新型无氯氟聚氨酯化学发泡剂

生活中经常可以看到各种各样的塑料泡沫材料，比如瑜伽垫、海绵、汽车坐垫和管道的保温材料耳等，形形色色的泡沫材料为人们的生活带来了许多的便利，那这些泡沫材料都是如何制造的，这就要必须提到一个关键——发泡剂。

1. 发泡工艺

以聚氨酯泡沫塑料为例，其发泡工艺可以分为预聚体法、半预聚体法和一步发泡法三种[1][2]。

预聚体法：首先将聚醚多元醇（白料）和二异氰酸酯（黑料）制备成预聚体，在上述混合物种继续加入水、催化剂、活性剂，在剧烈搅拌条件下进行混合、发泡，待固化、熟化即可。

半预聚体法：将部分白料、黑料预先混合为预聚体，在混合物种继续加入聚醚或聚醚多元醇，再将水、催化剂、活性剂加入，同样在剧烈搅拌条件下进行发泡。

一步发泡法：将白料、黑料、水、催化剂、活性剂、发泡剂等同时加入反应体系，在剧烈搅拌条件下进行发泡。聚氨酯发泡可以采用一步发泡法，在常温下进行。

图1 聚氨酯泡沫材料（图源自网络）

2. 发泡剂

聚氨酯泡沫材料的生产过程中会使用许多的氟氯烃类发泡剂。各国先后开发了四代聚氨酯发泡剂：第一代是氟利昂系列产品；第二代是141B产品（二氯一氟乙烷）；第三代是以HFC-245FA（五氟丙烷）和HFC-365MFC（五氟丁烷）为代表的发泡剂；第四代主要是LBA系列产品（1-氯-3,3,3-三氟丙烯）。这些发泡剂中均含有氯氟等元素，其生产、应用过程会产生严重的空气污染，可以说是气候变化问题的重要推手。这些产品不仅破坏大气臭氧层，还会产生大量的温室气体，给人类的生存环境带来严重的破坏。

图2 几种不同品牌的发泡剂（图源自网络）

根据《蒙特利尔议定书》公约，世界各国已经禁止氟利昂的使用；第二代和第三代发泡剂也正在被逐渐禁止使用；作为发展中国家，中国承诺在2030年也完全禁止使用第三代发泡剂。因此，寻找新型替代产品迫在眉睫。就在世界各国聚氨酯产业陷入物理发泡剂“怪圈”无法自拔的时候，我国成功打破封锁，开发了无氯氟化学发泡剂。其不含氯氟元素，可以完全替代现有含氯氟烃的物理发泡剂[3]。

3. 新型无氯氟聚氨酯化学发泡剂

由山东理工大学毕玉遂教授发明的CFA8新型无氯氟聚氨酯化学发泡剂是目前世界上除水以外，唯一一种可与异氰酸酯反应放出二氧化碳气体并用于聚氨酯发泡的一种新物质，该系列发泡剂包含上千种能够用于聚氨酯化学发泡和其他重要用途的新物质，已有多个化合物获得美国化学会颁发的新物质注册号[4]。聚氨酯化学发泡剂的研发成功是巨大的理论创新和技术创新，被国家知识产权局定性为“革命性、颠覆性的技术发明”。其具有绿色环保、温室气体减排、深冷保温、节能优越和科技领先的特点[5]。

图3 新型聚氨酯化学发泡剂墙体喷涂（图源自网络）

绿色环保

聚氨酯化学发泡剂ODP（臭氧消耗潜值）为0，GWP（全球变暖潜值）为0，产品本身和生产过程均不涉及卤素等有害元素，有效保护地球臭氧层。产品绿色、清洁、环保，可替代所有含氯氟烃的物理发泡剂满足使用要求，各项指标符合我国和欧美各国的相关标准要求。

温室气体减排

使用新型无氟氯发泡剂1吨，只有不到1吨二氧化碳的排放。如果实现该发泡剂在全球的推广应用，每年将淘汰大约50万吨氯氟烃的生产和使用，可减少50万吨VOC排放，减少几十亿吨当量二氧化碳排放，保护大气臭氧层，减少温室气体排放。

深冷保温

聚氨酯化学发泡剂制得的泡沫在低温或在极寒条件下（零下160℃）测得的导热系数为0.010 w/m·k，而目前最好的物理发泡剂的导热系数为0.012 w/m·k，低近20%，用于液化天然气和LNG运输，可大大降低能源消耗。

节能优越

聚氨酯化学发泡剂的使用可以有效地降低泡沫的导热系数，改善泡沫的导热性能，生产出耗电最少的冰箱、热水器等电气设备，建造出节能最佳的建筑物。与使用水+141b作为发泡剂相比，使用CFA8+141b后，材料的导热系数由0.02567 W （m K）-1降低为0.02352 W （m K）-1[6]。

新型发泡剂性能及发泡展示

为了直观展现新型发泡剂与之前物理发泡剂的性能参数，将各发泡剂的性能统计如下。

表1 现有发泡剂主要性能（来自网络）

从上表可以看到，与其他发泡剂相比，CFA8的臭氧消耗潜值（ODP）为0；全球变暖潜值（GWP）为1，远远低于其他类型的发泡剂，对降低二氧化碳的排放有着明显的优势；同时，其导热系数和其他发泡剂类似；更重要的是，新型发泡剂不会存在难以消除的问题，大大改善了空气环境。

图4 利用新型化学发泡剂进行发泡（图源自网络）

利用新型发泡剂进行发泡过程中，CFA8与异氰酸酯反应，产生大量的二氧化碳气体，填充在预聚体（或半预聚体）中，形成大量的泡沫结构；与水参与的造泡反应相比，CFA8在和异氰酸酯放出CO2的同时，还会形成大量的交联结构，形成许多的聚合物，可以增强泡沫结构的力学性能。图4为利用CFA8进行发泡。

4. 总结

气候问题已经引起广泛的关注，CFA8新型发泡剂的研发，标志着我国在完成气候约定承诺的路上向前推进了一大步。新型发泡剂改变了我国高端发泡剂需要进口的局面，极大的改善了我国发泡剂领域所面对的困境，提升了我国在发泡剂领域的话语权。同时，新型发泡剂对于环境的保护，远远超出前面提到的四类发泡剂，对于保护环境、减少温室气体排放有极为重要的意义。