聚氨酯弹性体的性能及应用

聚氨酯弹性体是由聚醚或聚酯多元醇低聚物和异氰酸酯、扩链剂、催化剂、硫化剂等助剂混合后发生交联固化反应生成的弹性体。可分为浇注型（液态）、混炼型（交联固化）和热塑型（全热塑型、半热塑型）等，其中混炼型和浇注型制品为交联结构稳定不可逆的结构；热塑型为交联结构较弱的热塑性PU弹性体结构。混炼型PU常用于橡胶成型工艺加工制品，浇注型PU可用于浇注、RIM、离心浇注和旋转成型等工艺加工制品，热塑型PU可用于注射、挤出、吹塑、压延成型加工制品。

无论哪一类PUR弹性体，其结构都为硬段和软段分子链构成的聚合物。热塑性PUR弹性体中存在两相结构，硬段为互相规整有秩紧密排列在一起的结晶区，软段为无规卷曲排列的无定形区。在结构中硬段提供弹性体刚性、强度、硬度、撕裂强度和耐热性等性能，软段提供柔性、弹性、吸湿性和耐低温性等性能。弹性体中交联度大，制品密度大，则强度及刚性大。因此，按弹性体中硬段和软段的比例、连接和排列方式不同可生成不同性能的弹性体。

1.PUR弹性体的基本性能

PUR弹性体可用聚酯或聚醚预聚物，分别配制成浇注型PUR弹性体（简称CPUR）、热塑型PUR弹性体（TPUR）及混炼型PUR弹性体（MPUR）三类品种。它们各有不同的特性，其中聚酯型弹性体强度高，耐候性、耐油性、耐热性好，但加工性、耐寒性和耐水解性比聚醚型差；聚醚型耐低温性、耐水解性优于聚酯型，而对油性及力学性能稍差。但以聚四氢呋喃聚二醇为原料配制的聚醚型PUR，其综合性能为聚氨酯中最好的。

三种弹性体相比，浇注型和热塑型具有很高的强度，但浇注型弹性体的耐低温性、耐臭氧性不及其他两种；热塑性的压缩永久变形和耐热老化性不及另外两种；混炼型的耐高温良好，耐低温、耐油、耐水解性优异，但力学性能、耐酸性不及其他两者，且成本高，所以产量小，约占PUR弹性体的10%左右。通常，浇注型宜作复杂结构大型制品；热塑型作大量生产、复杂结构小型制品；混炼型宜作橡胶类的一般性能制品。各类弹性体的基本特性归纳如下：

（1）力学性能 各类弹性体都是一种介于橡胶和塑料之间的材料，其力学性能与普通橡胶相比有如下特点：

1）硬度范围宽，硬度可达10H_A～80H_D，而普通橡胶一般在60H_A～100H_A。

2）在较宽硬度范围内可保持较高的拉伸强度和伸长率，PUR的伸长率为600%～800%，而天然橡胶的伸长率为550%；TPUR的拉伸强度为普通橡胶的2～3倍。聚酯型PUR的拉伸强度近60MPa，伸长率为410%；聚醚型PUR的拉伸强度为50MPa，伸长率>300%。

3）抗撕裂强度大于天然橡胶2～10倍，回弹性高。TPUR在85H_A硬度下仍有良好的回弹性，有高负载支撑力和良好吸振效果。

4）耐磨性优良。耐磨耗值为0.5～3.5mg，是塑料中最小的品种。其耐磨性为天然橡胶3～10倍，若加MoS₂、硅油和石墨等填料，则具有更低的摩擦因数和更高的耐磨性。

（2）热性能 PUR弹性体耐热性及阻燃性较差，一般使用温度在80℃左右，短期使用温度为120℃。另外，弹性体在变形时会产生变形热，所以也会影响其用于高速变形场合。但其耐低温性优良，其中聚醚型耐低温性最佳，一般可在-70～-62℃内使用。聚醚型混炼PUR弹性体耐低温性可达-77℃。

（3）化学药品性 PUR弹性体耐油、耐非极性或弱极性溶剂性能优良，优于丁腈橡胶，且聚醚型优于聚酯型。但对酸碱敏感，在氯代烃和芳香烃等极性溶剂中会溶胀。混炼型的耐酸碱性不及其他两者。

耐水解性一般，在水中浸泡或在湿气中长期工作会降低力学性能，尤其聚酯型PUR对热水很不稳定，不宜在沸水中使用。但聚醚型PUR耐水解性比聚酯型PUR好得多，混炼型PUR的耐水解性良好。

（4）电性能 PUR弹性体电绝缘性良好，硬度越大的电性能越好，但对湿度敏感，吸水后会降低绝缘性，不宜作高绝缘制品。

（5）耐候性 PUR弹性体具有良好的耐臭氧、耐辐射、耐紫外线和耐氧化性，可长期在户外使用。耐老化性优于天然橡胶和合成橡胶，但易受微生物侵蚀。

（6）生理相容性好 聚醚型PUR弹性体具有良好的抗血栓及生理相容性，可用于医用材料植入体内。卫生级TPUR弹性体也可作食品器具。

（7）特种性能 改性PUR弹性体可配制成各种功能性材料，如抗静电、生物降解、高阻尼、耐磨、液晶TPU、形状记忆TPUR、透明TPU等各种功能性塑料。

2.PUR弹性体的应用

PUR弹性体由制品生产厂加工成块料、型材、管材、棒料、片材、薄膜、合成革、带材或辊筒等制品供用户选用，也可以由产品生产厂配制成配方料采用浇注或其他成型工艺自行加工成各种制品作产品零件。可代替天然橡胶及丁腈或氯丁等合成橡胶，也可代替塑料及金属材料。

在汽车工业中常用热塑性聚酯型RTMTUR加入玻璃纤维或玻璃微珠增强料制作保险杠、仪表板、挡泥板、阻流板、车后窗（透明级）、车内蒙皮、行李箱盖、门把手、扶手和防滑链等。另外，利用其弹性大、承载力强、耐磨、耐切割等优点，广泛用作低速行驶的车轮胎、实心轮胎、马车胎、叉车胎和自行车胎等。

在机械产品中可作把手、手柄、齿轮、摩擦轮、轴封、密封环及电绝缘件等。

在医疗器材中可作绷带、心脏助动器、血泵、人造血管、人工肾、人造心室、导尿管及医用消毒器具等。

在建材中可作人造跑道、地下管密封件和防水材料等。

在日用品中利用其耐磨、高弹性、弯曲强度高、耐低温性好等特点可作运动鞋、滑雪靴、滑冰鞋、爬山鞋、鞋底、皮鞋。合成革具有手感好、透气和柔软舒适等特性，广泛用作服装、家具、箱包和车辆座椅等，其性能接近天然革。此外，卫生级PUR还可作食品器具。

其他方面还可用作扎辊、辊筒、辊轮；油田及矿业、冶金和化工工业中的高耐磨、高强度结构材料，如油田旋转除砂器、选煤筛网、输送管和传动带等。

3.各类PUR弹性体

（1）浇注型PUR弹性体（CPUR） 主要包括以下品种：

1）共聚醚CPUR由日本三井日曹公司和山西太原化工研究所等单位生产。它具有强度高，耐磨、耐低温和耐水解性好，储存稳定性好，粘度低，涂注工艺性好等特点，可用作钢铁及造纸工业用胶辊、油封、密封圈、减振器、实心轮胎、摩擦轮、滑轮、滚轮、带轮、传动轮、运输带和齿形带等。其性能指标见表11-98。

表11-98 共聚醚型CPUR的性能

2）聚醚多元醇CPUR由美国杜邦公司、德国巴斯夫、德国拜耳公司、日本旭硝子公司及上海高桥石化三厂、天津石化三厂、金陵石化公司、中科院山西煤化工研究所、黎明化工研究院等单位生产，具有粘度低、流动性好、适用期长、硫化时间及脱模时间短等特性。配料注入模具（预热至100～120℃）后，在100～120℃烘箱中硫化2h左右即可脱模，再经60～80℃×5h硫化后，室温放置5d即可使用。与普通聚醚CPUR相比，在相同硬度下其拉伸强度、断裂伸长率和撕裂强度可提高20%～50%。GSE-2028/GE2型弹性体的硬度可达87～95H_A，300%时的弹性模量为7～12MPa，拉伸强度为19～29MPa，断裂伸长率为712%～541%，撕裂强度为48～63kN/m。

3）高性能CHDI型聚醚CPUR由美国AKzoChe-mie公司生产，具有脂肪族PUR的一般性能，且加工性好，耐水解性优异，软化点高（270℃），耐低温性好，玻璃化温度为-80℃，力学性优异，耐紫外线辐射，且应变热小。各种配方试样，硬段占16%～32%的品种，硬度为86～97H_A，撕裂强度为4～33kN/m，100%时的弹性模量为5～13MPa，300%时的弹性模量达9～15MPa，拉伸强度为5～34MPa，断裂伸长率为200%～734%。

4）聚酯型CPUR，其硬度范围宽，强度高，耐磨耗，耐油性好，但耐低温及耐水性差，可作耐油及耐磨高压密封圈、液压缸的Y形或V形密封圈、防尘圈、实心轮胎、轴套、齿轮、传动带、摩擦轮、变速带、衬里等。国产A系列聚酯型CPUR制品的性能指标见表11-99。

5）聚己内酯CPUR由山西省化工研究所等单位生产，具有优异的热稳定性、耐低温性及耐水性，其-70℃不脆化，在100℃水中煮沸力学性能不变，抗冲击性良好，耐磨和耐油性优异，可用作实心轮胎、金属加工工具、机械零件、印刷胶辊、密封件、联轴器、齿轮、鞋底、传动带、衬里和叶轮等。其性能见表11-100。

表11-99 聚酯型CPUR的性能

表11-100 Pandex-CPUR的性能

6）聚四氢呋喃醚二醇CPUR由美国杜邦公司生产，具有硬度范围宽，耐低温、耐潮湿和耐霉菌性好，弹性大，拉伸强度高，耐磨性好等特性，且耐辐射、耐油等综合性能优良，可用于实心轮胎、运输带、电线电缆外皮、鞋底、电子元件塑封材料、火箭固体推进剂的粘结剂、旋风分离器内衬、弹性体筛网等。其性能指标见表11-101所示。

7）聚丙烯醇醚CPUR由山西省化工研究所、大连市化工研究所、兵器集团五三研究所等单位研发和生产，具有良好的耐水性及介电性，但力学性能、耐热性、耐寒性和耐油性稍差。适用于作灌装材料、耐湿电器件、印制电路板涂料等。其性能指标见表11-102。

表11-101 AcfipreneL系列CPUR的性能

表11-102 聚丙烯醇醚CPUR的性能

（续）

（2）热塑性PUR弹性体（TPUR） TPUR是由长链二元醇和异氰酸酯组成的软段及短链二元醇和异氰酸酯组成的硬段组合而成的，具有不同于其他热塑性塑料弹性体的优点。其硬段用于调节硬度等力学性能，软段可决定TPUR的许多特性。同时，TPUR的性能还决定于异氰酸酯的品种（如芳香族或脂肪族等）。TPUR可用各种热塑性塑料成型工艺加工制品，且无需进行热固化处理，废旧料及边角料也可重复使用。TPUR的品种很多，现举例介绍如下：

1）聚酯型TPUR由天津聚氨酯塑料制品厂、沈阳皮革装具厂、上海伟星机用皮件厂、美国BF Goodrich公司和德国拜耳公司等单位生产。它具有较高的力学性能和良好的耐磨性，硬度范围宽，耐臭氧和耐油性优良，可用作各种密封件、齿轮、电缆包覆、传送带、鞋底和人造革等。其性能见表11-103～表11-107。

表11-103 国产热塑型聚氨酯的性能

表11-104 ElastollanE100FNAT系列热塑型聚氨酯的性能

（续）

表11-105 Cyanaprene聚酯热塑型聚氨酯的性能

表11-106 ParapreneP系列热塑型聚氨酯的性能

表11-107 其他系列聚酯TPUC的性能

（续）

2）聚醚型TPUR具有优异的耐磨性、低温柔软性、耐热性（100℃）、耐寒性（-70℃）、耐水解性、耐油性、耐臭氧性和透明性，可与其他高分子材料组成共混物，可用作电线电缆护套、汽车外装件、薄膜、耐磨耐寒密封件、运输带、无声齿轮、合成革面层及承受动负载的零件等。其性能见表11-108。

表11-108 聚醚型TPUR的性能

3）聚四氢呋喃TPUR由沈阳化工学院、美国BF Goodrich公司、日本聚氨酯工业公司等单位生产，采用双螺杆反应式挤出机造粒，具有较高的拉伸回复率可作汽车保险杠、铁道轨枕垫片、飞机阻拦网和传送带等制品，其性能见表11-109。

4）聚己内酯TPUR具有优良的耐水性和耐热性，强度高，回弹性及耐低温性能好，用途比聚酯型TPUR广，可作注射及挤出制品。其性能见表11-110。(www.xing528.com)

5）聚碳酸酯TPUR除具有聚酯型TPUR基本性能外，还具有优异的耐水解性，可用于作人造器官、介入导管、创伤敷料、医用粘结剂及耐温、耐水的各类注射和挤出制品。其性能见表11-111。

6）聚烯烃TPUR综合性能良好，强度较高，在较宽温度范围内可保持高弹性，耐低温性好，介电性及耐水性良好，且有良好的相容性，可作鞋料、人造革及改性添加剂。其性能见表11-111。

表11-109 聚四氢呋喃TPUR的性能

表11-110 聚己内酯TPUR的性能

表11-111 聚碳酸酯TPUR和聚烯烃TPUR的性能

7）EstaneTPUR由美国BF Goodrich公司生产的聚酯和聚醚TPUR，商品名称为Estane。它具有强度高，耐磨性好，低温性良好，且对各种浓度的盐、稀酸、稀碱等溶液和烃类、油类等介质都有良好耐蚀能力，其抗氧和臭氧性优异，弹性良好，但耐热性较差，压缩永久变形较大，可用一般热塑性塑料成型方法加工制品，可作层压件、衬里、合成革、电线外皮、层压板、传送带、薄膜、鞋底、轴承、带轮、汽车零件、制鞋粘结剂等。Estane TPUR品种很多，5740系列的性能见表11-112；新系列品种的性能见表11-113；特殊品种见表11-114。

表11-112 Estane5740系列的性能

表11-113 Estane新系列的性能

表11-114 EstaneTPUR品级

8）Texin TPUR是由美国Mobay化学公司生产的聚酯型TPUR系列产品，商品名称为Texin。它具有较宽的硬度范围和使用温度范围，在空气中为82℃，在油中为110℃，耐低温性好，可达-70～-42℃，耐磨和耐臭氧及耐热性好，压缩永久变形小，可用一般热塑性塑料成型方法加工制品，可用作汽车联轴器、接头、密封件、扫雪车链轮、齿轮、异型沟槽板材、螺杆和冷冲压成型模。其性能见表11-115。

表11-115 Texin系列TPUR的性能

9）Miractran TPUR是日本mirakutoran公司生产的TPUR产品，具有优异的强度、压缩永久变形、伸长率及加工性，此外还有抗静电、透湿性、抗菌性、抗血栓、耐磨、消光及医疗食品用等各种特殊品种，品种及性能简介见表11-116和表11-117。

表11-116 MiractranTPUR品级

（续）

①UL94V-2；

②相当UL94V-0；

③体积电阻在10⁴Ω·cm以下；

④鞋底料；

⑤开始流动温度为105℃；

⑥开始流动温度为125℃；

⑦高流动高成型周期。

表11-117 Miractran新功能TPUR品级特性

①采用鞋底的耐久性试验法，原理是以DIN磨耗试验为标准。Taber法的试验条件：H-22的1000转的磨耗量。

10）Desmopan TPUR是由德国Bayer公司生产的TPUR品种，产品简介见表11-118。

表11-118 DesmopanTPUR品级

（3）混炼型PUR（MPUR） MPUR是采用通用橡胶的加工方法将原料混炼后用模压、挤出、压延成型等方法加工成制品，再经硫化固化即可获得最终制品。按原料MPUR可分为聚醚型和聚酯型两种。聚醚型MPUR的高温性能、耐低温性、耐油及耐水解性良好；而聚酯型MPUR的力学性能、耐低温及耐水性良好，但综合性能不及CPUR及TPUR。聚醚型MPUR常作实心轮胎、液压密封件和超低温密封件，聚酯型MPUR常作密封件、缓冲衬里、联轴器、传送带、V带、皮碗、耐磨衬里、胶辊、门窗密封件、实心轮胎和电缆护套等。混炼型PUR的性能见表11-119。

4.PUR弹性体成型工艺

（1）CPUR成型工艺 CPUR成型加工过程包括配料、注模成型和加热固化三个工序。

1）配料是指将聚酯或聚醚等聚合物、异氰酸酯（如TDI、MDI、PAPI等）、扩链剂（如MOCA等）及其他助剂配制成液体反应物的过程，可分为预聚法和一步法两种形式。预聚法是先将聚酯或聚醚与异氰酸酯反应制得预聚物，然后加入护链剂（交联剂）充分混合后再注入模具成型，固化制成弹性体制品。一步法是指将所有反应物一次混合后注入模具中成型，固化后制成弹性体制品，这种方法只适用于原料中多异氰酸酯中含的不饱和基团数（NCD）与多元醇中含的羟基数（OH）之比>2时的情况，但制品性能不及预聚法制品。

表11-119 混炼型PUR的性能

无论用哪一种方法配料，都必须准确计量，按顺序加料，充分搅拌混合，并严格遵守温度和时间等配料工艺参数。配料都有规定的适用期，必须在限期内用于加工制品。

2）浇注成型加工方法有常压法、真空浇注法、离心浇注法、旋转浇注法、模压成型和反应注射法等。

①常压浇注法。将预聚物和扩链剂混合后直接注入敞开式的模具中，模具预热至80～120℃，物料固化后即可制成CPUR制品。

②真空浇注法是在常压浇注时引入真空抽气系统，可用于制作形状复杂和少气泡制品。

③离心浇注是将液体混合料注入离心机中，借旋转离心力把物料挤入模具中，旋转速度一般为500～2000r/min，可制作薄片状、复杂形状和增强材料制品。

④旋转浇注成型是将液体混合料注入模具中，模具以2～15r/min的速度沿两轴旋转，用作加工中空制品。

⑤反应注射成型采用反应注射机，将聚醚或聚酯与异氰酸酯分别组成A、B两组原料装入两个储料缸内，按计量输入混合头中，在14～20MPa压力下撞击混合，液体物料在0.3～3.4MPa压力下高速注入模具，快速固化成型即可制得CPUR制品。反应注射成型常用于加工泡沫聚氨酯制品及聚氨酯制品。

各种成型方法工艺条件按不同品种成型特性择取。

（2）TPUR成型工艺TPUR一般用一步法配料，先合成线型或部分交联颗粒状聚合物，具有热塑性，物料在成型加工过程中就发生混和及扩链反应生成弹性体，故无需专设加热固化工序。与其他热塑性塑料一样，只要成型冷却后即可获得TPUR制品，其下脚料还可重复使用。TPUR成型加工方法有注射、挤出、模压、压延、吹塑、吸塑和传递成型等，也可用溶剂配制成涂层及粘结剂。

TPUR成型可采用加工热塑性塑料的成型设备，但功率比加工通用树脂的大1.5～2倍。模具结构也大致相同，但材料成型特性有些差异，所以成型加工中应注意下列事项：

1）TPUR吸湿性大，加工前必须充分干燥。干燥条件为93～110℃×1～2h，控制含水量<0.1%（质量分数）。

2）TPUR为牛顿流体，但温度对粘度不很敏感，在较低温度下能保持良好的流动性。

3）易产生热老化，所以螺杆转速及成型温度不宜太高，要精确控制温度。

4）在注射和挤出成型时，物料进入料筒内就开始发生反应，在料筒内必须控制反应程度，不能有剧烈的剪切作用，宜采用大直径、渐变型、长压缩比结构的螺杆，一般压缩比为3～3.5，长径比为18～24，螺槽深度（加料段）>5mm。

5）流动性好，应防止溢料；收缩率大，且脱模后会发生回弹，易粘模，有弹性不易顶出脱模。

6）熔料在模型内边填充边固化，熔接处强度低，必须合理布置浇口位置。

几种TPUR品种成型工艺条件见表11-120～表11-122。

表11-120 聚酯型TPUR的成型工艺条件

表11-121 TexinTPUR的成型工艺条件

表11-122 EstaneTPUR的成型工艺条件

（3）MPUR成型工艺 MPUR一般用NCO与OH之比=1～1.02配比的原料，用一步法工艺先加入交联剂配制成粘流状胶料，经加热固化后生成生胶料，然后加入填料和辅料在混炼机中混炼，将混炼料送入模具或挤出机或压延机中进行成型、硫化后即可制成MPUR制品。生胶塑炼条件为20～30℃×5～10min，混炼条件为40～60℃×15～25min。