- 聚氨酯材料與市場介紹
聚氨酯材料與市場介紹
聚氨酯材料與市場介紹
聚氨酯，通常稱為PU，是一種多功能的聚合物，廣泛應用於各行各業。由於其不同的配方和生產工藝，聚氨酯可以呈現多種形式，如泡棉或彈性體。聚氨酯的生產過程複雜，需要深入了解化學原理。本文將重點介紹聚氨酯生產的三個重要方面。
首先，我們將介紹聚氨酯的製造過程，分為三個部分：異氰酸酯的生產、多元醇的製造以及聚氨酯的生產。其次，我們將探討PU材料的重要應用，包括PU泡棉、PU塗料和膠黏劑、以及PU密封和彈性體。
聚氨酯的原材料及形成
1937年，奧托·拜耳（Otto Bayer）和他的同事在德國萊沃庫森的I.G. Farben實驗室工作時，發現了聚氨酯。當時，他們正在研究由脂肪族異氰酸酯和二胺製造聚脲的過程。聚氨酯是由脂肪族異氰酸酯和乙二醇反應生成的。雖然聚氨酯的研究和生產持續進行，但直到十五年後才開始商業化生產。
PU的生產過程涉及一種放熱反應，即含多羥基（-OH）基團的醇類與異氰酸酯反應。這些分子可以是二醇、三醇或多元醇，而異氰酸酯應含有多異氰酸酯基團（-NCO），如二異氰酸酯或多異氰酸酯。
在聚氨酯市場中，TDI（二異氰酸甲苯）和MDI（二苯基甲烷二異氰酸酯）是最常用且重要的芳香族異氰酸酯形式。由於MDI和TDI的生產涉及高度有毒的化合物光氣，因此該供應商高度集中，形成寡頭壟斷，主要製造商控制了全球市場的大部分份額。因此，異氰酸酯的價格和庫存高度依賴於這些主要化工製造商。此外，不斷增長的環保問題和波動的原材料價格對聚氨酯製造商構成挑戰。MDI和TDI的價格波動受到其前體市場（如石化產品）價格變動的影響。
PU製造的第二部分涉及多元醇的生產，這些多元醇至少佔PU總製造量的90%。它們可以是羥基封端聚醚或羥基封端聚酯。這些化合物與異氰酸酯的反應產生具有特定性能的PU。分子交聯度取決於所選多元醇的分子結構、大小和柔韌性，這些因素也會影響聚合物的機械性能。近年研發發展出與大豆油和環氧丙烷等bio-base聚合物的聚氨酯合成反應，從可再生資源中獲得聚氨酯聚合物是目前的重要發展方向。
聚氨酯的生產涉及兩個羥基與TDI或MDI反應形成線性聚合物。含多羥基的多元醇反應，導致長鏈分子在其中間點相互交織，形成具有增強機械性能的網狀剛性聚合物結構，從而產生具剛性的PU。PU需要經過各種化學反應來控制形成過程並實現特定性能。不同的添加劑在PU製造中具有不同的用途。例如，催化劑加速多元醇與多異氰酸酯之間的反應過程，而煙霧抑制劑在燃燒PU時減少煙霧的生成。PU材料添加劑最常見的是發泡劑和表面活性劑，這些添加劑使PU形成泡棉，從而控制氣泡形成並產生蜂窩結構泡棉。分子鏈的交聯改變了PU結構，增強了其強度並提高了其功能性。
聚氨酯的應用
大量聚氨酯以泡棉形式生產，通常以大塊形式，然後再切割成小塊。PU泡棉主要用作墊子或熱絕緣材料。PU的硬度或柔軟性取決於其特定的密度水平，這也決定了其應用。例如，低密度、高柔性的PU非常適合作為椅墊材料，因為它具有高度抗疲勞性。聚氨酯泡棉廣泛用於內部組件和輕質汽車部件，以促進燃料和能源的節省。PU也是電氣設備的優秀絕緣材料，因為它具有耐油性。PU的密度在製造過程中可以增加，使電纜更耐用。此外，PU的高柔韌性和生物穩定性使其適合用於人工心臟瓣膜，確保它們能像天然心臟瓣膜一樣自由擴張和收縮。
另一個聚氨酯的優點是，由於預聚合物液體的低分子量，使得PU過程可以在不同階段啟動，且容易處理。起始材料的壓力也相對較低。聚合過程可以在反應的不同階段將初始單體和預聚物轉化為固體最終產品。剛性和柔性泡棉的固有特性（如結構穩定性）使其能夠生產具有熱絕緣性能的產品。PU的黏合性能確保建築板材具有足夠的強度並持久。高效且絕緣性能好的泡棉在綠色建築和可持續基礎設施項目中被使用，以降低歐洲和北美等發達地區的能源成本。由於PU具有高度的耐用性、耐磨性和靈活的物理特性，它也是鞋底的優秀材料。
聚氨酯塗料對於車輛、牆壁、地板、電纜、橋梁和紡織品等應用至關重要。全球塗料市場產生約20億美元的銷售額，反映了工業和建築行業對PU塗料製成品的高需求。環保塗料的發展，例如聚天門冬氨酸和2K
水性PU技術，開闢了新的銷售增長途徑。PU的特性如耐用性、耐腐蝕性和耐候性，使其成為理想的塗料材料。塗料保護表面免受污染或腐蝕，並增強其外觀。例如，車輛塗料確保外部具有高光澤度，以防止腐蝕或刮擦，同時提高顏色保持度。日本是PU塗料消耗量最高的國家之一，這可能是由於該地區眾多的汽車裝配和建築公司。
PU還用作膠黏劑或粘結劑，相較於其他天然膠黏劑，PU及其系統化學提供了高性能特性。其多功能性允許生產具有高剪切和抗拉強度的膠水。紡織、家具、鞋類、建築和包裝等行業大量依賴PU膠黏劑。PU膠黏劑的高彈性和強度確保物品長時間保持粘合在一起。PU膠黏劑的品質還促進了廢舊車胎的回收利用，用於製作運動場等表面，從而保護自然資源。例如，纖維板是
PU膠黏劑與木屑結合的產品。此外，
溶劑型PU膠黏劑逐漸不受歡迎，工業界轉向使用水性PU材料，以符合揮發性有機化合物（VOC）指南，推廣無溶劑和環保選項。
PU密封材和彈性體
密封材通過填充兩個表面之間的空隙來將它們粘合在一起，在建築、消費品、交通、航空航天和電子行業中有很大的需求。建築行業是PU密封材需求最大的行業，其次是交通和工業市場。PU密封材在製造需要高強度、耐水密封的材料中至關重要。PU的特性確保材料在彎曲或拉伸後容易恢復而不失去形狀。
PU彈性體是一種橡膠狀聚合物，可以顯著拉伸並在去除拉伸力後恢復原狀，類似於彈簧。彈性體在外力變形時抵抗流動。PU彈性體的多功能性使其能夠達到特定應用所需的最佳物理特性。它們可針對不同市場細分進行定制，並且由於澆鑄彈性體的可靠性，可以在金屬和陶瓷上執行多種功能。作為橡膠形式的澆鑄彈性體具有高彈性和柔韌性。PU彈性體具有多種應用和廣泛的硬度和加工特性。它們對油、汽油和非極性溶劑等物質具有高度抵抗力。僅有少數化合物如氧化劑和強鹼性和酸性元素會影響完全固化的澆鑄彈性體。常見的澆鑄彈性體產品包括滑板輪、
叉車輪胎和壓胎。PU彈性體能同時勝過金屬、塑料和橡膠。然而，目前PU系統技術中使用聚酯多元醇降低了PU彈性體的水解穩定性，限制了其應用範圍。
許多公司正在投資創新研究，以滿足對高性能PU噴塗彈性體和澆鑄應用不斷增長的需求。主要重點是提高耐磨性，這是磨損應用（如塗層或技術灌注物品）所需的關鍵物理和機械性能。改進的PU彈性體技術包括開發具有內在自修復特性的PU彈性體，有助於細分市場的增長。PU彈性體預計將成為增長最快的PU產品，提供塑料和橡膠的綜合優勢，在高性能應用中具有高度的靈活性和抗衝擊性。
結論
聚氨酯行業可以按產品細分為泡棉、塗料、密封材、膠黏劑、彈性體和其他產品。聚氨酯市場規模在2015年約為500億美元，並預計由於對家具、建築、電子產品、家電、汽車、鞋類和包裝的輕質耐用材料需求不斷增加，市場將穩步增長。研究更快且成本更低的生產過程、更強的性能和更環保的PU材料是至關重要的。
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