无处不在的聚氨酯,让生活更美好

日期:2015-08-05

 

    塑料、橡胶等各种合成高分子材料在我们的生活中无处不在,这已是不争的事实。不过在众多的高分子材料中,恐怕没有谁能够像聚氨酯那样深入到我们生活的每一个角落。或许你很好奇,这种听上去陌生的材料在哪里?那么就请跟随我到每一天的生活中寻找它的足迹吧。

    早餐,你洗漱完毕走到厨房,准备从冰箱中取出今天的早餐时不妨想一想,冰箱厚厚的箱体和箱门里面是什么?答案是聚氨酯的泡沫,里面的冷空气出不来,外面的热空气又进不去?答案是密闭在冰箱箱体和门中的聚氨酯泡沫。它们竭尽全力阻止冰箱内外的热量交换,若是没有聚氨酯,冰箱的压缩机恐怕将无休止地轰鸣,而你也不得不为冰箱巨大的耗电量而发愁了。

    接下来请你把目光移到冰箱旁边胶合板做的橱柜。胶合板是将许多层的薄木板用胶粘合而成,酚醛树脂和尿醛树脂曾经是粘合木板的主力,但是这两类材料会释放出有强烈致癌作用的甲醛,因此近些年已经被聚氨酯所取代。最后再请你把视线移到墙角,聚氨酯密封剂正在忠实地履行自己的职责,将墙角的缝隙牢牢封死。

    吃过早餐你离开家来到单位。公司刚刚搬进了新建的办公楼,走进大厅,实木地板光亮的像镜子一样,这多亏了覆盖在地板上的一层聚氨酯涂料,否则木地板早就被往来的人流磨损得不像样子了。

    你注意到公司走廊上贴着醒目的宣传画,自豪地向大家宣布,别看公司的新办公楼面积庞大,内部装修豪华,在节能方面却堪称表率。降低建筑物的能耗离不开方方面面的努力,但其中一大功臣是夹在墙体和天花板内部的聚氨酯,它们和你家中冰箱使用的聚氨酯泡沫非常相似,只不过在这里它们为更加庞大的“冰箱”提供服务。

    工作劳碌之余,你来到运动场上准备锻炼一下身体。这里面有没有聚氨酯的足迹呢?当然有。先说说你身上的运动服,为什么它能紧贴身体却又不失舒适感?如果你留意一下它的标签,可能会注意到“10%氨纶”的字样,答案就在这里。氨纶是聚氨酯的纤维,具有极其优异的弹性。虽然衣物面料中氨纶的含量一般都不高,但是如果少了它,像泳衣、运动服和紧身裤这样的衣服穿在身上感觉将会是非常糟糕。再说说你脚上的这双运动鞋。

    许多鞋子舒适耐磨的鞋底都是由聚氨酯制成,而聚氨酯的鞋底常常又是依靠聚氨酯粘合剂与鞋面牢牢粘在一起。最后说说你脚下的塑胶跑道。塑胶跑道的基本原料当然是粉碎成小颗粒的废旧橡胶,但是若没有聚氨酯粘合剂把它们紧紧连在一起,这些橡胶小颗粒只会像砂土一样到处飞扬。

    夜幕降临,你回到家中。终于结束了一天的劳累,此时此刻你可能正慵懒地靠在沙发上欣赏电视节目,或是躺在自家的大床上准备进入梦乡。如果揭开床垫或沙发垫外面的布料,你可能会看到白色或者乳黄色柔软又轻盈的材料,这仍然是聚氨酯。床垫和沙发垫能如此舒适,聚氨酯功不可没。

最重要的是聚氨酯类油漆用于各种电机、电器、仪器、机械、金属制品等室内物件的外表涂装,起装饰及保护作用,使工件表面要达到牢固洁净、无油污、灰尘等污物,无酸、碱或水分凝结。

    通过上面的介绍,你是否意识到了我们日常工作和生活的几乎方方面面都离不开聚氨酯?那么这究竟是怎样一种神奇的材料,我们又是如何得到它的呢?

    众所周知,各种合成高分子材料都是由无数小分子相互反应而来,例如聚乙烯就是乙烯分子相互反应的产物。聚氨酯自然也不例外,要得到它,离不开两类重要的小分子。

    第一种分子叫做醇,也就是带有羟基的化合物[1]。这是大家再熟悉不过的一类物质,我们每次开怀畅饮时就在喝下醇的一种——乙醇。不过要完成合成聚氨酯的任务,每个醇分子中至少要有两个羟基才行,因此乙醇并不够格,需要换成它的“近亲”——乙二醇。

    另一种分子相对来说没有那么知名,它叫做异氰酸酯,这里出场的是其中的一员,名叫二苯基甲烷二异氰酸酯[2]。虽然名字拗口难记,它可绝对称得上聚氨酯工业中的“大腕”,全球范围内年产量高达数百万吨。顾名思义,每个二苯基甲烷二异氰酸酯分子中有两个异氰酸酯结构。

    一个乙二醇分子和一个二苯基甲烷二异氰酸酯分子一旦相遇,就像久违的老朋友,一个伸出羟基,另一个伸出异氰酸酯,紧紧握住对方的“手”,变成了一个分子。但是反应并没有就此打住。乙二醇还有另一只“手”——另外一个羟基,它还可以抓住另一个二苯基甲烷二异氰酸酯分子。而被乙二醇抓住的两个二苯基甲烷二异氰酸酯也分别还有另外一个异氰酸酯结构空闲着,又可以分别抓住一个乙二醇分子。大家不停地拉手的结果就是形成了高分子化合物,也就是聚氨酯。

    为什么聚氨酯的应用如此广泛?奥秘就在于这两种原材料上面。在刚才的例子中,我们用乙二醇和二苯基甲烷二异氰酸酯反应得到了聚氨酯,但如果你把乙二醇换成丙二醇或者丁二醇,只要每个分子中至少含有两个羟基,我们仍然能够得到聚氨酯。同样,我们也可以把二苯基甲烷二异氰酸酯替换成其它的材料,只要每个分子都至少有两个异氰酸酯结构。也就是说,聚氨酯实际上包含了一大类材料,它们的结构虽然相似,性能却又迥异,有的是坚硬的塑料,另外一些是富有弹性的橡胶,还有的能够做成强劲的粘合剂。

    当然,无论性能如何变化,它们都具有许多共同的优点,例如生产成本低、加工方便、耐腐蚀等等。除了聚氨酯,几乎没有哪一种高分子材料能够让我们如此随心所欲地调节它的性能以适应不同的应用。

    聚氨酯之所以遍布日常生活的几乎每一个角落,还得益于它的另一个绝活——发泡。如果我们在烧杯中加入一定量的醇和异氰酸酯,搅拌一会儿后它们就会变成坚硬的固体。然而如果我们再向烧杯中加入一点水,烧杯中的混合物就变得像刚开瓶的啤酒,大量泡沫喷薄而出。原来,异氰酸酯一遇到水就就迅速变成另外一种有机物——胺,同时迅速放出二氧化碳气体。由于液体的阻隔,这些气体来不及逃逸至空气中,因此我们就看到了大量的泡沫。

    可是随着时间的推移,这些泡沫并不会像啤酒沫或者肥皂泡那样逐渐破碎消失,而是永久地留存下来。原来,反应生成的胺还会会继续寻找尚未与水反应的异氰酸酯并与它发生反应,把自己变成聚氨酯的一部分。也就是说,构成这些泡沫外壁的不再是脆弱的水膜,而是坚固的聚氨酯,因此这些泡沫得以永久保留下来。而由于内部充满了大量微小的气泡,聚氨酯也变得无比轻盈膨松,密度只有原先的几十分之一[3]。

    不要小看这些聚氨酯的泡沫,全球范围内,它们竟然贡献了聚氨酯材料一多半的产值。那么这么多的聚氨酯泡沫都到了哪里去呢?通过调整原料具体的组成,我们可以得到两种不同的聚氨酯泡沫。第一种聚氨酯泡沫的孔洞之间互相连通,构成泡沫外壁的聚氨酯柔软而富有弹性。这样的泡沫遇到外力很容易变形,但又不会被压垮,一旦外力撤去就会恢复自身的形状,因此能够给使用者带来极大的舒适感。前面提到的床垫和沙发垫很多都应用了这一类聚氨酯泡沫。除此之外,汽车坐垫也少不了它。

    另一种聚氨酯泡更为坚硬,内部的微小孔洞不再相连,而是彼此隔绝,这样的泡沫有什么用呢?我们知道,如果要隔绝热量的传播,没有什么材料的效果能比得上空气,而空气中二氧化碳的隔热能力又大大优于氧气、氮气等其他成分。如果我们用聚氨酯将二氧化碳隔绝在一个个微小的空间内,防止它们互相流通或者逃逸到外界,这样的聚氨酯泡沫具有几乎媲美空气的良好的隔热能力,是其他材料难以企及的。

    如果用砖来代替,30多厘米厚的砖的隔热效果才能抵得上1厘米厚的聚氨酯泡沫!而且由于聚氨酯泡沫具有很好的机械强度,很多时候利用它来进行隔热比单纯使用空气来隔热效果要好得多,因此它广受人们的青睐。聚氨酯泡沫不仅已经成为生产冰箱的必备,在建筑节能中的应用也十分广泛。这些聚氨酯泡沫有效地帮助我们提高了能源的利用率,从而节省了宝贵的资源。

    从诞生至今,聚氨酯走过了近80年的历程,极大地改变了我们的生活。放眼未来,聚氨酯材料的不断革新和进步还将让我们的生活更加美好。

注释:

[1] 准确地说醇是脂肪族碳链与羟基相连的化合物。羟基直接与苯环相连的化合物称为酚。

[2] 二苯基甲烷二异氰酸酯有2,2’, 2,4’ 和4,4’三种不同的结构,其中4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯在聚氨酯工业中最为常用,图1展示的也是这种结构。

[3] 许多聚氨酯泡沫在生产过程中也会通入其它气体帮助发泡

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