张雪丽，李中培 （杭州科技职业技术学院 城市建设学院，浙江 杭州 311402）

摘要：综述了聚氨酯泡沫材料的制备研究进展及其在市政建筑领域中的应用。选用过量的甲酸溶液与 N,N-二甲基环己胺，并使用极性溶剂配制的封闭凝胶类催化剂制备聚氨酯泡沫材料可以使泡孔更加稳定细腻。将聚氨酯泡沫材料在环氧树脂三防漆及助剂混合溶液中浸泡后除去多余的溶剂，经压缩、洗涤、干燥，得到多孔垫层，固定于路面与超疏水涂层之间，可以改善超疏水涂层的路用性能。采用溶液反应法将聚乙烯亚胺修饰到聚氨酯泡沫表面，然后加入戊二醛作为交联剂，制备聚乙烯亚胺功能化的聚氨酯泡沫吸附材料，可用于市政和工业污水处理。

关键词：聚氨酯；泡沫材料；市政；污水处理

引言

聚氨酯采用多元醇、二异氰酸酯与扩链剂进行反应，是大分子二醇与二异氰酸酯或多异氰酸酯通过氨基甲酸酯键连接形成的。聚氨酯的机械和物理性能很大程度上取决于多元醇和二异氰酸酯的类型。聚氨酯是一种线性嵌段共聚物，由软链段和硬链段组成。软链段的低玻璃化转变温度导致橡胶行为，而硬链段的高玻璃化转变温度导致玻璃态和/或结晶态。添加其他成分（如增塑剂、链转移剂、稳定剂和填料）可以改变聚氨酯的性能，以满足各种应用的材料要求^[1]。聚氨酯泡 沫材料是由聚合物部分构成的固相和气体构成的非连续相组成的固相复合材料。聚氨酯泡沫材料是高度非线性材料，其性能由密度和内部气腔以及分子结构中存在的交联类型决定。聚氨酯泡沫材料的泡孔结构有开孔和闭孔。开孔结构泡沫 中，孔隙相互连通，因此，具有较高的柔韧性、较低的密度、较低的压缩性能、良好的吸音性能和较高的回弹性呈现海绵外观。闭孔结构泡沫中，其孔隙不是相互连通的，与开孔泡沫材料相比，通常具有相对较高的尺寸稳定性、较高的压缩性能和较低的吸湿性。在某些情况下，泡沫可以由闭孔和开孔组合形成，同时具有刚性和柔性的特性^[2]。聚氨酯泡沫材料的压缩应力-应变行为表现出初始线性增加的均匀弹性压缩，随后由于泡孔结构的塌陷而屈服和应力软化。本文综述了聚氨酯泡沫材料的制备研究进展及其在市政建筑领域中的应用。

01、聚氨酯泡沫材料的制备和研究进展

在聚氨酯发泡的化学反应中，同时存在发泡和凝胶两种主要的反应，这两种反应在发泡过程中达到相对平衡才能生产出所需要的制品。美思德（吉林）新材料有限公司^[3]选用过量的甲酸溶液与N,N-二甲基环己胺按质量比（15~25）∶30混 合，使用极性溶剂（如水、乙二醇等）配制具有酸性选择性的封闭凝胶类催化剂。在催化聚醚与多亚甲基多苯基多异氰酸酯反应过程中可以使发泡-凝胶保持平衡，其反应放热可以为物理发泡提供热量汽化。在凝胶过程中，泡孔更加稳定和细腻，避免并泡、破泡的出现。随着聚氨酯泡沫材料用量不断增加，废旧聚氨酯泡沫材料的回收利用广为关注。万华化学集团股份有限公司^[4]提供一种利用废旧硬质聚氨酯泡沫制备再生聚醚多元醇的方法。先通过预处理提纯得到精制硬质聚氨酯泡沫，然后利用溶解剂（如乙二醇）及催化剂（如有机碱改性的TS-1钛硅分子筛）将其溶解，脱除部分溶解剂后，使用环氧乙烷对溶解产物改性，使用甲酸中和，经脱水得到再生聚醚多元醇。该再生聚醚多元醇中有效成分占比高，残留溶解剂、催化剂含量和胺类副产物含量较低，使用该再生聚醚多元醇为原料，发泡成型后得到的硬质聚氨酯泡沫材料具有优异的压缩强度和隔热性能。

02、聚氨酯泡沫材料在市政建筑领域的应用

2.1 市政道路用聚氨酯泡沫材料

冰与路面的黏结降低了路面的抗滑性能，导致严重的交通事故，降雪冻雨等恶劣的气象条件可使事故发生率及伤亡率分别提高84％，75％。针对冬季路面积雪结冰现象，南京林业大学^[5]提供了一种路面超疏水抑冰涂层用垫层的制备方法。将厚度为1.5~3.0 cm的聚氨酯泡沫材料在环氧树脂三防漆、固化剂与稀释剂（质量比5∶1∶20）的混合溶液中浸泡5~10 min，浸泡结束后挤压去除多余的混合溶液，然后在20.00 MPa的压力下压缩成紧凑的软垫层；软垫层在全氟癸基三氯硅烷的正己烷溶液中浸泡10 min，取出后用正己烷洗涤，干燥后得到疏水无填充软垫层；将疏水无填充软垫层置于混合充分的乙醇、二氧化钛和全氟辛基三乙氧基硅烷溶液中，于0.08 MPa放置10~15 min，干燥后得到纳米颗粒填充的连续多孔垫层；之后通过压花技术在垫层上制造倒金字塔结构，最终得到表面具备金字塔结构的纳米颗粒填充的连续多孔垫层。该连续多孔垫层固定于路面与超疏水涂层之间，可以提高疏水涂层的抑冰效果，增加超疏水涂层与基质之间的黏附力，改善超疏水涂层的路用性能。

市政道路的噪声污染严重影响人们的生活。在道路铺设中采用吸声降噪材料是降低噪声的重要手段。洛阳尖端技术研究院^[6]提供了一种改性聚氨酯泡沫吸声材料的制备方法。将100.0 phr 聚醚多元醇、0.2 phr有机锡催化剂、4.0 phr水、1.0 phr硅油、2.0 phr三乙醇胺、50.0 phr环氧树脂充分混合均匀后制备聚氨酯A料。将40.0 phr微米、纳米级蛭石加入到聚氨酯A料后迅速加入106.0 phr 的多苯基多亚甲基异氰 酸酯并搅拌，待反应开始放热、黏度快速增加，停止搅拌并注入模具常温常压发泡，得到聚氨酯泡沫吸声材料。该材料在频率125~2 000 Hz的平均吸声系数可达0.5以上，密度为50 kg/cm³，压缩强度为1.3 MPa，可用于市政道路铺设降低噪音。

现有的公路桥混凝土桥墩抗冲击与消能性能差，需要加装防撞装置。北京市政建设集团有限责任公司^[7]公开了一种基于纤维增强复合材料聚氨酯泡沫材料填充蜂窝状橡胶混凝土的桥墩防撞构件。该桥墩防撞构件包括纤维增强复合材料套筒、聚氨酯泡沫材料层及橡胶混凝土层三重结构，与桥墩采用一体成型施工技术，设置在桥墩与路面连接处。在受到冲击时可将撞击能量分散在三重结构蜂窝缓冲层的轴向，对车辆和桥梁下部结构进行双重保护。

2.2 市政污水处理用聚氨酯泡沫材料

聚氨酯泡沫材料具有孔隙度高、比表面积大、稳定性高等特点，其分子中含有羰基、亚胺基等极性基团，可以通过范德华力或氢键实现对金属离子、有机染料等的有效吸附。鲁东大学^[8]提供了一种聚氨酯泡沫吸附材料的制备方法，可作为废水处理的吸附材料。采用溶液反应法将聚乙烯亚胺修饰到泡沫表面，然后加入戊二醛作为交联剂，制备了聚乙烯亚胺功能化的聚氨酯泡沫吸附材料，该材料对废水中铅离子、甲基橙、茜素红、亚甲基蓝最大吸附量分别为41.9，128.3， 164.0，280.0 mg/g。其解吸附率为99%，可以重复利用，能够吸附分离污水中的重金属离子和染料，可用于市政和工业污水处理。

可自发沉水的聚氨酯泡沫材料利用其疏松开孔的结构过滤杂质，可同时除菌、除废气、除重金属离子等，主要用于污水处理等。长华化学科技股份有限公司^[9]制备了一种可自发沉水的聚氨酯泡沫材料。首先制备相对分子质量为800的粗 醚：向2 L反应釜中投入184 g丙三醇和4 g KOH，氮气置换至氧气体积分数低于5×10^-5，升至115 ℃，然后抽真空至-0.09 MPa，保持2 h。加入环氧乙烷 778.8 g、环氧丙烷637.2 g，于115 ℃反应4 h，抽真空至-0.09 MPa，降至80 ℃转移至后处理釜中，得到相对分子质量为800的粗醚。制备聚醚多元醇A：于反应釜中加入160.00 g粗醚和2.86 g KOH，氮气置换至氧气体积分数低于5×10^-5，升至115 ℃，然后抽真空至-0.09 MPa，保持2 h。加入环氧乙烷 556.6 g，环氧丙烷455.4 g，在115 ℃条件下反应 4 h，然后抽真空至-0.09 MPa，降至80 ℃后转移至后处理釜中精制过滤后得到聚醚多元醇A，其羟基值为28.7 mg/g，氧乙烯基含量为55％（w）。制备聚醚多元醇B：于反应釜中加入1 136 g丙三醇和 25 g KOH，氮气置换至氧气体积分数低于5×10^-5 ， 升至115 ℃，然后抽真空至-0.09 MPa，保持2 h。于反应釜中投入环氧乙烷7 565 g，环氧丙烷1 335 g， 在115 ℃条件下反应4 h，抽真空至-0.09 MPa，降 至80 ℃后转移至后处理釜中精制过滤得到聚醚多元醇B，其羟基值为207.6 mg/g，氧乙烯基含量为85％（w）。制备可自发沉水聚氨酯泡沫材料：先制备组分A，加入60.00 phr聚醚多元醇A，16.00 phr聚醚多元醇B，14.00 phr牌号CHE-5602的聚醚多元醇D，10.00 phr牌号CHP-2045的聚合物多 元醇E，2.80 phr水，0.30 phr四亚甲基二亚丙基三胺，0.05 phr辛酸亚锡，0.06 phr N,N,N-三甲基-N- 羟乙基-二氨基己醚，0.60 phr有机硅泡沫稳定剂 NIAX L-618，于22~24 ℃均匀搅拌得到组分A；组分B为牌号Desmodur 3133的二苯基甲烷二异氰酸酯改性体。将组分A、组分B混合搅拌，其中，组分A中的活泼氢基团与组分B中的异氰酸酯基团摩尔比为90，以2 000~3 000 r/min搅拌5 s后倒入铺有聚乙烯薄膜的模具中熟化40 h，得到可自发沉水的聚氨酯泡沫材料。其密度40 kg/m³，开孔率 98.2%，透气速率278 L/min，拉伸强度169 kPa，伸长率207%，撕裂强度2.61 N/cm，50%永久压缩变形率5.7%。该聚氨酯泡沫材料可自发沉入水中，具有较好的通气性能和较低的永久压缩变形率，可用于市政污水处理吸附细菌、废气等。

2.3 市政建筑用聚氨酯泡沫材料

聚氨酯泡沫材料普遍在建筑物中使用，尤其是硬质聚氨酯泡沫材料可用于建筑保温隔热板，包括墙壁、屋顶隔热及作为门窗周围空间的填充物。硬质聚氨酯泡沫材料坚固、密度低、尺寸稳定、气密防潮、蒸汽透过率低。聚氨酯与各种基材具有很强的黏合力，可制成不需要额外黏合剂的自支撑产品。一些硬质聚氨酯泡沫材料在现场可使用喷涂、浇注等简单技术来覆盖不规则形状并密封间隙。聚氨酯泡沫材料在高温环境中也能发挥良好作用，并可防止冷凝造成的湿气损坏。

浙江忆赫新材料有限公司^[10]公开了一种聚氨酯发泡复合保温板的制备方法，先在底模板上淋第一层厚度11 mm、过氧化氢含量占3.0％（w）的延迟发泡的聚氨酯发泡料，并在上侧铺设第一层粒径1~6 mm、厚度10 mm膨胀珍珠岩颗粒，之上淋第二层厚度11 mm、过氧化氢含量2.7％（w）的延迟发泡的聚氨酯发泡料，之上铺设第二层厚度为10 mm膨胀珍珠岩颗粒。如此铺设6层，其中，聚氨酯发泡料中过氧化氢含量分别占2.4％，2.1％，1.8％，1.5％（w）。在第6层延迟发泡的聚氨酯发泡料上依次放置水泥纸、压板，并保持压板固定不动，6 min后取下水泥纸、压板和底模板，得到50 mm厚聚氨酯发泡复合保温板。其导热系数为0.05 W/（m·K），抗拉强度为0.15 MPa，防火性能为A2 级，可用于建筑物保温。扬州工业职业技术学院^[11]提供了一种水泥基聚氨酯复合保温板的制备方法。原料组成为聚氨酯胶黏剂15.00 phr、硅酸盐水泥25.00 phr、纳米膨润土5.00 phr、减水剂0.60 phr、硅烷偶联剂0.10 phr、改性纤维素0.30 phr、双氧水发泡剂0.10 phr、粉煤灰6.00 phr和水20.00 phr。制备的保温板导热系数为0.021 W/（m·K），防火性能A级，抗压强度0.52 MPa，抗冲击强度≥ 3 J，该保温板在25次冻融后的质量损失为2.2%，抗压强度变化率7.5%，耐寒抗冻性可用于建筑保温。

聚氨酯砂浆作为新型防水建筑材料，具有能耗低、养护速度快、人工成本低等优点。砂浆中采用聚氨酯作为骨料更具柔韧性和疏水性。Gadea 等^[12]测试了再生聚氨酯泡沫材料制成的轻质砂浆的性能。采用磨碎的硬质聚氨酯泡沫材料颗粒 （粒径小于4 mm）作为骨料替代品，通过不同比例的再生聚氨酯替代骨料来改变混合剂量，同时优化水量以获得良好的和易性。轻质砂浆采用传统方式制造，在新鲜和硬化状态下进行测试。结果表明，当使用聚氨酯代替沙子时，砂浆的和易性时间显著增加，渗透性增加了5.5倍。使用聚氨酯能够重复利用，减少对环境的影响。

03、结语

聚氨酯泡沫材料用于市政道路可以增加超疏水涂层与基质之间的黏附力，改善超疏水涂层的路用性能。聚氨酯泡沫材料用于道路铺设中可以降低噪声，还可以用于公路桥墩的防撞装置。聚氨酯泡沫材料用于市政污水处理，可以吸附废水中的金属离子、有机染料以及细菌。聚氨酯泡沫材料用于市政建筑可以保温隔热。使用再生聚氨酯泡沫材料替代砂浆骨料，砂浆的和易性和渗透性均有增加，重复使用聚氨酯泡沫材料可以减少对环境的影响。

来源：《合成树脂及塑料》，2024，41（6）：75