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聚氨酯
性能
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聚氨酯的性能研究,聚氨酯,性能,机能,研究,钻研
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毕业设计(论文)选题报告设计(论文)题目 聚氨酯的性能研究 学生姓名： 夏玉龙 学 号：201101031122 系 别： 化学工程系 班 级： 高聚1111 指导教师： 陈岳副教授 2013 年9 月 2 日选题报告填写要求1选题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见审查后生效。 2选题报告内容可以用手写也可以打印。手写时必须用黑墨水笔或蓝黑墨水笔工整书写；打印时按教务处统一设计的电子文档标准格式打印，正文内容一律用宋体、小四号，行距为20磅。禁止打印在其它纸上后剪贴。完成后应及时交给指导教师签署意见方可进入毕业设计阶段。3学生查阅资料的参考文献应在5篇及以上（其中辞典、手册不超过2本），选题报告的字数要在1000字以上。4有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2005年9月26日”或“2005-09-26”。毕业设计(论文)选题报告1、课题的研究意义聚氨酯泡沫塑料是一种新型的高分子合成材料,具有优良的物理力学性能、声学性能、电学性能和耐化学性能,尤其是硬质聚氨酯泡沫塑料的热导率特别低,是一种优质的绝热保温保冷材料。聚氨酯泡沫塑料的密度大小及软硬程度均可以随着原料及配方的不同而改变,而且成型施工方便,因此应用范围十分广泛,几乎渗透到国民经济各部门,特别在家具、床具、运输、冷藏、建筑、绝热等部门使用得十分普遍,已经成为不可缺少的材料之一。但是近几十年来,聚氨酯材料的火灾事故频繁发生,材料的安全性问题变得越来越重要。聚氨酯的阻燃性研究提高阻燃性的途径主要有两条3。一是添加含氯、溴、磷等元素的化合物,另一条就是在聚醚或异氰酸酯键上引入氯、溴、磷、锑等原子,得到结构型阻燃材料。1添加型阻燃剂在合成聚氨酯泡沫塑料时,添加一些与反应物不起反应的阻燃剂是提高材料阻燃性的有效方法。添加性型阻燃剂,可分为无机阻燃剂和有机阻燃剂,无机阻燃剂主要是锑、铝、硼、磷等化合物,有机阻燃剂主要是磷卤有机酯,卤化脂肪烃,有机磷化合物等。1.1无机阻燃剂阻燃机理:无机阻燃剂的阻燃机理主要以降低燃烧所产生的热量来达到阻燃的目的。氧化锌,氧化锑,氢氧化铝,硼酸盐是常用的阻燃剂。这些无机化合物可以磨成很细的粉末与组分混合,它们有很高的沸点,不易着火,在材料燃烧时发生复杂的变化。氧化锑阻燃机理是当材料燃烧时,在材料的热分解层上,氧化锑发生熔融(其熔点为650)生成一层气体透不过的薄膜,而达到阻燃效果。氢氧化铝分子中含有大量的化学结合的结晶水,当材料燃烧时,结晶水分解放出,同时吸收热量,反应生成的氧化铝和材料燃烧所生成的炭化物结合,形成保护膜,断绝了材料继续燃烧所需的氧气。同时,放出的水蒸汽又稀释了可燃气体,从而达到较好的阻燃效果。2、课题的基本内容课题：聚氨酯的性能研究具体工作如下：9月初完成选题报告和开题：项目背景和发展概况；市场分析与建设规模；问题提出；新生产工艺方法；新工艺财务效益、经济与社会效益预评。说明毕业设计目的、意义。9.2510.23日完成文献综述：老生产工艺查阅（使用百度、超星、期刊网）；收集数据；整理文件。原材料成本；设备参数；工艺方法；用途、性能；进行实验设计与工业设计经济分析。10.2311.20完成设计及有关计算；聚合过程及过程参数；工艺流程设计；基础数据；物料衡算；典型设备的自控流程；能量衡算。11.2012.05设计完成电子稿后给老师检查；修改存电子稿；上交文件规定资料。参考高聚物生产技术高分子化学化工设计概论等具体见文稿。答辩：时间待定。指导教师意见： 指导教师：年 月 日专业负责人意见：专业负责人： 年 月 日系部审查意见： 系部负责人：年 月 日 学生毕业论文（设计） 题 目： 聚氨酯的性能研究 姓 名： 周 帅 学 号： 201101031127 系 别： 化学工程系 班 级： 高聚物生产技术 指导教师： 陈岳副教授 2013年 12 月 6日摘要聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯（英文名：polyurethane） ,是主链上含有重复氨基甲酸酯基团 ( )的大分子化合物的统称。它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯外 ,还可含有醚、酯、脲、缩二脲 ,脲基甲酸酯等基团。聚氨酯(简称TPU)是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或聚酯多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。聚氨酯制品形态有软质、半硬质及硬质泡沫塑料、弹性体、油漆涂料、胶粘剂、密封胶、合成革涂层树脂、弹性纤维等，广泛应用于汽车制造、冰箱制造、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域。聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。目前我国聚氨酯制品品种牌号约80种，其中弹性体60余种，泡沫塑料10余种，聚氨酯制品具有强度好、抗压大、抗撕裂性能好、耐磨等性能，产品应用领域涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空.关键词：聚氨酯 塑料 Abstract Polyurethane called the polyurethane ( English name : polyurethane), are collectively referred to repeat carbamate groups (NHCOO) macromolecular compounds containing main chain . It is made from an organic diisocyanate or polyisocyanate with a dihydroxy or polyhydroxy compound polyaddition . In addition to the polyurethane macromolecule carbamate , can also contain ether , ester , urea , biuret, allophanate and the like groups . Polyurethane ( abbreviated TPU) is a polyisocyanate and a polyether polyol or a polyester polyol and / or a small molecule polyol , polyamine or a polymer chain extending agent such as water or other raw materials of a crosslinking agent . By changing the material type and composition , can greatly alter the morphology and properties of products , from soft to hard to get the final product . Morphology of soft polyurethane products , semi-rigid and rigid foams , elastomers, paints , adhesives , sealants , synthetic leather coating resins, elastic fibers , which are widely used in automobile manufacturing, refrigerator manufacturing , transportation , civil engineering construction , footwear , synthetic leather , textile , electronics, petrochemical, mining machinery , aerospace, medical , agriculture and many other fields . Polyurethane is a new organic polymer material , known as the fifth largest plastic , because of its superior performance and is widely used in many fields of the national economy . Variety of grades of polyurethane products currently about 80 species, of which more than 60 kinds of elastomers , foams , more than 10 kinds of polyurethane products with good strength , compressive strength , good tear resistance , abrasion resistance and other properties, product applications involving light , chemicals, electronics, textiles, medical, construction , building materials, automotive, defense, aerospace, aviation .Keywords: Polyurethane Plastic目 录摘要1Abstract2第一章 聚氨酯的合成和产品的性能及应用分析51.0 聚氨酯的合成之水性聚氨酯51.1主要原材料准备和精制61.2光引发剂61.3水性聚氨酯树脂的合成过程71.3.1预聚71.3.2乳化71.3.3自由基乳液聚合71.3.4配漆71.3.5 PUA固化81.4.乳液及水性木器漆性能测试方法8第二章 聚氨酯的基本性能9(一) 聚氨酯硬泡性能分析聚氨酯硬泡超低的导热系数91聚氨酯硬泡良好的防火耐温性能92聚氨酯硬泡与墙体基材优良的自黏接性能93聚氨酯硬泡优良的机械性能和加工性能10(二) 冷库聚氨酯喷涂保温的性能10(三) 耐低温性能111聚氨酯胶粘剂的耐低温性能11第三章 聚氨酯的应用13一、具有不同形态聚氨酯有不同的用途：131、聚氨酯泡沫塑料132、聚氨酯弹性体143、含其它基团的聚氨酯14二、生活中随处可见含聚氨酯的产品：151、服饰152、生活用品153、电子用品154、医疗器械155、汽车运输工具166、建筑土木167、工业用材料16结论：16第四章 深入研究正交实验设计17一 、正交实验设计概述17二、正交实验设计基本程序17三、正交实验方案设计191 明确实验目的，确定实验指标192 选择实验因素，确定实验水平，列出因素水平表193 选择合适的正交表,进行表头设计194 编制实验方案，按方案进行实验，记录实验结果205 正交实验总结21第五章 毕业设计感想与体会22第一章 聚氨酯的合成和产品的性能及应用分析1.0 聚氨酯的合成之水性聚氨酯水性聚氨酯是以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，也称水分散聚氨酯、水系聚氨酯或水基聚氨酯。水性聚氨酯以水为溶剂，无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点。根据聚氨酯的水性化方法划分 根据制备方法有多种分类。举例如下。 (1)自乳化法和外乳化法 自乳化法又称内乳化法，是指聚氨酯链段中含有亲水性成分，因而无需乳化剂即可形成稳定乳液的方法。 外乳化法又称为强制乳化法，若分子链中仅含少量不足以自乳化的亲水性链段或基团，或完全不含亲水性成分，此时必须添加乳化剂，才能得到乳液。 比较而言，外乳化法制备的乳液中，由于亲水性小分子乳化剂的残留，影响固化后聚氨酯胶膜的性能，而自乳化法消除了此弊病。水性聚氨酯的制备目前以离子型自乳化法为主。 (2)预聚体法、丙酮法、熔融分散法 自乳化法制水性聚氨酯最常用的方法有预聚体分散法和丙酮法。预聚体法即在预聚体中导人亲水成分，得到一定粘度范围的预聚体，在水中乳化同时进行链增长，制备稳定的水性聚氨酯(水性聚氨酯-脲)。 丙酮法属于溶液法，是以有机溶剂稀释或溶解聚氨酯(或预聚体)，再进行乳化的方法。在溶剂存在下，预聚体与亲水性扩链剂进行扩链反应，生成较高分子量的聚氨酯，反应过程可根据需要加人溶剂以降低聚氨酯溶液粘度，使之易于搅拌，然后加水进行分散，形成乳液，最后蒸去溶剂。溶剂以丙酮、甲乙酮居多，故称为丙酮法。此法的优点是丙酮、甲乙酮的沸点低、与水互容、易于回收处理，整个体系均匀，操作方便，由于降低粘度同时也降低了浓度，有利于在乳化之前制得高分子量的预聚体或聚氨酯树脂，所得乳液的膜性能比单纯预聚体法的好。而预聚体法由于粘度的限制，为了便于剪切分散，预聚体的分子量不能太高，可能会影响水性聚氨酯性能，例如粘度高则乳化困难，粒径大，乳液稳定性差；预聚体分子量小则NCO基团含量高，乳化后形成的脲键多，胶膜硬，缺乏柔软性。丙酮法和预聚体法的主要区别是，在丙酮法中，聚氨酯先预聚成分子量较大的预聚体，由于分子量大的预聚体粘度大，必须稀释降低粘度；而预聚体法中根据需要可加或不加少量丙酮等溶剂。这两者的概念有所交*，有的乳化方法既属丙酮法又属预聚体法。熔融分散法又称熔体分散法、预聚体分散甲醛扩链法。预先合成含叔胺基团(或离子基团)的端NCO基团预聚体，再与尿素(或氨水)在本体体系反应，形成聚氨酯双缩二脲(或含离子基团的端脲基)低聚物，并加入氯代酰胺在高温熔融状态继续反应，继续季胺化。 聚氨酯双缩二脲离聚物具有足够的亲水性，加酸的稀水溶液形成均相溶液，再与甲醛水溶液反应进行羟甲基化，含羟甲基的聚氨酯严缩二脲能在50130用无限水稀释，形成稳定乳液。当降低体系的pu值时，能在分散相中进行缩聚反应，形成高分子量聚氨酯。含离子基团的端NCO预聚体形成端脲基或缩二脲基聚氨酯低聚物后，则直接在熔融状态乳化于水，再加甲醛水溶液进行羟甲基化及扩链反应。 (3)二元胺直接扩链与酮亚胺酮连氮法 在预聚体分散法中，若采用溶于水的二元伯胺扩链剂扩链，由于一NCO与一NH2的反应速度快，不易得到微细而均匀的乳液，可采用酮亚胺或酮连氮法解决此问题。酮亚胺-酮连氮法是指预聚体与被酮保护了的二元胺(酮亚胺体系)或肼(酮连氮体系)混合后，再用水分散，分散过程中，酮亚胺、酮连氮以一定的速率水解，释放出游离的二元胺或肼与分散的聚合物微粒反应，得到的水性聚氨酯脲具有良好的性能。以下是改性水性聚氨酯具体的合成方法：1.1主要原材料准备和精制异佛尔酮二异氰酸酯类（IPDI），工业品；聚醚多元醇（N220,相对分子质量为2000），工业品；蓖麻油（C.O），分析纯；1，4-丁二醇（BDO），工业品；三羟甲基丙烷（TMP），试剂级，环氧树脂E-20，工业品；二羟甲基丙酸（DMPA）,工业品；甲基丙烯酸甲酯（MMA），工业品；N-甲基吡咯烷酮（NMP），工业品；三乙胺（TEA），化学纯（EDA），丙酮，分析纯，实用前用4A分子筛干燥处理；偶氮二异丁氰（AIBN），化学纯；二月桂酸二丁基锡（DBTDL），分析纯；成膜助剂.流平剂.增稠剂.均为工业品。1.2光引发剂作为光固化材料的仲要组成部分，光引发剂的作用是吸引一定波长的光能后产生泼自由基或阳离子，引发或催化相应的单体或预聚物的聚合。在紫外光固化体系中，光引发剂在吸收适当光能后，发生光物理过程至某一激发态，若此时的能量大于键断裂所需的能量，就能产生初级活性种，如自由基或离子，从而引发聚合反应。自由基引发剂有安息香类.苯偶姻类.苯乙酮类.硫杂蒽酮类等，在空气中受O2的阻聚作用而影相固化速度。另一种夺氢型引发剂利用叔胺类光敏剂构成引发剂/光敏剂复合引发体系，可抑制O2的阻聚作用，提高固化速度。另外，大分子光引发剂分为侧链夺氢型和主链裂解型。二苯甲酮.硫杂蒽酮等光活性芳酮作为侧基接到大分子链上可值得侧链夺氢型大分子光引发剂；主链裂解型不多见，以苯偶姻醚聚碳酸酯为代表，利用这类光引发剂可以合成嵌段共聚物，以获得性能更加平衡或优异的聚合物材料。在常规小分子光引发剂上引入可聚合基团，即得可聚合光引发剂，使其在光固化中大分子化，此类引发剂只用在一些特殊场合。钛茂光引发剂是少数几个能满足各方面要求的金属有机光引发剂之一，他们具有良好的光活性.热稳定性和毒理性能。不仅在可见光区吸收良好，在UV光区也有较强的吸收，但是消光系数太大.只适合薄涂层。阳离子光引发剂主要是碘鎓盐与硫鎓盐.芳茂铁盐。阳离子光引发剂引发效率高，氧气不能阻聚固化反应不能终止，适于色漆和厚膜的固化。其他助剂UV固化材料的助剂主要有稳定剂.流平剂.消泡剂.润湿剂.增稠剂.分散剂.填料和颜料等。其主要作用为：改善涂料的生产工艺，提高涂料的储存稳定性，改善涂料的施工能，改善涂膜性能等1.3水性聚氨酯树脂的合成过程1.3.1预聚在干燥氨气保护下，将脱水过的聚醚二醇、蓖麻油、IPDI和DBDL加入到装有温度计搅拌装置和冷凝回流器的1000mL四口烧瓶中，有二正丁胺滴定法测定NCO值，反应至NCO接近理论值，然后滴定加BDO，保温1h。NCO达到理论值后加入二羟甲基丙酸(DMPA)、环氧树脂和三羟甲基丙烷，反应至NCO达到规定值，然后降温加入MMA得PU/MMA预聚物。1.3.2乳化 （1）常温乳化预聚物用三乙胺中和后在常温水中乳化，乙二胺扩链得到PU/MMA乳液A。 （2）45C水乳化预聚物用三乙胺中和在45度水中乳化，乙二胺扩链得到PU/MMA乳液B。1.3.3自由基乳液聚合将上述乳液A或乳液B加热升温至7075C，在3h内均匀滴加引发剂溶液，保温12h测试MMA的转化率，直至转化率保持不变，降温出料，用200目筛网过滤，滤液即为改性水性聚氨酯（PUA）乳液。1.3.4配漆将定量自制的改性PUA乳液在一定的转速下搅拌，然后依次加入成膜助剂、流平剂等，加增稠剂调黏度到适合值，搅拌均匀，得到清漆。水性木器漆的配比见表。组分改姓PUA乳液成膜助剂流平剂增稠剂规格自制工业品工业品工业品质量分数942-30.2-0.4适量1.3.5 PUA固化光固化采用电子束辐射和紫外光辐射一发活性低聚物体系产生交联固化。光固化技术具有固化速度快、节省能源、无溶剂污染等优点，所以光固化聚氨酯已获得了广泛应用，并显示出很好的发展前景。考虑到设备投资等因素，目前以紫外光（UA）固化形式为主。1.4.乳液及水性木器漆性能测试方法（1）NOC基含量：GB6743-1986，采用滴定分析法进行测定。（2）固体含量：按GB1725-1989进行测试。（3）涂膜硬度：按HG/T3828-2006进行测试。（4）乳液粘度：采用涂4杯在298.15K下进行测试。（5）涂膜附着力：GB9286-1998进行测试。（6）最低成膜温度：按GB9267-1998进行测试。（7）涂膜吸水率：按文献5进行测试。（8）最低柔韧性：室温下在聚丙烯膜上涂刷制备一层漆膜，干燥7后，撕下聚丙烯膜，将漆膜放入248.15K下的低温环境中24h，在248.15K的环境中折叠漆膜，观察有无断裂，变形，变色，起皱等异常现象，漆膜没有断裂表明其低温柔韧性好。（9）耐水性：常温耐水性按GB/T4893.1-2005进行测试。试液为蒸馏水，用滤纸润湿待测试板得中间部位，72h取掉滤纸，放置两小时后在日光下目视观测，入3块板中有2块出现气泡，断裂，剥落等病态现象，但允许除现轻微变色，轻微失光，则评为无异常。（10）耐碱性：测定方法同常温耐水性，试液为50g/L的NaHCO3，试验时间为1个钟头，试验后放置一小时观察。（11）测定方法：与常温耐水性测定的方法一样，测试的试液为体积分数为50%的乙醇水溶液，试验时间为8h，试验后放置1h观察，（12）耐污染性：测定方法同常温耐水性，采用纯黑墨水为试液，试验时间为5h，试验后放置1h进行观察。第二章 聚氨酯的基本性能聚氨酯橡胶具有很髙的拉伸强度（一般为2842MPa，最高可达70MPa)和撕裂强度；弹性极好，即使是硬度高时，也同样具有较高的弹性；扯断伸长率很大，一般可达400%600%,最大的可达1000%;具有很宽的硬度范围，最低为邵尔（A)10，大多为邵尔（A)4595。当硬度高于邵尔（A)70时，其拉伸强度和定伸应力都高于天然橡胶，当硬度达到邵尔（A)8090时，其拉伸强度、撕裂强度和定伸应力也是非常高的。聚氨酯橡胶具有良好的耐油性，在常温下，对于多数油和溶剂的抗耐性都优于丁腈橡胶；具有极好的耐磨性，其耐磨性比天然橡胶髙9倍，比丁苯橡胶高3倍；具有良好的气密性，当硬度较高时，其气密性接近于丁基橡胶；具有良好的耐氧、耐臭氧及抗紫外线辐射作用的能力；还具有较好的耐寒性能。但是，由于聚氨酯橡胶的二次交联作用在高温下被破坏，所以其拉伸强度、撕裂强度、耐油性能都随温度的升高而明显地下降。该橡胶长时间连续工作的温度范围一般为80-90,而短时间使用的温度可达120。(一) 聚氨酯硬泡性能分析聚氨酯硬泡超低的导热系数 聚氨酯硬泡具有优异的热学性能，它的导热系数比空气的导热系数还低（聚氨酯导热系数0.023W/m.K/25；空气导热系数0.025W/m.K/25），是目前工程上常用的保温隔热材料无法与之比拟的。50毫米厚的PU硬质泡沫塑料的保温效果相当于80毫米厚的EPS、90毫米厚的矿棉、100毫米厚的软木、280毫米厚的木板或760毫米厚的混凝土。因此，若用聚氨酯硬泡做保温材料，墙体的保温层将变薄，建筑物的自重将减轻，房屋的居住面积也将增大。 1聚氨酯硬泡良好的防火耐温性能 虽然聚氨酯硬泡是聚合物，但它是热固性材料，在燃烧中呈现惰性，不会产生熔融的燃烧性火焰滴落物，而是将形成一个焦化的保护层，这一特性有效抑制了熔融导致火势蔓延的危险。同时，聚氨酯硬泡能够抵抗飞溅的火星和辐射热，它还可以阻止氧气进入板材、或墙体保温层内部与泡沫塑料芯材接触，因而不会引起芯材的直接燃烧，能够保证建筑的完整性。同时通过调整配方，聚氨酯硬泡材料完全可以满足建筑保温材料较高的防火性能要求。 聚苯乙烯泡沫（EPS或XPS）是热塑性材料，在火灾发生时，会首先软化变形，然后伴随着燃烧熔化收缩，并会有灼热的液体滴落或流淌。燃烧到一定程度后，整个保温结构系统将会倒塌。 2聚氨酯硬泡与墙体基材优良的自黏接性能 聚氨酯硬泡材料与砌块、砖石等各种材料均能牢固黏结，其黏结强度大于其自身的抗拉强度，能够很好地抗风压。作为外墙保温系统材料，它适用于多种施工工法，施工时，可以充分利用其优良的自黏接性能，使得“聚氨酯硬泡外保温饰面系统”与外墙面更好地结合，省略了EPS、XPS材料的保温体系需要通过界面剂（非水泥沙浆）来解决保温材料和建筑物保温墙体之间的过渡性粘贴工序，并由此节省了材料及人工损耗。 3聚氨酯硬泡优良的机械性能和加工性能 聚氨酯硬泡具有优良的物理机械性能，它重量轻，具有较高的压缩强度、剪切强度，它是闭孔率达90以上的憎水材料，具有卓越的防潮防水、隔音抗震功能；聚氨酯硬泡具有加工多样性，可以根据不同的使用方式来选择现场喷涂、现场浇注、预制板材等不同形式来进行设计、加工；此外，聚氨酯硬泡还具有良好的声学性能、电学性能和耐弱酸、弱碱等化学物质侵蚀、无毒性、无刺激性以及无生物寄生性。(二) 冷库聚氨酯喷涂保温的性能聚氨酯（即聚氨基甲酸酯，英文缩写PU）是在高分子主键上含有许多重复的NHCOO基团的高分子化合物。聚氨酯系列产品一般是由二元或多元有机异氰酸酯和多元醇在多种助剂的作用下，经过聚合反应得到的高分子化合物，两种主材中若都只含两个或以下羟基官能团时，聚合反应得到的是线型结构的化合物，若其中一种或两种主材中，部分或全部具有三个或以上官能团时，则可得到体型结构的聚合物，由于聚合物的结构不同，性能差异很大。就像钢材一样，虽然都是铁碳合金，但铁碳配比不同，热处理工艺不同，其性能截然不同。聚氨酯原料在各行业应用非常广泛，因应用的行业特性和生产的产品不同，各行业对以聚氨酯为主要原料的组合材料的性能要求也不同。承担保温防水双功能的聚氨酯硬泡（SPF）也完全不同于用于冰箱、冷库仅起保温作用的聚氨酯(PUR)，尽管它们外观结构看似非常相像，但作为建筑保温防水一体化材料，聚氨酯硬泡打破了传统建材功能单一、防水的不保温、保温的不防水、防水层一旦出现渗漏、保温层随即失去保温功能的通病。与其它单功能保温或防水材料相比，聚氨酯硬泡具有明显的优势：1.聚氨酯硬泡具有一材多用的功能，同时具备保温、防水、隔音、吸振等诸多功能；2.保温性能卓越，是目前国内所有建材中导热系数最低（0.024，绿色环保无氟发泡技术）、热阻值最高的保温材料，导热系数仅为EPS发泡聚苯板的一半；3.聚氨酯硬泡体连续致密的表皮和近于100%的高强度互联壁闭孔，具有理想的不透水性。采用喷涂法施工达到防水保温层连续无接缝，形成无缝屋盖和整体外墙保温壳体，防水抗渗性能优异；4.超强的自粘性能（无需任何中间粘结材料），与屋面及外墙粘结牢固，抗风揭和抗负风压性能良好；5.整体喷涂施工，完全消除“热节”和“冷桥”；6.柔性渐变技术可有效阻止防水层开裂；7.机械化作业、自动配料、质量均一、施工快周期短；8.化学性质稳定，使用寿命长，对周围环境不构成污染；9.离明火自熄，且燃烧时只炭化不滴淌，炭化层尺寸和外形基本不变，能有效隔断空气的进入，阻止火势的蔓延，防火安全性能好。聚氨酯硬泡体材料本身性能的优劣，对建筑物的使用安全性、保温功能、防水功能有着重大的影响，在选材时必须引起高度重视。建筑业用聚氨酯硬泡体防水保温材料与冷库、冰箱用聚氨酯硬质泡沫保温材料在性能上的极大差别，主要反映在断裂延伸率、闭孔率、尺寸变化率、粘接强度四项性能指标上。区别之一：断裂延伸率断裂延伸率是衡量聚氨酯硬泡抗拒应力作用不产生永久变形的重要性能指标，而仅起保温作用，无防水功能的冷库冰箱用聚氨酯硬质泡沫对此项关键的性能指标并无任何要求。国家建材行业标准（JC/T998-2006）中明确规定：聚氨酯硬泡如果作为屋面和墙体防水保温一体化材料使用，必须满足延伸率大于10%的基本要求，才能保证因使用环境温度变化、屋面及墙体的干缩湿胀、严冬冻融破坏以及建筑物基础不均匀沉降造成的防水层断裂、起鼓和龟裂。使聚氨酯硬泡在发挥优异保温功能的同时，充分展示其可靠的防水功能，只有延伸率满足上述国家行业标准的聚氨酯硬泡才能保证建筑物冬暖夏凉，环境舒适，屋面滴水不漏，外墙永无返潮之虑。区别之二：尺寸变化率聚氨酯硬泡受使用环境温度变化的影响，尺寸和体积会发生一定的变化，尺寸变化率的大小与原料的类型、泡体的结构、芯材密度、成型工艺及发泡剂的种类等诸多因素有关，耐温差性能较好的聚氨酯硬泡在-20摄氏度至+80摄氏度的环境温度下，尺寸不应发生明显的变化。聚氨酯硬泡的闭孔率高达95%以上，封闭在泡孔中的气体压力随环境温度的变化而变化，如果泡壁的结构强度较小，泡沫尺寸就会因闭孔中气体压力的变化而产生低温收缩或高温膨胀的变形，尺寸相对变形量（即尺寸变化率）越大，聚氨酯防水保温层产生断裂或开口的几率就越大。(三) 耐低温性能1聚氨酯胶粘剂的耐低温性能双组分聚氨酪胶粘剂的特点之一就是耐低温性能特别优异，这是其他胶粘剂所不具备的。从表可以看出，聚氨酯胶粘剂在低温的剪切强度大大超过其他胶粘剂，而且温度越低，强度越高。超低温胶粘剂在航天器上应用的特点和对胶粘剂的要求如下。1.特点(1)工作在液氧温度和液氢温度。(2)粘接面积很大，往往是整个贮箱的外表面(或内表面)。(3)能在冷热冲击(加注和泄出推进剂)所产生的温差应力和飞行过程中的气动冲刷的双重作用下工作。(4)根据运载工具本身制造工艺的要求，最好能在常温固化或在较低的温度下固化。2.要求(1)要有足够的超低温韧性和延伸率，确保在接受冷热冲击过程中不致于因金属壳体与非金属高分子材料之间的线胀系数的差异而产生脱粘现象。(2)要有足够的超低温强度，防止外绝热层脱落。(3)要有足够的防腐力，在待飞状态时，加注推进剂后将产生严重的抽吸现象，把空气中的介质吸附在接头界面上，产生腐蚀。(4)要求能在复杂的运载器表面上大面积施工。(5)要求在固化过程中不产生低分子挥发物。 根据以上这些特点，在粘接大面积绝热层时，采用喷涂工艺涂胶层。而喷涂工艺首先要求胶液必须粘度小，易于成膜。第三章 聚氨酯的应用聚氨酯（PU）树脂是由异氰酸酯与多元醇反应制成的一种具有氨基甲酸酯链段重复结构单元的聚合物。PU制品分为泡沫制品和非泡沫制品两大类。泡沫制品有软质、硬质、半硬质泡沫；非泡沫制品包括涂料、胶粘剂、合成革、弹性体和弹性纤维（氨纶）等。聚氨酯材料性能优异，用途广泛，制品种类多，其中尤以聚氨酯泡沫塑料的用途最为广泛。一、具有不同形态聚氨酯有不同的用途： 1、聚氨酯泡沫塑料(1) 硬质泡沫塑料用于建筑、船舶、车厢等作屋面、墙面、门等保温、隔音的结构泡沫塑料，冷藏设备、管线的绝热保温材料，建筑物、矿山、地下工程、封闭坑道、防渗水材料，还作仪器壳体等。(2) 软质泡沫塑料在建筑、船舶、运输、化工中作隔热、保温、包装、吸音、过滤、吸油等材料，也用于制造服装、日用品。目前，汽车和家电产品的废泡沫塑料回收已越来越受到人们的重视。国外汽车生产商己提出，2002年前使用30的回收废泡沫塑料。美国Argonne国家实验室及其合作者已开发成功一项低成本回收技术，并建成一套试验装置。其生产过程是先除去汽车垃圾中的金属杂质，然后将废泡沫塑料进行清洗、粉碎、干燥，最后用粘合剂将这些废泡沫塑料粘在一起，即可用于生产地毯衬垫及其他垫材。据估算，建一套年生产能力为1000吨的工厂，需投资70万美元，全部投资估计可在两年内收回。东芝公司开发了冰箱隔热材料聚氨酯泡沫塑料的连续化学回收法（化学分解法）。使用具有压缩、加热及混合三种功能的挤出机，以乙二醇胺为分解剂，将粒碎成smm大小的废旧聚氨酯树脂分解成一部分具有氨基甲酸酯键的低聚物和多元醇为主体的低聚物。将这种分解物与新鲜多元醇和异氰酸酯混合（分解物约占20），可生产性能良好的再生聚氨酯泡沫塑料。用这种完全回收工艺可连续进行生产，不产生废物，该技术已向实用化发展。其设备使用籍助螺杆的旋转连续地进行压缩、混合及加热的挤出机，注入二乙醇胺连续分解废旧聚氨酯，可高速地得到分解物。聚氨酯树脂的混合比例在80以上时，间歇法处理需要45分钟，而连续法仅用3分钟便可分解。分解物具有透明性，粘度也比间歇法低很多。据分析，分解物中有68为含氨基甲酸酯基因的低聚物，另有28为聚醚多元醇为主体的低聚物。有关聚氨酯树脂的再生，采用在低聚物分解物中加入纯的多元醇和异氰酸酯成分，高速搅拌制得聚氨酯树脂。当混合比例低于20时，便成为强度比纯材料高的发泡体。这种再生工艺的特征是，除可高速连续处理外，因分解到进入聚合物内，不产生副产物，也不需要分解物的分离和精制。2、聚氨酯弹性体（1）生物降解聚氨酯弹性体 近年来一些开发商利用生物资源的天然结构及特性，生产像木材那样能被微生物分解的聚氨酯弹性体制品。目前日本的一些公司用木粉、蔗糖及废弃的咖啡等天然原料混于聚合物多元醇中制备聚氨酯弹性体，既减少了多元醇的用量，降低了成本，又赋予制品生物分解特性。不久前日本又开发成功新型生物降解型聚氨酯原料，并建套吨年生产能力的装置，为客户提供这类新型聚氨酯弹性体。 （2）高阻尼聚氨酯弹性体 美国特种复合材料公司生产的高性能阻尼聚氨酯弹性体，用途广泛，制成的胶垫、密封件、套环、缓冲件、轴封等有很好的阻尼作用，特别适合用在各种精密设备、医疗设备及日用品、办公用品和电子计算机中。该材料在恶劣的外部环境中也能长期使用，在的低温环境中仍具有高阻尼性能，而且机械强度高、回弹率高、尺寸稳定性好、耐多种溶剂、耐臭氧和紫外线辐射。（3）液晶聚氨酯弹性体 近年来世界液晶聚氨酯研究比较活跃，主要集中于原料的选择、工艺路线的优化及物性改善方面。液晶聚氨酯是由刚性致介基因和柔性间隔基团连接而成，是一种在熔体状态下具有液晶性能的聚氨酯弹性体。该材料具有良好的机械、热稳定、高弹性、高延伸性能及良好的加工性能。液晶聚氨酯弹性体的合成采取一步或两步聚合的方法加工成型。工艺多样，挤出、注射模塑、涂覆均可。（4）改性聚氨酯弹性体 耐热聚氨酯弹性体是目前国外许多公司投入大量人力物力进行试验研究的项目。目前日本已在电子电器和其他工业中将此项技术工业化。德国公司采用新型硅灰石纤维增强的技术制得聚氢酯复合板，能耐高温。以亚苯基二异氰酸酯为原料合成的聚氨酯弹性体，具有突出的动态力学性能，回弹性好，而且有非常好的挠曲性。目前国外有些公司已开发出商品。3、含其它基团的聚氨酯（1）水基聚氨酯树脂丸红公司和合成革生产商KoatsuCloth公司联合工业化生产了水基聚氨酯树脂。据称该原料生产的合成革具有密度均匀、强度优异的性能，并能降低生产过程中的能耗。普通聚氨酯合成革为溶剂型，对人体和环境有潜在危害性，由其涂布于织物上制得合成革，需要一个聚合过程，能耗也大。两家公司开发的上述产品可应用于服装、鞋类、家庭用品、家具及汽车运输设备。上海翔雄科技公司也开发了一种水性聚氨酯树脂。该产品具有优越的不变黄性、耐水性，适合于各种纤维加工，各种水性树脂可与之以任意比例稀释而相容，可用干涂花、印花用装料，可添加于水性涂料，防止涂层的开裂，增加光泽及润滑感，用于真皮和PU革的光亮剂、防雨布、伞面的涂层等。（2）非异氰酸酯聚氨酯（NIPU）生产环境友好的产品是清洁生产大环境的组成内容。欧洲技术公司开发成功用于涂料和替代环氧聚氨酯的非异氰酸酯聚氨酯（NIPU）。它不是由有害的异氰酸酯前身物生产，使用异氰酸酯聚氨酯对环境有不利影响，而NIPU中不含有害物质。NIPU比常规聚氨酯还有更好的机械性能和耐化学性能。NIPU由交联的环化碳酸酯和胺低聚物生产。第一套50吨/年装置已于2001年在以色列兴建。二、生活中随处可见含聚氨酯的产品：1、服饰服装运动用品聚氨酯改变了服装的风格，在我们的生活里发挥着作用。其代表产品有舒适、柔软、具伸缩性及弹性设计自由的氨纶弹性纤维。除了被用于女士化妆用的粉扑、连裤袜、袜子以外，还用于滑雪衫，游泳衣等方面,其惊人的伸长性得到最大限度地利用。在滑雪，游艇等运动用品方面，聚氨酯涂料以其优良的耐磨耗及耐侯性而被选用。具有轻质，富于良好耐磨耗性的硬质泡沫用作滑雪板和冲浪板等的芯材，具有优良弹性和耐磨耗性的聚氨酯弹性体被用作运动鞋的鞋底。2、生活用品在居室用品方面，聚氨酯应用制品展示着其舒适性。聚氨酯涂料使家具、钢琴等乐器的表面具有美丽的光泽，起着牢固的保护作用。软质泡沫被用作最常用的坐垫材料以及分散人体压力的健康被褥。在厨房用品方面，硬质泡沫应用于电冰箱等的隔热材。与塑料薄膜具有良好接着性的聚氨酯树脂被用作食品包装用胶粘剂。还有在净水器的密封材、尿布及生理用品等方面的应用。对人体无害的聚氨酯弹性体在其用途方面也正在扩大。此外,在我们的生活中，聚氨酯人造革，合成革，发泡体等被制成包和鞋等，以其自然的风格和耐久性博得好评。3、电子用品 促进电子工业的发展也是聚氨酯的使命。具有优良耐磨耗性及附着性的聚氨酯胶粘剂在录音/录像带、电脑用磁盘及IC卡和电子乘车票等制造过程中，被作为各种记录媒体磁性材料的粘接剂，使记录密度得到提高。此外，聚氨酯绝缘密封清漆被用于制造漆包线。紫外线（UV）固化型聚氨酯被制成光纤电缆。近年，聚氨酯胶粘剂还被应用于移动电话的印刷线路等方面，并不断地被进一步开发应用以适应时代要求。4、医疗器械聚氨酯对医疗事业的进步也正作出贡献。聚氨酯弹性体因其特异的构造而具有优良的人体适应性、粘合性和抗血栓性，被作为最佳的封端材料，运用于人工肾脏的中空细丝束的固定。并进一步改进其抗血拴性及人体适性，积极地进行人工心脏和人工皮肤等方面的应用研究。5、汽车运输工具汽车工业对未来汽车所作出的舒适性、安全性及节能等要求都离不开聚氨酯。具有隔热及隔音功能的车顶材，具有舒适性要求的汽车座垫，阻隔噪音及振动保持安静空间的车底材料和密封材料。此外还有仪表盘、车门、安全气囊、座椅靠背、挡泥板、减冲吸收剂、油封、不爆轮胎及涂料。各种聚氨酯制品被应用于汽车的各个角落。此外，还被制成轮胎防滑链，因其具有柔韧性、耐久性及不损害路面的特性而受到重视。另外，具有优良耐久/耐侯性的聚氨酯涂料也应用于摩托车、轻轨电车、新干线及船舶等的涂装。6、建筑土木在建筑/土木领域中聚氨酯也展示着其特性。住宅用硬质泡沫，作为最佳的隔热材料，应用于墙体、地坪及屋顶等方面，大幅减少冷暖气供应负荷，顺应节能要求。聚氨酯涂料也因其具有优良的耐侯性，被用于住宅装修用外墙涂料。此外，运用其防水性、耐药品性及适当的弹性，聚氨酯涂料作为医院、体育馆等建筑的地坪涂料，高层建筑和桥梁等的防腐涂料。聚氨酯还作为枕木和铁轨间的缓冲材、建筑物屋顶等的防水密封材及木质移动住宅用粘合剂被广泛应用。并应用于全天候跑道和高尔夫球场的施工。7、工业用材料聚氨酯也是不可缺少的工业用材料。例如，通过分子设计使磨耗强度达到最佳的弹性体，被应用于复印机和打印机等OA机器及造纸、制铁、电镀等用辊筒，并被制成各种用途的带、管、片及薄膜材料。其加工技术的开发也十分活跃。另外,聚氨酯泡沫具有优良的隔热效果及耐久性，在LNG储罐和地面储罐设施中作为保温材得到应用。聚氨酯粘结剂应用于木屑板及中密度板（MDF）等木质纤维板生产，能避免在家庭内装潢时有甲醛释放而日益受到重视。结论：聚氨酯材料作为一种与生活息息相关的高分子材料，在许多的领域已获得很好的应用，展示了广阔的发展前景，可以肯定，在聚氨酯的诸多良好性能下，在加大开发研究的基础上，一定能大大扩宽其应用领域，并发展更丰富的适合各种用途的用品。只要不断的改进与研究，聚氨酯的应用将运用到我们的周围，我们的生活。第四章 深入研究正交实验设计一 、正交实验设计概述正交实验设计(Orthogonal experimental design) 11是研究多因素多水平的一种设计方法，它是根据从全面实验中挑选出部分有代表性的点进行实验，正交实验设计又称正交设计或多因素优选设计，是一种合理安排、科学分析各实验因素的一种有效的数理统计方法。它是在实践经验和理论认识的基础上，借助一种规格化的“正交表”，从众多的实验条件中确定出若干个代表性较强的实验条件，科学地安排实验，然后对实验结果进行综合比较，统计分析，探求各因素水平的最佳组合，从而得到最优或较优实验方案的一种实验设计方法。正交实验设计的特点是用不太多的实验次数，找出实验因素的最佳水平组合，了解实验因素的重要性程度及交互作用情况，减少实验盲目性，避免资金浪费等。它能以较少的实验次数找到较好的实验（生产）方案，由正交实验寻找出的优化参数（条件）与全面实验所找出的最优条件有一致的趋势。正交实验设计具有正交性，使实验具备均衡分散和综合可比性。此法应用方便，准确性高，在多因素条件下应用有很大的优越性,是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。日本著名的统计学家田口玄一将正交实验选择的水平组合列成表格，称为正交表。例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(3)3正交表按排实验，只需作9次，显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。二、正交实验设计基本程序正交设计中常用的术语有：指标、因子和水平。正交设计把实验设计要考虑的结果和评价准则称为指标，一般以yi表示第i次实验的指标值；把对实验结果和对评价指标可能产生影响且在实验中明确了条件加以对比的因素称为因子，一般以大写字母表示；把每个因子在实验中的具体条件称为因子的水平，简称水平，一般以表示因子的大写字母加上脚标来表示。对于多因素实验，正交设计是简单常用的一种设计方法，其设计程序12如图4所示。图4 正交实验设计程序 结论优组合因数主次顺序优水平计算极差R值计算K值绘制因数指标趋势图 实验结果极差分析进行试验，记录实验结果列实验方案表头设计选择合适的正交表实验指标选因数、定水平因数筛选因数、水平确定因果分析实验目的与要求 Figure 4 The programming of potassium diformate三、正交实验方案设计1 明确实验目的，确定实验指标实验设计前必须明确实验目的，即本次实验要解决什么问题。实验目的确定后，对实验结果如何衡量，即需要确定出实验指标。实验指标可为定量指标，如强度、硬度、产量、出品率、成本等；也可为定性指标如颜色、口感、光泽等。一般为了便于实验结果的分析，定性指标可按相关的标准打分或模糊数学处理进行数量化，将定性指标定量化。2 选择实验因素，确定实验水平，列出因素水平表根据专业知识、以往的研究结论和经验，从影响实验指标的诸多因素中，通过因果分析筛选出需要考察的实验因素。一般确定实验因素时，应以对实验指标影响大的因素、尚未考察过的因素、尚未完全掌握其规律的因素为先。实验因素选定后，根据所掌握的信息资料和相关知识，确定每个因素的水平，一般以2-4个水平为宜。对主要考察的实验因素，可以多取水平，但不宜过多（6），否则实验次数骤增。因素的水平间距，应根据专业知识和已有的资料，尽可能把水平值取在理想区域。3 选择合适的正交表,进行表头设计正交表的选择是实验设计的首要问题。正交表选得太小，实验因素可能安排不下；正交表选得过大，实验次数增多，不经济。正交表的选择原则是在能够安排下实验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少实验次数。表头设计就是指将实验因素和交互作用合理地安排到所选正交表的各列中去的过程。若实验因素间无交互作用，各因素可以任意安排；若要考察因素间的交互作用，各因素应按相对应的正交表的交互作用列表来进行安排，以防止设计“混杂”。正交表是一整套规则的设计表格，表示方法记为Lm(rn)，其中L为正交表的代号，m为实验的次数，r为水平数，n为列数，也就是可能安排最多的因素个数。例如L9(33)， (表1)，它表示需作9次实验，最多可观察3个因素，每个因素均为3水平。一个正交表中也可以各列的水平数不相等，我们称它为混合型正交表。根据正交表的数据结构看出，正交表是一个m行n列的表，表11中，大写字母表示A、B、C三个因素，下标表示每个因素有1、2、3三个水平。表1 三因数三水平正交实验表Table 1 The orthogonal test table of three factors and three levels因素实验号ABC效益平均值Y1A1B1C1 2A1B2C2 3A1B3C34A2B1C25A2B2C36A2B3C17A3B1C38A3B2C19A3B3C2正交表具有以下两项性质： (1)每一列中，不同的数字出现的次数相等。例如在三水平正交表中，任何一列都有下标“1”、“2”、“3”，且在任一列的出现次数均相等。 (2)任意两列中数字的排列方式齐全而且均衡。例如在三水平情况下，任何两列(同一横行内)有序对共有9种，1.1、1.2、1.3、2.1、2.2、2.3、3.1、3.2、3.3，且每对出现数也均相等。 以上两点充分的体现了正交表的两大优越性，即“均匀分散性，整齐可比”。通俗的说，每个因素的每个水平与另一个因素各水平各碰一次，这就是正交性。 4 编制实验方案，按方案进行实验，记录实验结果根据实验方案进行实验，记录实验结果。4.1 确定实验因素的优水平和最优水平组合最佳水平是指每个因子的
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