防止微生物的滋生和发展。不仅如此聚氨酯发泡瓦壳还能与各种材料进行牢固的粘合，所以作为直埋管的保温层几乎无需考虑防腐层与之粘合的问题。因此成为建筑、运输、石油、化工、电力、冷藏等工业部门绝热保温、防水堵漏、密封等不可缺少的材料，被大量地用于各种供热、制冷、输油、输汽等各种管道。四、聚氨酯的消费现状和前景（一）、消费现状由于建筑节能是国家长期坚持的基本国策，是我国实现低碳绿色经济的重要举措。聚氨酯保温材料便成了最理想的建筑节能材料，4厘米厚的聚氨酯隔热效果相当于1.7米厚的普通红砖或9厘米厚的岩棉。即要达到相同的保温效果，聚氨酯保温层的厚度只有聚苯乙烯泡沫板（EPS）或岩棉的1/2，聚苯乙烯挤塑板（XPS）的2/3。聚氨酯保温材料发展迅速，2006年刚刚起步，市场占有率不到0.5%，到2011占有率竟达10%而到了去年，竟然占有15%。未来随着国内建筑节能标准的进一步完善，聚氨酯保温材料性能的进一步提高，聚氨酯类产品将在建筑领域将大展宏图。与此同时，聚氨酯材料不仅在建筑领域有着举足轻重的地位，在制品方面也有很大比重，主要有合成革浆料、硬泡、软泡和涂料制品，约占总量的80%。（二）、发展趋势1、由于家具、家电、皮革、制鞋和氨纶等五大聚氨酯产品年消费量占我国聚氨酯产品总消费量的50%左右，是我国轻纺工业的主要产品，也是重要轻纺外贸出口商品。因此，轻纺工业是拉动我国聚氨酯产业最强劲的动力因素，同时我国高铁、地铁、城市轨道交通基本建设已成为拉动我国PU产业快速发展新的动力。2、今后几年，我国建筑节能每年将消耗PU硬泡保温材料100万～200万吨，按建设部规划PU建筑保温比例占整个保温市场20%计，年市场总值将达到500亿～600亿元，PU硬泡建筑节能市场潜力巨大。3、围绕上海、广东、烟台等地将形成了长三角、珠三角和环渤海等区域格局。产业格局的形成，将充分发挥国内各地区原料、技术和市场优势，将全面有力推动我国聚氨酯产业向纵深方向发展。4、跨国公司已将PU投资重心由欧美移至中国，中国将成为推动全球PU发展的重要动力。5、聚氨酯新技术、新工艺是目前开发的热点，如生物医学工程用PU弹性体材料、PS（聚氨酯-钢材-聚氨酯）夹层结构复合材料、TPU与塑料复合材料、TPU与橡胶复合材料、生物降解PU材料等。