塑料、橡膠等各種合成高分子材料在我們的生活中無(wú)處不在,這已是不爭(zhēng)的事實(shí)。不過(guò)在眾多的高分子材料中,恐怕沒(méi)有誰(shuí)能夠像聚氨酯那樣深入到我們生活的每一個(gè)角落。或許你很好奇,這種聽(tīng)上去陌生的材料在哪里?那么就請(qǐng)跟隨我到每一天的生活中尋找它的足跡吧。
早餐,你洗漱完畢走到廚房,準(zhǔn)備從冰箱中取出今天的早餐時(shí)不妨想一想,冰箱厚厚的箱體和箱門(mén)里面是什么?答案是聚氨酯的泡沫,里面的冷空氣出不來(lái),外面的熱空氣又進(jìn)不去?答案是密閉在冰箱箱體和門(mén)中的聚氨酯泡沫。它們竭盡全力阻止冰箱內(nèi)外的熱量交換,若是沒(méi)有聚氨酯,冰箱的壓縮機(jī)恐怕將無(wú)休止地轟鳴,而你也不得不為冰箱巨大的耗電量而發(fā)愁了。
接下來(lái)請(qǐng)你把目光移到冰箱旁邊膠合板做的櫥柜。膠合板是將許多層的薄木板用膠粘合而成,酚醛樹(shù)脂和尿醛樹(shù)脂曾經(jīng)是粘合木板的主力,但是這兩類(lèi)材料會(huì)釋放出有強(qiáng)烈致癌作用的甲醛,因此近些年已經(jīng)被聚氨酯所取代。后再請(qǐng)你把視線(xiàn)移到墻角,聚氨酯密封劑正在忠實(shí)地履行自己的職責(zé),將墻角的縫隙牢牢封死。
吃過(guò)早餐你離開(kāi)家來(lái)到單位。公司剛剛搬進(jìn)了新建的辦公樓,走進(jìn)大廳,實(shí)木地板光亮的像鏡子一樣,這多虧了覆蓋在地板上的一層聚氨酯涂料,否則木地板早就被往來(lái)的人流磨損得不像樣子了。
你注意到公司走廊上貼著醒目的宣傳畫(huà),自豪地向大家宣布,別看公司的新辦公樓面積龐大,內(nèi)部裝修豪華,在節(jié)能方面卻堪稱(chēng)表率。降低建筑物的能耗離不開(kāi)方方面面的努力,但其中一大功臣是夾在墻體和天花板內(nèi)部的聚氨酯,它們和你家中冰箱使用的聚氨酯泡沫非常相似,只不過(guò)在這里它們?yōu)楦育嫶蟮摹氨洹碧峁┓?wù)。
工作勞碌之余,你來(lái)到運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上準(zhǔn)備鍛煉一下身體。這里面有沒(méi)有聚氨酯的足跡呢?當(dāng)然有。先說(shuō)說(shuō)你身上的運(yùn)動(dòng)服,為什么它能緊貼身體卻又不失舒適感?如果你留意一下它的標(biāo)簽,可能會(huì)注意到“10%氨綸”的字樣,答案就在這里。氨綸是聚氨酯的纖維,具有極其優(yōu)異的彈性。雖然衣物面料中氨綸的含量一般都不高,但是如果少了它,像泳衣、運(yùn)動(dòng)服和緊身褲這樣的衣服穿在身上感覺(jué)將會(huì)是非常糟糕。再說(shuō)說(shuō)你腳上的這雙運(yùn)動(dòng)鞋。
許多鞋子舒適耐磨的鞋底都是由聚氨酯制成,而聚氨酯的鞋底常常又是依靠聚氨酯粘合劑與鞋面牢牢粘在一起。后說(shuō)說(shuō)你腳下的塑膠跑道。塑膠跑道的基本原料當(dāng)然是粉碎成小顆粒的廢舊橡膠,但是若沒(méi)有聚氨酯粘合劑把它們緊緊連在一起,這些橡膠小顆粒只會(huì)像砂土一樣到處飛揚(yáng)。
夜幕降臨,你回到家中。終于結(jié)束了一天的勞累,此時(shí)此刻你可能正慵懶地靠在沙發(fā)上欣賞電視節(jié)目,或是躺在自家的大床上準(zhǔn)備進(jìn)入夢(mèng)鄉(xiāng)。如果揭開(kāi)床墊或沙發(fā)墊外面的布料,你可能會(huì)看到白色或者乳黃色柔軟又輕盈的材料,這仍然是聚氨酯。床墊和沙發(fā)墊能如此舒適,聚氨酯功不可沒(méi)。
后,當(dāng)你和愛(ài)人享受親密的二人世界時(shí),不要忘記聚氨酯的另一項(xiàng)重要貢獻(xiàn),那就是安全套。雖然聚氨酯并非生產(chǎn)安全套的主力——大部分安全套使用天然橡膠制成,但是對(duì)于那些對(duì)天然橡膠過(guò)敏的人,聚氨酯就提供了非常好的替代選擇。
圖1 聚氨酯的若干重要應(yīng)用:左上:床墊;右上:鞋底;左下:涂料;右下:彈力纖維
通過(guò)上面的介紹,你是否意識(shí)到了我們?nèi)粘9ぷ骱蜕畹膸缀醴椒矫婷娑茧x不開(kāi)聚氨酯?那么這究竟是怎樣一種神奇的材料,我們又是如何得到它的呢?
眾所周知,各種合成高分子材料都是由無(wú)數(shù)小分子相互反應(yīng)而來(lái),例如聚乙烯就是乙烯分子相互反應(yīng)的產(chǎn)物。聚氨酯自然也不例外,要得到它,離不開(kāi)兩類(lèi)重要的小分子。
種分子叫做醇,也就是帶有羥基的化合物[1]。這是大家再熟悉不過(guò)的一類(lèi)物質(zhì),我們每次開(kāi)懷暢飲時(shí)就在喝下醇的一種——乙醇。不過(guò)要完成合成聚氨酯的任務(wù),每個(gè)醇分子中至少要有兩個(gè)羥基才行,因此乙醇并不夠格,需要換成它的“近親”——乙二醇。
另一種分子相對(duì)來(lái)說(shuō)沒(méi)有那么知名,它叫做異氰酸酯,這里出場(chǎng)的是其中的一員,名叫二苯基甲烷二異氰酸酯[2]。雖然名字拗口難記,它可絕對(duì)稱(chēng)得上聚氨酯工業(yè)中的“大腕”,全球范圍內(nèi)年產(chǎn)量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸。顧名思義,每個(gè)二苯基甲烷二異氰酸酯分子中有兩個(gè)異氰酸酯結(jié)構(gòu)。
一個(gè)乙二醇分子和一個(gè)二苯基甲烷二異氰酸酯分子一旦相遇,就像久違的老朋友,一個(gè)伸出羥基,另一個(gè)伸出異氰酸酯,緊緊握住對(duì)方的“手”,變成了一個(gè)分子。但是反應(yīng)并沒(méi)有就此打住。乙二醇還有另一只“手”——另外一個(gè)羥基,它還可以抓住另一個(gè)二苯基甲烷二異氰酸酯分子。而被乙二醇抓住的兩個(gè)二苯基甲烷二異氰酸酯也分別還有另外一個(gè)異氰酸酯結(jié)構(gòu)空閑著,又可以分別抓住一個(gè)乙二醇分子。大家不停地拉手的結(jié)果就是形成了高分子化合物,也就是聚氨酯。
圖2 由乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯生成聚氨酯的反應(yīng)過(guò)程
為什么聚氨酯的應(yīng)用如此廣泛?奧秘就在于這兩種原材料上面。在剛才的例子中,我們用乙二醇和二苯基甲烷二異氰酸酯反應(yīng)得到了聚氨酯,但如果你把乙二醇換成丙二醇或者丁二醇,只要每個(gè)分子中至少含有兩個(gè)羥基,我們?nèi)匀荒軌虻玫骄郯滨ァM瑯?,我們也可以把二苯基甲烷二異氰酸酯替換成其它的材料,只要每個(gè)分子都至少有兩個(gè)異氰酸酯結(jié)構(gòu)。也就是說(shuō),聚氨酯實(shí)際上包含了一大類(lèi)材料,它們的結(jié)構(gòu)雖然相似,性能卻又迥異,有的是堅(jiān)硬的塑料,另外一些是富有彈性的橡膠,還有的能夠做成強(qiáng)勁的粘合劑。
當(dāng)然,無(wú)論性能如何變化,它們都具有許多共同的優(yōu)點(diǎn),例如生產(chǎn)成本低、加工方便、耐腐蝕等等。除了聚氨酯,幾乎沒(méi)有哪一種高分子材料能夠讓我們?nèi)绱穗S心所欲地調(diào)節(jié)它的性能以適應(yīng)不同的應(yīng)用。
聚氨酯之所以遍布日常生活的幾乎每一個(gè)角落,還得益于它的另一個(gè)絕活——發(fā)泡。如果我們?cè)跓屑尤胍欢康拇己彤惽杷狨ィ瑪嚢枰粫?huì)兒后它們就會(huì)變成堅(jiān)硬的固體。然而如果我們?cè)傧驘屑尤胍稽c(diǎn)水,燒杯中的混合物就變得像剛開(kāi)瓶的啤酒,大量泡沫噴薄而出。原來(lái),異氰酸酯一遇到水就就迅速變成另外一種有機(jī)物——胺,同時(shí)迅速放出二氧化碳?xì)怏w。由于液體的阻隔,這些氣體來(lái)不及逃逸至空氣中,因此我們就看到了大量的泡沫。
可是隨著時(shí)間的推移,這些泡沫并不會(huì)像啤酒沫或者肥皂泡那樣逐漸破碎消失,而是永久地留存下來(lái)。原來(lái),反應(yīng)生成的胺還會(huì)會(huì)繼續(xù)尋找尚未與水反應(yīng)的異氰酸酯并與它發(fā)生反應(yīng),把自己變成聚氨酯的一部分。也就是說(shuō),構(gòu)成這些泡沫外壁的不再是脆弱的水膜,而是堅(jiān)固的聚氨酯,因此這些泡沫得以永久保留下來(lái)。而由于內(nèi)部充滿(mǎn)了大量微小的氣泡,聚氨酯也變得無(wú)比輕盈膨松,密度只有原先的幾十分之一[3]。
圖3 制備聚氨酯泡沫的基本原理
不要小看這些聚氨酯的泡沫,全球范圍內(nèi),它們竟然貢獻(xiàn)了聚氨酯材料一多半的產(chǎn)值。那么這么多的聚氨酯泡沫都到了哪里去呢?通過(guò)調(diào)整原料具體的組成,我們可以得到兩種不同的聚氨酯泡沫。種聚氨酯泡沫的孔洞之間互相連通,構(gòu)成泡沫外壁的聚氨酯柔軟而富有彈性。這樣的泡沫遇到外力很容易變形,但又不會(huì)被壓垮,一旦外力撤去就會(huì)恢復(fù)自身的形狀,因此能夠給使用者帶來(lái)極大的舒適感。前面提到的床墊和沙發(fā)墊很多都應(yīng)用了這一類(lèi)聚氨酯泡沫。除此之外,汽車(chē)坐墊也少不了它。
另一種聚氨酯泡更為堅(jiān)硬,內(nèi)部的微小孔洞不再相連,而是彼此隔絕,這樣的泡沫有什么用呢?我們知道,如果要隔絕熱量的傳播,沒(méi)有什么材料的效果能比得上空氣,而空氣中二氧化碳的隔熱能力又大大優(yōu)于氧氣、氮?dú)獾绕渌煞?。如果我們用聚氨酯將二氧化碳隔絕在一個(gè)個(gè)微小的空間內(nèi),防止它們互相流通或者逃逸到外界,這樣的聚氨酯泡沫具有幾乎媲美空氣的良好的隔熱能力,是其他材料難以企及的。
如果用磚來(lái)代替,30多厘米厚的磚的隔熱效果才能抵得上1厘米厚的聚氨酯泡沫!而且由于聚氨酯泡沫具有很好的機(jī)械強(qiáng)度,很多時(shí)候利用它來(lái)進(jìn)行隔熱比單純使用空氣來(lái)隔熱效果要好得多,因此它廣受人們的青睞。聚氨酯泡沫不僅已經(jīng)成為生產(chǎn)冰箱的必備,在建筑節(jié)能中的應(yīng)用也十分廣泛。這些聚氨酯泡沫有效地幫助我們提高了能源的利用率,從而節(jié)省了寶貴的資源。
圖4 操作人員正在用聚氨酯泡沫提高建筑物的隔熱能力
從誕生至今,聚氨酯走過(guò)了近80年的歷程,極大地改變了我們的生活。放眼未來(lái),聚氨酯材料的不斷革新和進(jìn)步還將讓我們的生活更加美好。
注釋?zhuān)?br/>[1] 準(zhǔn)確地說(shuō)醇是脂肪族碳鏈與羥基相連的化合物。羥基直接與苯環(huán)相連的化合物稱(chēng)為酚。
[2] 二苯基甲烷二異氰酸酯有2,2’, 2,4’ 和4,4’三種不同的結(jié)構(gòu),其中4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯在聚氨酯工業(yè)中為常用,圖1展示的也是這種結(jié)構(gòu)。
[3] 許多聚氨酯泡沫在生產(chǎn)過(guò)程中也會(huì)通入其它氣體幫助發(fā)泡