聚氨酯是被用作各种材料的聚合物类别之一,原则上其结构中含有聚氨酯基团。另一方面,聚氨酯基团以外的成分比例很多,其组成和结构极为多样。也就是说,作为共通项的聚氨酯基团产生了聚氨酯这一整体类别的特点,其他的组成产生了聚氨酯的多样性。
聚氨酯基团的特点大致可分为两类。一种是合成法的观点,认为聚氨酯基团是由异氰酸酯基团和氢氧基反应制成的。异氰酸酯基团反应性高,易与氢氧基反应形成聚氨酯基团。因此,通过两液混合反应制备聚氨酯,也可以同时进行反应和成型。
另外,异氰酸酯基团还能与氨基和水等反应,引起脲基结合和二氧化碳的产生。由此,聚氨酯化以外的反应可通过催化剂等控制时机,同时并行进行,这也有助于多样性。另外,与水的反应还可用于通过单液湿气硬化生成聚氨酯树脂。异氰酸盐基团与水的反应产生二氧化碳,在泡沫的生产中用作发泡气体。另外,异氰酸酯基团还可以相互反应,特别是异氰酸酯基团作为热稳定性高的交联结构,是有助于聚氨酯的阻燃化和高强度化的有用结构。
聚氨酯基团的另一个特点是物性面,这大致可以用氢键性来解释。构成聚氨酯基团的特征基团N-H和C=0之间容易形成氢键。不用说,不是一个聚氨酯基团中的N-H和C=0,而是与其他聚氨酯基团或酯基C=0等形成氢键。分子骨架中存在的聚氨酯基团的氢键不仅通过分子链之间的凝聚提高力学物性,而且是耐磨性、粘合性等聚氨酯共通物性的关键。
与共价键相比,氢键的结合能约为1/10,这是与共价键相比的优点。例如,通过加热和冷却可切断或连接的可逆性结合,可以同时实现热塑性和高强度,这就是热塑性聚合物用于聚氨酯弹性体(TPU)。另外,通过聚氨酯基团的量、分子链中聚氨酯基团密集还是分散等分子设计,可以控制分子链的凝聚结构,使物性的多样化和高度化成为可能。这种技术不仅应用于TPU,还广泛应用于热固性聚氨酯弹性体(TSU)、粘合剂、涂料、泡沫等。
因此,氢键性导致聚氨酯分子的凝聚,但从另一个角度来看,这也有助于粘附性。也就是说,聚氨酯分子镇流剂可以凝聚,而在与异种物质的界面上,则有助于与该物质的粘合。因此,聚氨酯本来就是一种粘着性很高的物质,不仅用作粘着剂,在涂料和硬质泡沫等中与基材的自粘着性也很高,具有不需要其他粘着剂的优点。
那么,聚氨酯基团以外的成分对聚氨酯树脂的多样性有很大贡献。这些成分取决于原材料的选择。原材料中既有通用的面向聚氨酯的材料,另一方面,如果以制造特殊的聚氨酯为目的,只要是能与异氰酸酯基反应的材料都可以无限制地使用(当然满足各种要求特性。有设计上的限制)。关于利用什么样的原材料,将在“聚氨酯原料篇”中进行介绍,这里就不做详细叙述了。
如上所述,聚氨酯利用作为共通点的聚氨酯基团和根据所使用的原材料和分子设计的多样性,在极其广泛的领域被利用。大致按用途分类有弹性体、涂料、粘合剂以及泡沫等。按分子结构和目的分类,可以分为 TPU和TSU,溶剂型涂料和水性涂料,单液粘合剂和双液粘合剂,水发泡泡沫和物理发泡泡沫,软质泡沫和硬质泡沫等。
每种产品当然都有其要求特性,必须进行设计以满足这些特性。聚氨酯的设计不仅包括原料的选择,还包括如何使这些原料发生反应,形成什么样的一次分子结构,形成什么样的凝聚结构,从而表现出什么样的功能和性能。包含多个元素。
为了实现聚氨酯材料所设想的功能和性能,其合成方法的适当也很重要。因为即使原料完全相同,由于合成方法不同,生产的聚氨酯的性质也会产生差异,这种情况并不少见。
关于聚氨酯的分子设计,我们首先介绍了以末端官能团为基准的计算方法,以确定原料的混合比。接着,根据分子结构的不同对聚氨酯进行分类,然后详细叙述各个分子结构的特征、合成方法、应用领域等。