聚氨酯(Polyurethane,简称PU)全称为聚氨基甲酸酯,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。聚氨酯可通过改变原料的种类和化学结构、规格指标、配方比例制造出具有各种性能的不同制品。聚氨酯是各种高分子材料中唯一一种在塑料、橡胶、泡沫、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子大领域均有重大应用价值的合成高分子材料,产品渗透到国民经济的方方面面,已成为当前高分子材料中品种最多、用途最广、发展最快的特种有机合成材料。
世界聚氨酯产业发展简史
有机异氰酸酯是一种不存在于天然界的化合物,最早是由德国化学家沃尔茨(Wurtz)于年用烷基硫酸盐与氰酸钾进行复分解反应合成烷基异氰酸酯。当时,没有给异氰酸酯找到合适的用途,更没有将氰酸酯的加聚反应进行了研究,发现可以生成各种聚氨酯及聚脲化合物,但实用性不大。
年,在德国勒沃库森I.G.Farben(法本)实验室,化学家奥托·拜耳(OttoBayer)及其同事应用加成聚合原理,利用液态异氰酸酯和液态聚醚或二醇聚酯生成了一种新材料,有别于当时已发现的聚烯烃和缩聚生成的塑料,这就是聚氨酯。
法本公司(I.G.FarbenAG),全称为“染料工业利益集团”(Interessen-GemeinschaftFarbenindustrieAG)。建立于年,曾经是德国最大的公司及世界最大的化学工业康采恩之一,总部设在莱茵河畔法兰克福。第二次世界大战后被盟国勒令解散,于年进行清算,拆分为爱克发公司(Agfa)、拜耳公司(Bayer)、巴斯夫(BASF)和赫斯特公司等10家公司。
奥托·拜耳展示他发明的聚氨酯
二战结束后的—年,英美等国从德国获得聚氨酯的制造技术,于年相继开始工业化生产。
聚氨酯工业的第一次飞跃:
50年代初,美国率先合成了有环氧丙烷(PO)和环氧乙烷(EO)共聚醚与TDI合成的聚氨酯软泡塑料。
这是聚氨酯工业历史上一次重大变革。此前德国采用的多元醇原料来源于煤,而此次原料来源转变为成本更加低廉的石油,为聚氨酯的高速发展奠定了基础。
年,日本从德国拜耳Bayer公司及美国杜邦DuPont公司引进聚氨酯工业化生产技术。
年,英国ICI公司成功开发了以MDI为原料的聚酯型硬质聚氨酯塑料。
年,美国杜邦DuPont公司研发出了一种划时代的材料——莱卡(Lycra),即聚氨酯弹性纤维。如今,只要是采用了莱卡的服装都会挂有一个三角形吊牌,莱卡几乎成了所有氨纶的代名词。
60年代中期各国相继研制成功PU铺面材料和PU灌浆防水材料。60年代后期德国Bayer公司和美国相继开发成功RIM(反应注射成型技术)在汽车上的应用。
70年代初热塑性PU弹性体(TPU)研究成功。
80年代初PU工程塑料问世,PU工业从此以一个堑新的面貌展现了出来。
90年代,聚氨酯的喷涂弹性材料得到了迅猛的发展,成为大面积涂装项目的涂料。
聚氨酯与体育
从年墨西哥世界杯比赛用球——阿兹特克足球开始,聚氨酯首次走进足球制造领域,把足球带进了一个人工合成材料的新时代,宣告了真皮时代的逐渐结束。
塑胶跑道又称全天候运动跑道,从下到上一般分为基础层和胶面层。胶面层一般是由弹性高分子材料构成的,主要由聚氨酯材料组成的称为聚氨酯塑胶跑道。
曾在奥运会上大放异彩的“鲨鱼皮泳衣”,也是聚氨酯纤维材料的杰作。“鲨鱼皮泳衣”选用富有弹性的聚氨酯纤维材料制作而成,充分运用了仿生学的原理,可以减少3%的水阻力,这在游泳比赛中具有关键的意义。
我国聚氨酯产业发展简史
20世纪50年代末我国聚氨酯工业开始起步,
年,大连染料厂研制成异氰酸酯(TDI),年建成年产T生产装置,为我国聚氨酯工业开创了条件。
60年代初,江苏省化工研究所等单位研制成了聚醚型PU软质泡沫塑料。
70年代初江苏所与南京橡胶厂研制成混炼型PU弹性体(MPU),同期天津化工研究院和天津油漆厂研制成PU涂料。
年,北京建筑工程研究所研制成PU防水材料,江苏所研制成PU防水和灌浆料。
年,江苏省化工厅组织了江苏省化工研究所等单位进行PU跑道胶的技术攻关,并于年开始在国内各种类型体育场地大面积推广应用。
80年代,山东烟台合成革厂(万华化学前身)从日本引进了PU合成革技术,以后又引进了1万t/aMDI生产装置,并于年正式投产成功。
80年代未到90年代,国内引进多套万吨级规模的聚醚生产装置以及TDI制造技术和设备,为聚氨酯的发展奠定了基础。
新世纪以来,聚氨酯已成为我国化工产业发展中最快的行业之一。
聚氨酯产业现状
由于聚氨酯制品优越性能以及节能环保的特性,其市场需求保持了较快速度增长。数据显示,年全球聚氨酯消费量已超万吨。预计未来几年,世界聚氨酯消费量将保持5%以上的增速增长,保持快速增长一方面是由于能够替代木材、金属、橡胶等多种材料,另一方面是发展中国家市场消费不断增加。
01
全球市场
在聚氨酯制品各细分产品中,泡沫塑料为其主要产品,占聚氨酯制品总量的54%左右,具体情况见图1。
图1全球聚氨酯制品产品结构
终端应用来看,分布较为均匀,家具和内饰及建筑工业共占应用总量的51%左右,具体情况见图2。
图2全球聚氨酯制品消费结构
目前,亚太地区、北美和西欧是全球最主要的聚氨酯产销地区,合计的消费量占到全球总量的85%以上,其中亚太地区已经是全球最大的聚氨酯消费市场,占全球市场份额的约45%;其次是北美和西欧,合计占全球市场的约40%。由于北美和西欧的市场已经渐趋饱和,因此近几年以及未来聚氨酯发展的重点将集中在亚太地区。此外,在其他新兴国家如印度、巴西、墨西哥等,聚氨酯在建筑、服装、家具等行业中的应用需求也越来越大。
02
中国市场
目前,我国是全球最大的聚氨酯生产、消费国,占全球聚氨酯产量的45%左右。近年来,随着建筑节能、汽车、家电、服装、家具等产业的消费升级,聚氨酯应用规模和领域不断增加。
目前我国聚氨酯的主要应用领域是聚氨酯泡沫(包括硬质、软质等)、革用聚氨酯、涂料和弹性体等。从聚氨酯应用来看,年度我国聚氨酯泡沫、合成革浆料和涂料分别占39.19%、17.12%和16.09%;其他制品所占比重均在10%以下。
图3我国聚氨酯制品产品结构
从聚氨酯产能区域布局看,我国聚氨酯产业布局已基本形成,主要有:以上海为中心的长三角地区;以烟台、天津为中心的环渤海地区;以广州为中心的珠三角地区;以重庆为中心的西南地区以及以福建泉州为中心的海西经济区等聚氨酯产业聚集地区。
参考资料:1、黄茂松《聚氨酯的发展史》;2、蝌蚪五线谱《改变世界的聚氨酯,让世界杯足球飞得更漂亮!》