聚氨酯在我国战略性新兴 产业中举足轻重（下）
□ 上海应用技术学院材料科学与工程学院 上海市聚氨酯工业协会 黄茂松 贾润萍
PU材料在高端装备制造业上应用
（接上期）高端装备制造业是装备制造业的高端部分，具有技术密集、附加值高、成长空间大、带动作用强等突出特点。对于加快我国工业化现代建设、实现制造强国战略目标具有重要意义。
1 PU材料在现代汽车工业上应用
现代汽车工业未来发展方向是轻量化、绿色环保和舒适安全，而PU是实现汽车轻量化、塑料化的关键材料。目前，我国轿车平均20千克/辆，欧美轿车平均30~50千克/辆。其中微孔PU弹性体、纤维增强PU复合材料、微孔木质纤维PU复合材料、TPU合金、TPU复合材料、生物基PU材料、PU轮胎、低VOC内饰件PU材料、以及环保性PU胶粘剂和涂料等ＰU材料在现代汽车工业上，作为内饰件、外饰件和结构件已得到广泛应用，将极大提升高端汽车制造业的发展。
2 PU材料在海洋装备上应用
海底输油输气管道用PU材料 国外已成功地采用PU弹性体用做海洋平台海底输油输气管道。经多年使用证明，此种管道具有抗冲击力强、耐磨和耐海水腐蚀等特性，并具有高的拉伸强度和粘结强度，使用寿命长。在相同环境下，PU海底输油输气管道比硫化橡胶管道和钢管使用寿命延长一倍。此种海底管道可广泛应用于石油和天然气勘探开采平台、浮式储油库、浮式电站、浮式海水淡化装置等。
巴斯夫、PERM石油天然气公司以及LLOG勘探公司合作开发了由PU材料制成的海底绝缘管道，管道长度超过81000英尺（24688.8米）。
海底油管PU保温材料 美国陶氏油气事业部推出Neptune高级海底油管PU保温系统，专为抵御水下油田开采中日益恶劣的环境条件设计开发。陶氏油气事业部宣布该海底油管PU保温系统已实现商业化应用。
深海输油管涡激减振装置用PU材料 涡激振动是海水立管结构疲劳破坏的重要因素，不采取措施减少立管的涡激振动，会导致立管断裂，油气停产，甚至产生严重的污染环境问题。因此采用合适的方法抑制涡激振动，业已成为深海油气开发的关键技术。中海油能源发展管道工程分公司已成功地采用PU弹性体材料，制成了螺旋列板式涡激振动抑制装置，并已得到了应用。该项技术在墨西哥湾、西非、北海等深水采油气作业中已得到广泛应用。
PU重防腐涂料在海洋装备上应用 以钢结构为主体的海洋石油平台、海底管道、油气储罐及管线等海洋工程装置，处于严重海洋腐蚀环境。解决这些海上钢结构防腐技术，已成为海洋油气能否安全平稳开发的关键。高性能PU重防腐涂料具有耐海水腐蚀、耐紫外光、高耐磨、高耐候性等优点，在国内外海洋工程上已得到广泛应用。
3 PU和聚脲弹性体在高铁、地铁、城市轨道交通中应用
PU弹性体 PU轨枕垫板是一种PU微孔弹性体，用于钢轨和枕木（或水泥枕）之间，要求具有良好的弹性和减振性能，以缓冲高速列车通过时产生的强烈振动和冲击而起到保护路基的作用；要求具有优良的耐磨和电绝缘性能以及耐自然老化和耐温性能（-40～80℃），每块PU轨枕垫板约几百克。目前，PU轨枕垫板在国内高速铁路和地铁中已得到普遍应用，市场需求量巨大。
据我国高铁规划要求，每铺设1千米高铁轨道需要200千克的PU轨枕垫板（垫）。未来几年内，此种PU弹性体市场需求量将达到2万吨。目前此种高性能PU弹性体以进口为主，价格较高，如美国杜邦公司生产的此种产品售价为10万元/吨。
由于采用无碴轨道，高铁不仅要求防护层具有防水、防渗和抗裂等基本性能，还要求防护层能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲弹性体涂层无接缝、粘结力强，真正做到了整体防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能，可满足高铁的特殊要求。京津高铁工程中聚脲材料防护工程达95万平方米，聚脲用量超过2000吨。
正在建造的京沪高铁全长1318千米，需要聚脲弹性体涂层2万吨以上、脂肪族面层涂料868吨、PU防水涂料6707吨，工程总额20亿元。预测“十二五”期间，我国聚脲弹性体市场需求量在10万吨左右，这将给我国聚脲新型产业提供难得的发展机遇。
4 PU密封材料在高端装备制造设备上应用
PU密封材料在三峡水利工程上应用 国内宝力特和PU公司成功制成了直径13米、周长42.7米的特大PU密封圈，用于三峡水电站水轮机机组。对三峡水电机组保持稳定运行起到了重大作用。
PU防水密封件在南京长江隧道工程中应用 南京长江隧道总长度为6042米，具有盾构机械直径超大、隧道水压高、地层透水性强、地质条件复杂等特点，由此给隧道结构防水带来极大难题。铁四院、西北橡胶院和北京化工大学等单位联合开发成利用PU防水条，解决了高水压、高透水层、严苛条件下隧道100年不漏水的世界性难题。PU防水材料在隧道防水工程中发挥了重大作用。
耐高温高压PU密封件 耐高温高压密封技术是高端制造设备的一个技术难点。特瑞宝密封系统公司开发出牌号为Zurcoy专用PU复合材料Z25密封件，耐高压40兆帕、耐高温130℃。产品包括O型密封圈、旋转密封件和液压密封件，在航空航天飞行器密封系统、商用和军用飞行器控制系统、汽车燃料控制系统、汽车动力系统中已得到了应用。
5 PU灌浆材料在矿山等工程设备中应用
PU注射封堵技术在煤矿中应用，在欧美已有30多年发展历史。该项技术近年来已引进我国，其技术特点是：在高压振动下，预聚体注入煤矿岩石裂缝、砂砾煤层和隧道孔洞中，起到快速封堵作用，从而防止煤矿出现水和瓦斯积聚现象。该项技术是确保煤矿地下作业，防止瓦斯外泄和积水事故的重要安全技术措施。PU灌浆技术也已广泛应用于水利、水库、隧道、建筑、公路、桥梁等领域。
6 PU阻尼材料在高端机械装备上应用
随着现代化工业发展，大功率高端机械不断增多。为解决高端机械装备的振动、噪声和失效，阻尼技术是控制结构共振的最有效方法，是解决减振问题的重要手段。PU阻尼材料包括阻尼弹性体、阻尼胶粘剂、阻尼泡沫和阻尼涂料等，已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、精密机械仪器等高端制造装备。
7 PU材料在航空航天上应用
PU复合材料在民用直升机上应用 中航直升机公司与德国赢创工业集团合作，采用赢创的ROHACELL聚氨酯硬质泡沫塑料为芯材的夹层结构复合材料，成功地用于大型民用直升机AC 313桨叶，已完成了在高寒地区的试飞。验证了该材料在极地地区温度下，具有优异的耐低温性能和压缩性能，在长期动力载荷条件下仍具有优异的剪切强度。
航空航天飞行器用PU蒙皮材料 拜耳材料科技采用长波紫外光固化技术，开发成了用于美国航天飞机用的PU蒙皮材料，以取代传统的双组份PU蒙皮材料。报导称此种涂料具有固化速度快、挥发性有机化合物含量低、综合性能优良等特点。此种PU蒙皮涂料已用到美国C-150大型空运飞机和F-16战斗机。
8 PU材料在新能源汽车上应用
新能源汽车由于电池的重量很重，因此必须采用轻质材料。PU复合材料在此将会得到应用。同时新能源汽车比普通轿车采用更多的塑料件，由此粘结技术成为关键技术之一，PU结构胶在此可发挥作用。此外，新能源燃料电池中，密封是至关重要的一个环节。一个电池中有几百片，每一片都要用密封胶进行密封。PU密封胶是重要的胶种之一。
生物基PU材料
1 植物基PU材料
植物基PU材料系指利用植物基原料制成植物基聚醚多元醇，再制成聚氨酯材料。目前，国内外基本上有两条技术途径：一条路线是利用植物油，如大豆油、棕榈油、蓖麻油、柿籽油等植物油类为原料制成植物油基聚醚多元醇。另一条路线是利用废弃植物如秸秆、竹类等原料，制成植物纤维基聚醚多元醇。
近期刘为锋、贾润萍等在国内开发出植物纤维基聚醚多元醇，技术处于国内外领先水平。并在此基础上，首次利用植物秸秆制成了植物结构阻燃聚醚多元醇，并实现了其产业化生产。采用该植物纤维基聚醚多元醇或植物结构阻燃聚醚多元醇，成功制备出阻燃B1和B2级的PU外保温材料、以及复合A级的PU外保温材料。
利用植物油基聚醚多元醇或植物纤维基聚醚多元醇，可以制成多种PU材料，包括PU硬泡、软泡、涂料、胶粘剂、密封剂和仿木等制品。现已在汽车、建筑外保温、冰箱、家具等领域得到推广应用。
2 PU材料在生物医学上应用
生物医用高分子材料已是全球生物技术和新材料领域研究的前沿和热点，并正在成长为世界经济的一个支柱产业。而热塑性聚氨酯（TPU）弹性体是生物医用高分子材料中极为重要的一大品种。目前全球医用级TPU年消费量已超过数万吨，仅美国用于人工血管TPU年消费量已达到1.6万吨，其年增长率为20%。我国TPU医用材料因受到上游原料医疗级TPU昂贵价格因素制约，大部分医疗TPU及其医用材料由国外进口。目前国内医疗级TPU年需求量是千吨级规模。
国内外生物医用材料研究与应用表明，TPU材料比其他医用高分子材料具有更好的血液和组织相容性、生物稳定性。在长期植入人体内的医用材料中，目前没有一种材料如TPU材料具有更优异的综合性能。TPU材料已成为国内外研制人工心脏及其辅助装置和人工血管之首选材料。TPU薄膜可用于多种医疗卫生用途，如伤口包扎材料、退烧冰敷冰袋、避孕套、医院床垫级床套等。
德国拜耳材料科技公司研制的医疗级Texin TPU产品已被广泛用作导尿管、柔韧壁薄的防扭结管线、连通管、路尔连接器和旋塞阀等，美国Abiomed公司研制成生物降解型TPU，用于制造药物缓释材料，组织材料和人体修复材料。
近期美国Bezwada Biomedical公司报导开发成了PU医用骨质材料。美国医疗设备公司St. Jude Medical Inc. 近期宣布发明了可用于心脏起搏治疗仪的PU材料。
拜耳材料科技近期推出了三种医疗级TPU产品，即Texin RX HM125、 Texin RX STX120和Texin RX T70A。前两个品种主要用于医疗配件旋塞、医疗设备外壳。这两种材料具有优良的耐磨性、耐化学性、耐热性和低热膨胀系数、低模收缩率和低水分吸收率等优点。Texin RX T70A是目前医疗特种型材和管材、导管的理想选择材料，也可用于医疗二次注塑和垫圈。
拜耳材料科技近期开发成了一种以PU泡沫为基材，与TPU薄膜相结合的伤口功能敷剂，牌号为Baymedix。此种敷剂具有良好的透气性、透水性、生物相容性和吸收伤口分泌物性能。
美国Pelham Plastics公司开发成了血液透析TPU导管，此种新型血液导管将于2013年初获得FDA（美国食品药物管理局）的批准。
上海应用技术学院采用含氟聚氨酯和纳米技术，正在研究生物医用PU材料。此种生物医用PU材料将具有优异的血液、组织相容性和生物稳定性。
3 生物基PU降解材料
生物降解塑料是目前全球开发的热点。生物降解PU弹性体在包装材料、化肥缓/控施肥、医疗材料、信息技术等领域均有广阔的应用前景，是PU弹性体未来重要发展方向。德国拜耳材料科技公司近期发布信息，计划在近几年内开发由二氧化碳原料，制得用于聚氨酯泡沫的多元醇，并实现商业化销售。该含二氧化碳聚氨酯泡沫塑料可用于床垫和汽车。据相关资料预测，全球生物降解塑料（包括生物降解PU材料）在未来5年的年产量将达到几百万吨级规模，10年内将达到千万吨级规模。
新一代信息技术
1 PU涂料在3C产品中的应用
3C产品包括电脑、通讯和消费电子产品。中国已占有全球80%以上的份额。对于3C产品，外壳塑料件的设计和生产必须满足高生产效率、低次品率、环保工艺和华丽外观等。PU涂料在3C产品中已有着多年成熟的应用。PU涂层具有优异的外观、优良的机械性能、耐水性、耐化学品种、耐刮擦以及耐候性能，已得到消费者的青睐。
2 PU涂料在电脑和手机等电子产品中应用
随着电脑、手机等电子产品在全球迅速蔓延，其中按键产品已形成了一个规模很大的产业。目前硅橡胶按键占各种按键75%以上，按键长期接受手指敲打、摩擦，因此对其上面字符图案的耐磨损性和耐手汗性要求极高。一般的保护层耐磨性较差，字符容易磨损脱落，需要喷涂高耐磨性的字符保护涂料，以延长使用寿命。随着消费者对电脑和手机键盘的使用寿命要求越来越高，适于硅胶按键用的高耐磨性PU涂层在此领域得到了应用。
德国汉高公司已开发成透明的高耐磨PU涂层，应用于多家知名手机、笔记本电脑和硬盘组装。
结 论
（1）PU是实现国家建筑节能目标和低碳绿色建筑不可缺少的重要保温材料，是一种综合性能优异的节能环保材料。阻燃A级热固性PU/无机复合材料是一种保温和防火安全兼优的保温材料，是具有中国特色的理想外保温材料。
（2）PU枕木、PU电线杆、SPS/PU复合材料以及PU秸秆板材等新材料，将对我国高铁、地铁等交通运输、电力配电系统、船舶、桥梁以及建筑等领域将产生重大影响。
（3）TPU薄膜和PU光伏太阳能模块能有效提高太阳能电池发电功率和发电效率；PU太阳能光电板材是一种具有吸引力的太阳能新材料；PU玻纤和碳纤维复合材料、PU涂料和胶黏剂在风机叶片等部位具有广阔的应用前景； PU相变材料是一种值得开发的储能新能源材料。PU材料对我国未来新能源发展将发挥重大作用。
（4）PU材料是我国现代汽车实现轻量化、绿色环保和舒适安全的关键材料；输油输气PU管道材料、海底油管PU保温材料、深海输油管PU减震材料在海洋装备关键部位上已得到广泛应用；PU和聚脲弹性体在高铁、城市轨道交通上的应用；PU密封件在重大水利工程、高端机械装备制造业中的应用；PU灌浆料在矿山等高端装备制造业重大工程上的应用；PU阻尼材料在高端机械装备上的应用；以及PU复合材料在汽车和航空航天飞行器上应用等。无疑PU材料在我国高端装备制造业发展中，其广度和深度十分显著，是一种不可缺少的重要材料，将对我国未来高端装备制造业的快速提升发挥越来越重要作用。
（5）生物基植物油聚醚多元醇和植物纤维基聚醚多元醇为基的PU材料，符合再生资源和碳循环经济以及绿色环保的技术要求，为传统石油路线PU原料来源开阔了一条新的技术路线。生物基PU材料和生物降解PU材料具有巨大的发展空间，是PU产业的未来重要发展方向。生物医用PU功能材料比其它医用高分子材料具有更好的血液和组织相容性、生物稳定性。医疗级TPU及其医用材料在医疗器械、人体器官材料等领域已得到了广泛应用。生物医用PU功能材料对人类健康和国民经济发展具有重大价值，生物基PU材料具有巨大的发展空间。
（6） 高性能PU涂料在我国电脑、通讯、手机等电子消费产品中已得到了广泛应用，对我国新一代信息技术发展起到了很好的促进作用。
（7） PU结构材料、PU结构胶和PU密封胶是新能源汽车实现轻量化和塑料化的关键材料，对我国未来快速发展新能源汽车将发挥重要作用。
综上所述，PU在我国战略性新兴产业发展中具有极其重要战略地位和巨大推动作用。
致谢 本文中的部份数据和信息取自于中国聚氨酯工业协会“十二五”规划和聚氨酯信息，并得到了NSFC21106083和上海市联盟计划LM201258的经费支持，在此表示感谢！