近红外光谱在聚合物行业的应用：质量控制和产品筛查的理想工具——第5部分

2021年7月26日

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氨酯的历史

1937年，德国化学家奥托·拜耳Otto Bayer博士 (1902–1982) 发明了我们称之为聚氨酯的多功能塑料。聚氨酯有多种形式，可用于多种产品：涂料、粘合剂、鞋底、床垫和泡沫绝缘材料。尽管它们的特征各不相同，但这些不同形式的潜在化学性质却惊人地相似。

奥托·拜耳（Otto Bayer）博士于1937年发明了聚氨酯。

在第二次世界大战期间，由于当时橡胶价格昂贵且难以获得，聚氨酯作为橡胶的替代品变得流行起来。大约在1950年代，聚氨酯开始用于粘合剂、弹性体、硬质泡沫和柔性缓冲泡沫，正如今使用的这些。如今，很难想象没有聚氨酯的生活，因为您可以随时随地看到它。

聚氨酯是如何产生的？

聚氨酯是通过多元醇（即每个分子中含有两个以上反应活性羟基的醇）与二异氰酸酯或聚异氰酸酯反应形成的，需要时可使用合适的催化剂和添加剂。由于多种二异氰酸酯和多种多元醇均可用于生产聚氨酯，因此可以生产出多种聚氨酯材料以满足不同应用的特定要求。聚氨酯可以多种形式出现，包括硬质泡沫、软质泡沫、特种粘合剂、耐化学涂料、密封剂和弹性体。

图 1. 异氰酸酯、多元醇和聚氨酯的分子结构

聚氨酯的物理和化学性质

聚氨酯的性质高度依赖于它们的生产工艺。当多元醇链（图1）长而柔韧时，成品将柔软而富有弹性。而如果多元醇链交联程度非常高，成品将坚韧而刚硬。聚氨酯的交联结构通常由三维网络组成，这使得其具有非常高的分子量，这种结构也解释了聚合物的热固性，即：聚氨酯在受热时通常不会软化或熔化。

常见的聚氨酯形式之一是泡沫，这种形式是通过在聚氨酯聚合过程中促进二氧化碳气体的产生而生成的。

聚氨酯的物理和化学性质

常见的聚氨酯形式之一是泡沫，这种形式是通过在聚氨酯聚合过程中促进二氧化碳气体的产生而生成的。

聚氨酯的典型应用

聚氨酯主要用于生产泡沫（刚性泡沫和柔性泡沫），其他重要应用和用途如下所示。

低密度软质聚氨酯泡沫广泛用于床垫和汽车座椅。
浴室和厨房海绵通常由聚氨酯制成，还用于座垫和沙发的制造过程。
聚氨酯还用于生产某些服装和室内装潢用的纺织品。
由于其良好的绝缘性能，聚氨酯材料通常用于建筑工程。
聚氨酯模制品也用于柱子和门框。
柔性聚氨酯用于制造一部分弹性的带子。
聚氨酯的低密度弹性体广泛用于制鞋行业。

在表1中，将聚氨酯的各种性质与橡胶、金属和塑料等其他常规材料进行了比较。

**表1. 聚氨酯与橡胶、金属和塑料的比较。**
聚氨酯VS橡胶	聚氨酯VS金属	聚氨酯VS塑料
高耐磨性	轻质	高抗冲击性
高抗切割性和抗撕裂性	降噪	弹性记忆
优越的承重能力	耐磨	耐磨
厚壁模塑件	制造成本更低	降噪
可染色性	耐腐蚀	可变的摩擦系数
耐油性	弹性	弹性
耐臭氧性	抗冲击性	厚壁模塑件
抗辐射性	柔韧性	更低成本的模具
更宽的硬度范围	易于成型	耐低温性
可浇铸性	不导电	耐冷流性
低压模具	无火花	抗辐射性

近红外光谱作为评估聚氨酯质量的工具

30多年来，近红外光谱（NIRS）已成为聚氨酯行业中公认的快速可靠的质量控制方法。尽管如此，许多生产商仍未考虑在其QA或QC实验室中使用近红外光谱。这背后的原因可能是：应用经验有限或对使用新方法的普遍犹豫。

使用近红外光谱比传统分析方法有很多优点，其中的一大优点是：近红外光谱只需30秒即可同时测定多个参数，而且无需样品前处理。近红外光谱使用的无损性光与物质的相互作用，会受到样品物理和化学性质的影响，使其成为测定这两种性质的合适方法。

在本文的剩余部分，简要阐述了聚氨酯的应用，然后是根据《ASTM E1655-17的近红外光谱使用指南》开发的聚氨酯的整体解决方案。

您是否错过了本系列的前几部分？可在此找到。

近红外光谱在聚合物行业的应用：质量控制和产品筛查的理想工具——第1部分

近红外光谱在聚合物行业的应用：质量控制和产品筛查的理想工具——第2部分

近红外光谱在聚合物行业的应用：质量控制和产品筛查的理想工具——第3部分

近红外光谱在聚合物行业的应用：质量控制和产品筛查的理想工具——第4部分

有关近红外光谱作为补充技术的更多详细信息，请阅读我们之前关于该主题的博文。

使用近红外光谱进行的聚氨酯相关应用和参数

在不同类型的聚氨酯生产过程中，通过检查某些参数来保证成品质量是非常重要的。典型参数包括：多元醇中羟值、酸值、水分和颜色；聚氨酯中异氰酸酯含量、（总）酸值和水分含量。本文后面的表2中列出了近红外光谱分析在聚氨酯生产中的相关应用。

在聚氨酯的生产过程中，近红外光谱可以应用在哪些环节？

图2 显示了塑料生产、塑料配混、成型加工到塑料制品的各个生产环节。

图 2. 聚氨酯生产链示意图。

塑料生产商可以轻松使用近红外光谱仪

瑞士万通在聚氨酯分析方面拥有丰富的专业知识，并为此提供了整体解决方案：DS2500近红外聚合物分析仪。该仪器是一种用于测定多元醇和聚氨酯中多个质量参数的即用型解决方案。对于聚氨酯颗粒和零件的分析，推荐使用瑞士万通DS2500近红外光谱固体分析仪。

图 3. 使用瑞士万通DS2500近红外聚合物分析仪进行聚氨酯分析的整体解决方案。

可在我们的免费产品手册中了解更多关于使用瑞士万通DS2500近红外光谱分析仪进行聚合物分析的可能性。

DS2500近红外光谱分析仪——使用近红外光谱提高QC实验室的效率

应用案例：

DS2500近红外聚合物分析仪针对聚氨酯行业的预校准模型和初始模型

使用传统实验室技术测定表2中所列参数是一个漫长且具有挑战性的过程，因为测定这些参数需要多种不同的分析技术，不仅需要大量的时间分析样品，还需要花费时间进行仪器管理和维护。

**表2. 实验室方法vs.近红外光谱测定聚氨酯样品中多个质量参数**
参数	实验室方法	获得结果的时间	相关近红外光谱应用报告	近红外光谱仪的优势
多元醇中羟值	滴定	90分钟样品前处理 + 20分钟滴定	AN-NIR-068 AN-NIR-065 AN-NIR-035 AN-NIR-007	三个参数可在一分钟内同时测得，无需样品前处理，无需任何化学试剂。
PU中异氰酸酯含量	HPLC	20分钟样品前处理 + 20分钟HPLC
水分含量	卡尔费休滴定	25分钟样品前处理 + 5分钟KF滴定

多元醇的预测模型基于大量真实产品光谱，并根据《ASTM E1655 红外多变量定量分析标准实施规程》开发。有关此主题的更多详细信息，可下载免费白皮书。

近红外光谱：根据 ASTM E1655 进行定量分析

想了解有关多元醇预校准模型的更多信息，可下载我们的手册或访问我们的官方网站。

产品手册：多元醇的质量控制——使用近红外光谱预校准模型快速获得结果

多元醇分析的预校准模型

有很多关于近红外光谱的ASTM标准，例如《ASTM D6342 聚氨酯原料标准实施规程：通过近红外光谱测定多元醇的羟值》。以下应用示例表明，在可见光和近红外光谱区域（Vis-NIR）运行的DS2500近红外多元醇分析仪，为测定多元醇中的羟值和聚氨酯中的异氰酸酯含量提供了一种经济高效且快速的解决方案。无需样品前处理或化学品，可见-近红外光谱可在不到一分钟的时间内分析表2中列出的三个质量参数。分析结果如图4和图5所示。