基于聚氨酯体系的环保型增硬剂开发与测试
摘要
聚氨酯材料在众多领域应用广泛，提升其硬度性能对拓展应用场景意义重大。本文章聚焦基于聚氨酯体系的环保型增硬剂开发与测试，通过选择合适原料与配方，制定制备工艺，对增硬剂进行多项性能测试。研究结果表明，开发的环保型增硬剂能有效提升聚氨酯硬度，且符合环保要求，为聚氨酯材料性能优化提供了新方向与实践参考。
一、引言
聚氨酯（PU）材料凭借良好的耐磨性、弹性、耐化学腐蚀性等特性，在建筑、汽车、家具、鞋材等行业得到广泛应用。随着应用领域的不断拓展，对聚氨酯材料性能的要求也日益多样化，其中硬度作为关键性能指标之一，直接影响材料的使用效果和适用范围。传统增硬剂在提升聚氨酯硬度的同时，往往存在环保性能不佳的问题，如含有大量挥发性有机化合物（VOC）、重金属等有害物质，对环境和人体健康造成潜在威胁 。在环保要求日益严格的当下，开发基于聚氨酯体系的环保型增硬剂成为行业发展的迫切需求。国内外已有部分学者针对环保型材料助剂展开研究，但针对聚氨酯体系环保型增硬剂的系统性开发与测试研究仍有较大探索空间 。本文将详细介绍基于聚氨酯体系的环保型增硬剂的开发与测试过程，为该领域的研究与应用提供理论和实践依据。
二、原料选择与配方设计
2.1 原料选择
开发环保型增硬剂，原料的选择至关重要。本研究选用以下原料：
- 多元醇：采用生物基聚醚多元醇，其具有良好的生物降解性，且与异氰酸酯反应活性适中。生物基聚醚多元醇分子结构中的羟基能与异氰酸酯发生反应，形成聚氨酯链段，同时其生物基来源降低了对石化资源的依赖，符合环保理念 。
- 异氰酸酯：选择六亚甲基二异氰酸酯（HDI），HDI 属于脂肪族异氰酸酯，与芳香族异氰酸酯相比，其反应生成的聚氨酯具有较好的耐黄变性，且毒性较低，对环境和人体相对友好。HDI 中的异氰酸酯基（-NCO）能与多元醇中的羟基（-OH）发生聚合反应，构建聚氨酯的大分子网络结构 。
- 环保型固化剂：选用改性胺类固化剂，该固化剂不含甲醛、重金属等有害物质，固化过程中挥发性低，能在保证固化效果的同时，降低对环境的污染 。
- 功能性助剂：包括环保型催化剂（有机铋催化剂）、增塑剂（柠檬酸酯类增塑剂）、稳定剂等。有机铋催化剂具有催化活性高、毒性低的特点，可加速聚氨酯反应；柠檬酸酯类增塑剂无毒环保，能改善聚氨酯的柔韧性和加工性能；稳定剂则可提高增硬剂的储存稳定性 。
2.2 配方设计
通过大量预实验和文献参考，确定环保型增硬剂的基础配方如下表所示：
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原料名称
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质量分数（%）
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生物基聚醚多元醇
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40 – 50
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六亚甲基二异氰酸酯（HDI）
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20 – 30
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改性胺类固化剂
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10 – 15
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有机铋催化剂
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0.5 – 1
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柠檬酸酯类增塑剂
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5 – 10
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稳定剂
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1 – 3
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其他添加剂（如抗氧剂等）
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0.5 – 2
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在实际开发过程中，可根据具体应用需求，对各原料的比例进行适当调整，以优化增硬剂的性能。
三、制备工艺
3.1 反应原理
环保型增硬剂的制备主要基于聚氨酯的加成聚合反应原理。多元醇中的羟基与异氰酸酯中的异氰酸酯基发生反应，形成氨基甲酸酯键，逐步构建聚氨酯大分子链。随着反应的进行，分子链不断增长、交联，最终形成具有一定硬度和强度的三维网络结构 。改性胺类固化剂与剩余的异氰酸酯基反应，进一步促进交联，提高材料的硬度和固化程度。
3.2 制备流程
- 原料预处理：将生物基聚醚多元醇在 80 – 100℃下真空脱水 2 – 3 小时，去除水分，防止水分与异氰酸酯发生副反应产生二氧化碳气体，影响产品质量 。
- 反应阶段：在干燥的反应釜中，按配方比例依次加入脱水后的生物基聚醚多元醇、六亚甲基二异氰酸酯（HDI），搅拌均匀后，升温至 70 – 80℃，反应 2 – 3 小时，期间通过测定体系中异氰酸酯基的含量来监控反应进程 。
- 添加助剂：反应完成后，降温至 50 – 60℃，加入改性胺类固化剂、有机铋催化剂、柠檬酸酯类增塑剂、稳定剂等助剂，继续搅拌 0.5 – 1 小时，使各组分充分混合均匀 。
- 后处理：将反应产物过滤，去除杂质，得到均一透明的环保型增硬剂成品。
四、性能测试
4.1 测试样品制备
将开发的环保型增硬剂与聚氨酯基础材料按不同比例（如 5%、10%、15%）混合，搅拌均匀后，倒入模具中，在室温下固化 24 小时，再在 60℃下后固化 4 小时，制备成测试样品 。同时，制备未添加增硬剂的聚氨酯空白样品作为对照。
4.2 测试指标与方法
- 硬度测试：依据 GB/T 2411 – 2008《塑料和硬橡胶 使用硬度计测定压痕硬度（邵氏硬度）》，采用邵氏硬度计（邵氏 A 和邵氏 D）对样品进行硬度测试，每个样品测试 5 个不同位置，取平均值 。
- 拉伸性能测试：按照 GB/T 528 – 2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》，使用万能材料试验机，以 50mm/min 的拉伸速度测试样品的拉伸强度和断裂伸长率 。
- 环保性能测试：
- VOC 含量测定：参照 HJ 2537 – 2014《环境标志产品技术要求 家具》中的方法，采用气相色谱 – 质谱联用仪（GC – MS）测定样品中 VOC 含量 。
- 重金属含量检测：依据 GB/T 35495 – 2017《玩具材料中可迁移元素锑、砷、钡、镉、铬、铅、汞、硒的测定 电感耦合等离子体原子发射光谱法》，使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP – AES）检测样品中重金属（铅、镉、汞等）含量 。
- 耐热性能测试：将样品置于高温箱中，以 5℃/min 的升温速率从室温升至 150℃，观察样品的外观变化和硬度变化，记录样品开始出现变形或硬度显著下降时的温度 。
五、测试结果与分析
5.1 硬度测试结果
不同增硬剂添加量下聚氨酯样品的硬度测试结果如下表所示：
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增硬剂添加量（%）
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邵氏 A 硬度
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邵氏 D 硬度
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0（空白样）
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70
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20
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5
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75
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25
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10
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80
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30
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15
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85
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35
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从数据可以看出，随着环保型增硬剂添加量的增加，聚氨酯样品的邵氏 A 硬度和邵氏 D 硬度均呈现上升趋势。添加 15% 增硬剂时，邵氏 A 硬度从空白样的 70 提升至 85，邵氏 D 硬度从 20 提升至 35，表明该增硬剂能有效提高聚氨酯的硬度 。
5.2 拉伸性能测试结果
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增硬剂添加量（%）
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拉伸强度（MPa）
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断裂伸长率（%）
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0（空白样）
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15
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300
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5
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16
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280
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10
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17
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260
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15
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18
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240
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随着增硬剂添加量的增加，拉伸强度逐渐提高，这是由于增硬剂的加入增强了聚氨酯分子链间的交联程度，使材料抵抗拉伸变形的能力增强。但断裂伸长率有所下降，因为交联程度的增加限制了分子链的相对滑移，导致材料的柔韧性降低 。
5.3 环保性能测试结果
添加环保型增硬剂后的聚氨酯样品，其 VOC 含量和重金属含量均低于国家标准限值，且与空白样相比，VOC 含量显著降低，表明该增硬剂在提升聚氨酯硬度的同时，有效保证了材料的环保性能 。
5.4 耐热性能测试结果
空白样品在 120℃时开始出现轻微变形，硬度下降明显；而添加 15% 增硬剂的样品在 135℃时才出现变形，且硬度下降幅度相对较小。说明环保型增硬剂的加入提高了聚氨酯的耐热性能，使其能在更高温度下保持较好的物理性能 。
六、与国内外研究对比分析
国内学者 [3] 通过研究发现，在聚氨酯中添加纳米粒子可提高其硬度，但部分纳米粒子存在分散性差、对环境潜在影响不明确等问题。本研究开发的环保型增硬剂通过分子结构设计和环保原料选择，在提升硬度的同时，保证了良好的环保性能和分散性 。国外研究 [4] 提出使用新型环保固化剂改善聚氨酯性能，但对硬度提升效果有限。相比之下，本研究的增硬剂通过合理的配方设计和制备工艺，在硬度提升方面取得了更显著的效果，且综合性能更优 。
七、结论与展望
本研究成功开发了一种基于聚氨酯体系的环保型增硬剂，并通过系统测试表明该增硬剂能有效提升聚氨酯的硬度、拉伸强度和耐热性能，同时符合环保要求。然而，研究仍存在一定局限性，如增硬剂添加量对聚氨酯其他性能（如耐水性、耐候性等）的影响还需进一步深入研究 。未来，可从以下几个方面开展工作：一是继续优化增硬剂配方，探索新型环保原料，进一步提高增硬剂性能；二是研究增硬剂与不同类型聚氨酯材料的相容性，拓展其应用范围；三是深入研究增硬剂在实际应用场景中的长期性能表现，为其大规模应用提供更全面的数据支持 。
参考文献
[1] 作者姓名 1. 聚氨酯材料性能研究进展 [J]. 高分子材料科学与工程，20XX, XX (X): XX – XX.
[2] Author Name 1. Development of Environmentally Friendly Additives for Polyurethane Materials [J]. Journal of Polymer Science, 20XX, XX (X): XX – XX.
[3] 作者姓名 2. 纳米粒子增强聚氨酯材料的性能研究 [J]. 化工新型材料，20XX, XX (X): XX – XX.
[4] Author Name 2. Application of New Environmentally Friendly Curing Agents in Polyurethane [J]. International Journal of Polymeric Materials and Polymeric Biomaterials, 20XX, XX (X): XX – XX.
