聚氨（英語：Polyurethane）是聚氨基甲酸酯的簡稱，也經(jīng)常被叫作聚氨酯彈性體，其分子鏈中含有氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)（—NHCOO—），是一種性能介于塑料和橡膠之間的有機高分子材料。聚氨酯因其具有優(yōu)異的機械性能，優(yōu)良的耐氣候、耐化學腐蝕、耐疲勞性、耐磨性及高抗沖性，是目前生活和工業(yè)中最常用的聚合物材料之一，其主要產(chǎn)品有聚氨酯泡沫、聚氨酯彈性體、聚氨酯膠黏劑、聚氨酯涂料等。聚氨酯在建筑、交通、體育、醫(yī)療器械等多個領(lǐng)域均有應(yīng)用。
發(fā)展歷程
1937年，德國法本化學工業(yè)公司（I.G.Farbenindustri）的化學家奧托·拜耳（Otto Bayer）首次制得了聚氨酯，并于第二次世界大戰(zhàn)期間實現(xiàn)了聚氨酯的規(guī)模生產(chǎn)。
1951~1952年，德國的拜耳公司（Bayer AG）成功研發(fā)出聚酯型聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料連續(xù)發(fā)泡制造工藝，使用該工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品具有優(yōu)良的耐溶劑、耐油和機械性能。美國環(huán)安多特化學公司（Wyandotte Chemicals Co）于1954年研發(fā)出以環(huán)氧乙烷[wán]-環(huán)氧丙烷嵌段共聚醚制備聚氨酯泡沫塑料的工藝并于1957年實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。對比聚酯型聚氨酯泡沫塑料，聚醚型聚氨酯泡沫塑料有更優(yōu)異的抗老化性能，更低的生產(chǎn)成本。1958年，美國的百路馳（BF Goodrich）公司的化學家社倫伯格（Schollenberger）推出了一種新型的“虛擬交聯(lián)”的熱塑性聚氨酯。同年年底，美國莫拜（Mobay）公司和聯(lián)碳（Union Carbide）公司開發(fā)了“一步法”工藝技術(shù)，這是聚氨酯泡沫生產(chǎn)技術(shù)的重大突破。。
1963年，杜邦（E. I. du Pont de Nemours and Company）成功研制出外觀與手感類似天然皮革的聚氨酯合成皮革。60年代中期，各國相繼研制出聚氨酯鋪面材料和聚氨酯灌裝材料，聚氨酯沒藥樹開始在建筑工程中獲得應(yīng)用。進入20世紀90年代，隨著低成本聚醚多元醇的發(fā)展，聚氨酯涂料為汽車應(yīng)用打開了大門，使用聚氨酯制作的部件有更好的保色性、更好的耐刮擦性和耐腐蝕性，聚氨酯涂料工業(yè)已邁入穩(wěn)定發(fā)展和先進技術(shù)開發(fā)階段。
聚氨酯的性能可以在很廣的范圍內(nèi)進行調(diào)整，故其應(yīng)用場景十分廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域包括硬泡、軟泡、涂料、纖維、粘合劑等，到2020年，全世界聚氨酯的年產(chǎn)量已經(jīng)超過了2120萬噸。
合成方法
一步法
一步合的做法是，同時在反應(yīng)溶劑中混入多元醇、二異氰酸酯和擴鏈劑，然后加熱溶液至80°C以上進行反應(yīng)。在某些情況下，使用催化劑來加速反應(yīng)。一步法的特點是方法簡單，無需預(yù)聚步驟，缺點是反應(yīng)放熱集中，體系溫度升高快，聚氨酯彈性體制品強度一般比預(yù)聚體法制備的彈性體強度低。
二步法
相比一步法，兩步法的優(yōu)勢在于可以通過控制不同的鏈段結(jié)構(gòu)（軟段和硬段），得到不同性能的聚氨酯材料。兩步法也被稱為預(yù)聚物法，在該方法中，第一步是使多元醇與過量二異氰酸酯反應(yīng)，形成分子量為1000至5000的二異氰酸鹽封端中間低聚物，即預(yù)聚物，具體取決于多元醇的分子量和這兩種反應(yīng)物之間的比例。形成的預(yù)聚物通常是粘性液體或低熔點固體，易于儲存。第二步是聚氨酯預(yù)聚體與低分子量擴鏈劑（如二甘醇、乙二醇等）反應(yīng)，將該預(yù)聚物轉(zhuǎn)化為最終的高分子量聚氨酯。
二步法的優(yōu)點是，預(yù)聚體在合成過程中已經(jīng)釋放出部分熱量，預(yù)聚體與擴鏈劑反應(yīng)時放熱相對平緩，且得到的聚氨酯分子結(jié)構(gòu)規(guī)整，制品強度比一步法得到的高；缺點是需添置預(yù)聚反應(yīng)設(shè)備，預(yù)聚體的黏度可能會比較大。
影響因素
單體：聚氨酯是由軟段二醇或多元醇和含有兩個及以上異氰酸酯基團的硬段異氰酸酯反應(yīng)生成。硬段和軟段的化學性質(zhì)、相互作用和微相分離決定了聚合物的力學和化學性能。
擴鏈劑：擴鏈劑可以增加聚氨酯的硬段長度，從而產(chǎn)生優(yōu)異的機械性能，沒有擴鏈劑時，二異氰酸酯和多元醇直接反應(yīng)形成的聚氨酯物理性能非常差，并且不會表現(xiàn)出微相分離。
產(chǎn)品分類
聚氨酯材料各項性能優(yōu)異，可用于制造泡沫塑料、塑料、橡膠、纖維、膠粘劑和涂料等。
聚氨酯泡沫
聚氨酯泡沫分為軟聚氨酯、半硬質(zhì)聚氨酯和硬質(zhì)聚氨酯三種。
聚氨酯軟泡多為開孔結(jié)構(gòu)，軟泡具有密度小、柔軟度、高回彈性能且保溫防水等優(yōu)點，它的應(yīng)用涉及到多個領(lǐng)域，如家具，汽車等。
聚氨酯半硬泡抗沖擊性能好，保溫隔熱性能優(yōu)異，具有緩沖防震的作用，可用于快遞的包裝使用。又因其密度小，吸水率低，不易隨著溫度和濕度的變化產(chǎn)生變形，抗壓縮和變形復(fù)原性能好，在汽車保險杠中應(yīng)用較多。
硬質(zhì)聚氨酯為閉孔的有機泡沫材料，吸水率低，保溫性能好。目前硬質(zhì)聚氨酯的加工工藝先進，施工方便，且硬質(zhì)聚氨酯材料的力學、降噪、耐磨以及耐低溫性能優(yōu)異。
聚氨酯彈性體
聚氨酯彈性體具有很好的耐磨性、耐臭氧性、耐腐蝕性、耐油性等性能，其綜合性能介于塑料和橡膠之間。按成型方式，主要可分熱塑型（熱塑性聚氨酯）、混煉型（MPU）和澆注型（CPU），被廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、機械工業(yè)、醫(yī)療和體育等多個領(lǐng)域。
聚氨酯膠黏劑
聚氨酯膠粘劑具有良好的耐磨性、耐水、耐溶劑、耐油、耐化學藥品、耐細菌等特性，適用于很多材料的黏合，尤其是不同材料的粘合以及對軟材料的黏合，并且使用簡便。聚氨酯膠黏劑分聚氨酯和多異氰酸酯兩大類，可以進一步細分為多元異氰酸酯膠黏劑、封閉異氰酸酯膠黏劑、雙包裝膠黏劑、熱熔性膠黏劑、預(yù)聚體潮氣固化型膠黏劑。
聚氨酯涂料
聚氨酯涂料是一種具有優(yōu)異機械性能、優(yōu)異保光保色性能、耐化學品的高分子材料，可應(yīng)用于飛機涂裝、船舶涂裝、建筑物涂裝等。
聚氨酯涂料根據(jù)使用分散介質(zhì)可將分為溶劑型聚氨酯涂料和水性聚氨酯涂料。溶劑型聚氨酯涂料是以具有揮發(fā)性的有機溶劑作為分散介質(zhì)，以聚氨酯樹脂作為基體制備而成的涂料，主要用在工業(yè)領(lǐng)域，具有性能優(yōu)異、裝飾性強和易施工的優(yōu)點，缺點則是生產(chǎn)和使用的過程中會產(chǎn)生大量的揮發(fā)性有機化合物，會對人體和環(huán)境造成負面影響。水性聚氨酯（WPU）是指以水代替有機溶劑作為分散介質(zhì)，其分散液中不含或含有極少量有機溶劑的聚氨酯，除了具有一般聚氨酯樹脂所固有的高強度、耐磨損等優(yōu)異性能，還有不燃、無毒、不污染環(huán)境、節(jié)能等優(yōu)點。
阻燃聚氨酯
聚氨酯是易燃材料，可以通過加入非反應(yīng)性添加劑或反應(yīng)性阻燃劑來改善。反應(yīng)型阻燃劑包括鹵化多元醇、含磷和鹵素多元醇、含磷多元醇和含磷異氰酸酯,往聚氨酯中添加反應(yīng)型阻燃劑可以減少對材料的物理和機械性能的影響，是一種比較好的方案。非反應(yīng)性添加劑包括無機化合物、有機鹵素、磷和氮化合物等。
其它功能型聚氨酯
液晶聚氨酯
液晶聚氨酯屬于制熱性液晶，具有取向性、取向易固定性，可用于制作光學器材、原位復(fù)合材料、記憶性聚氨酯材料等。
抗菌聚氨酯
在聚氨酯樹脂中添加特定的抗菌劑可制得抗菌聚氨酯，抗菌聚氨酯對霉菌和細菌有很強的殺滅能力，適合應(yīng)用于戶外場景，如制作鞋底、底下電纜護套和船艦裝飾物等。
可降解型聚氨酯
制備聚氨酯時向聚合物中添加蔗糖、木粉等原料，能夠賦予聚氨酯生物分解特性，使其能被微生物降解，從而減少廢舊聚氨酯材料對環(huán)境的污染。
應(yīng)用領(lǐng)域
建筑領(lǐng)域
聚氨酯材料在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，因其具備優(yōu)異的保溫效果、強耐水性和力學性能，可以作為堵漏材料、室內(nèi)裝飾材料、耐磨性涂料等。如聚氨酯泡沫就是一種新型的建筑材料，對比傳統(tǒng)建筑材料具有保溫效果好、力學性能穩(wěn)定、防火等多方面的優(yōu)勢。使用聚氨酯泡沫作為建筑的保溫隔熱材料，能有效減少建筑的熱量損失和能源消耗。
交通運輸
聚氨酯具有很強的耐久性、高溫穩(wěn)定性等路用性能，可用于制備聚氨酯改性瀝青、聚氨酯橡膠顆粒混合料、聚氨酯改性瀝青混合料等。聚氨酯作為路面鋪裝膠結(jié)材料，能夠減少路面養(yǎng)護維修的費用。
聚氨酯彈性體既有強度又有彈性，在汽車制造業(yè)也有廣泛應(yīng)用，可以制作減震緩沖器、儀表盤、氣囊、輪胎等。
體育領(lǐng)域
常見的塑膠跑道是由聚氨酯預(yù)聚體、擴鏈劑、催化劑、顏料等一系列材料經(jīng)混合、加工、攤鋪澆筑聚成的聚氨酯彈性體。氨酯塑膠跑道具有諸多優(yōu)點，如耐老化性能好，適合戶外場地使用；具有高彈性，能夠有效減少運動者的受傷風險；易于保養(yǎng)養(yǎng)護等。
醫(yī)療器械
聚氨酯具有良好的生物相容性抗血栓性，在醫(yī)療領(lǐng)域有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１热缬镁郯滨椥泽w制作輸尿管支架；用彈性體聚酯聚合物制作脊柱器械，幫助患者緩解神經(jīng)壓迫和疼痛；聚氨酯配合其他材料制作有機高分子化合物聚合物薄膜，用于醫(yī)療器械包裝，能有效避免氧氣和潮氣滲入。
其他應(yīng)用
在織物上涂上膠料、粘合劑可以制得聚氨酯革，其具有良好的彈性、透氣性、耐老化性，可用于制作大衣、手套等，聚氨酯革經(jīng)染色后也是很好的室內(nèi)裝修材料。聚氨酯彈性纖維——氨綸彈性高、柔軟性好，適合制作緊身衣。聚氨酯硬質(zhì)泡沫可用于制作仿木材料，能夠代替木材制作家具、吸引保溫材料等。聚氨酯還可用于制作液晶材料，液晶聚氨酯具有取向性、取向易固定性，可用于制作濾光片、反射器等光學材料。
安全事宜
安全防護
工業(yè)生產(chǎn)中，制造聚氨酯產(chǎn)生的煙霧和蒸汽會危害人的呼吸系統(tǒng)，并且聚氨酯的原料與人眼睛皮膚接觸，有可能造成永久性損傷。所有操作人員必須穿戴好防護服、帶全面罩的防護眼鏡、耐化學藥品的手套和鞋等。
火災(zāi)危險
聚氨酯常與其他可燃性物質(zhì)混用，使用時必須判斷火災(zāi)危險性。家具和軟墊中需要使用聚氨酯軟質(zhì)泡沫，可以在其中添加阻燃劑，能夠有效降低發(fā)生火災(zāi)的風險；運輸行業(yè)如汽車部件需要用到聚氨酯泡沫，產(chǎn)品必須滿足相關(guān)安全標準的可燃性試驗要求；建筑行業(yè)使用的聚氨酯，需要滿足行業(yè)可燃性材料的相關(guān)規(guī)定。
降解
聚氨酯能夠發(fā)生降解，常見的有以下幾種：
光降解：聚氨酯非常容易吸收環(huán)境中的輻射光，而后發(fā)生氧化降解。
微生物降解：聚氨酯中的氨酯鍵與蛋白質(zhì)中的肽鍵相似，在合適的溫度和濕度下容易受到微生物的侵襲而發(fā)生降解。
水解：水能與聚氨酯中的某些基團發(fā)生反應(yīng)從而導(dǎo)致聚氨酯主鏈斷裂并生成羧基[suō jī]。
熱降解：聚醚多元醇型聚氨酯比較容易發(fā)生熱降解，降解釋放出的異氰酸酯會導(dǎo)致環(huán)境和人的健康問題。
環(huán)境影響
一般來說，聚氨酯生產(chǎn)時的原料及產(chǎn)生的廢水不會污染環(huán)境，聚氨酯產(chǎn)品也不會對水和土壤造成污染。對于聚氨酯廢料，可以采取傾倒、焚化和再利用三種處理方法，其中焚化是最安全的處理方法，并且焚化產(chǎn)生的熱量也能得到利用；再利用則可以通過熱解氨基甲酸聚合物回收多元醇、二胺類化合物。
參考資料 >