伍菁林

依合斯電梯配件（上海）有限公司（上海 201800）

聚氨酯（PU）是指主鏈中含有氨基甲酸酯基團(tuán)單元的聚合物，一般是由異氰酸酯（—NCO）和多元醇經(jīng)過逐步加聚反應(yīng)生成。其合成最早可以追溯到1937年，拜爾教授以1，6-己二異氰酸酯與1，4-丁二醇為原料，最先合成了直鏈線性聚氨酯樹脂[1]。聚氨酯力學(xué)性能優(yōu)良，具有優(yōu)良的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、耐磨性和耐疲勞性能，在建材、家具家電、汽車、服裝鞋業(yè)等各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用。聚氨酯主要應(yīng)用形式為發(fā)泡材料、涂料和膠水等，而本文研究的是采用熱塑性彈性體取代橡膠的應(yīng)用。最接近現(xiàn)代的自動(dòng)扶梯，最早由喬治·惠勒于1896年發(fā)明并申請(qǐng)了專利，至今已有100多年的歷史[2]。但自動(dòng)扶梯的扶手帶市場(chǎng)一直由橡膠、鋼絲和帆布經(jīng)過傳統(tǒng)的橡膠模壓成型工藝制成的橡膠扶手帶占據(jù)，其截面示意圖如圖1所示。直到1999年，加拿大的羅納德·H·鮑爾才發(fā)明了由聚氨酯取代橡膠，采用熱塑性聚氨酯彈性體（TPU）經(jīng)擠塑工藝成型的聚氨酯扶手帶。發(fā)明之初，聚氨酯扶手帶是在加拿大擠出生產(chǎn)，進(jìn)口到中國(guó)市場(chǎng)，完成拼接后銷售；2012年聚氨酯扶手帶擠出生產(chǎn)線在中國(guó)上海投產(chǎn)。目前扶梯行業(yè)的扶手帶主要是橡膠扶手帶，一些主流品牌廠商的原裝配套扶手帶采用相當(dāng)份額的新型聚氨酯扶手帶，其他廠商的原裝扶手帶和維保替換市場(chǎng)還是以橡膠扶手帶為主。

圖1 扶手帶截面示意圖

1 聚氨酯扶手帶的特點(diǎn)

橡膠工業(yè)和塑料工業(yè)在原理上同屬于高分子科學(xué)范疇，但實(shí)際加工工藝和制品特點(diǎn)有較大差異。下面從成型工藝和制品的外觀尺寸、理化性能、產(chǎn)品壽命幾個(gè)方面并貫穿對(duì)實(shí)際使用的影響來(lái)分析比較聚氨酯扶手帶與傳統(tǒng)橡膠扶手帶的特點(diǎn)。

1.1 成型工藝

傳統(tǒng)的橡膠扶手帶采用模壓硫化成型工藝，需要先將橡膠原料經(jīng)過輥輪機(jī)的輥壓剪切塑煉使其分子鏈展開（以便于后續(xù)與其他組分混合），然后按配方與各組分添加劑按比例混合，經(jīng)過輥輪機(jī)進(jìn)行混煉，使各組分混合均勻，再將外層橡膠、內(nèi)層橡膠和鋼絲覆蓋膠帶分別擠出預(yù)成型，最后將帆布、內(nèi)層橡膠、鋼絲覆膠帶和外層橡膠依次放入模壓機(jī)的模具內(nèi)加熱，加壓保壓一定時(shí)間使其硫化并成型（一次成型的產(chǎn)品長(zhǎng)度受限于模具長(zhǎng)度），然后不斷模壓，最終制成環(huán)形扶手帶成品。聚氨酯扶手帶采用擠塑成型工藝：將干燥后熱塑性彈性體聚氨酯顆粒料和色母粒喂入擠出機(jī)，與鋼絲層、帆布共同擠出，一次擠出成型聚氨酯扶手帶。擠出是連續(xù)生產(chǎn)工藝，可以一次擠出很長(zhǎng)的扶手帶包裝在滾輪上，然后按需要的長(zhǎng)度切割，將兩端切開處理，并一起放入模壓機(jī)上的模具內(nèi)，加熱融化成型后冷卻出模即可得到環(huán)狀扶手帶成品。一根扶手帶成品只需要模壓一次，并且不需要保壓時(shí)間來(lái)硫化，只要融化成型即可。因此，聚氨酯扶手帶擠塑成型工藝具有效率高、工時(shí)少、能耗少且穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 尺寸外觀

橡膠扶手帶是分段多次模壓成型，由于模具內(nèi)各部分加工精度和磨損程度不同，會(huì)導(dǎo)致尺寸不穩(wěn)定，以及周期性變化；多次拼接也會(huì)導(dǎo)致扶手帶直線度不佳，可能會(huì)呈現(xiàn)“Z”型。擠出生產(chǎn)工藝是一個(gè)口模連續(xù)生產(chǎn)，因此聚氨酯扶手帶具有更好的尺寸穩(wěn)定性、更好的直線度等尺寸性能。外觀方面：橡膠在混煉時(shí)按配方加入了各組分，諸多組分很難完全達(dá)到均相穩(wěn)定分布的狀態(tài)，在后續(xù)使用過程中，容易產(chǎn)生混合組分析出導(dǎo)致外表面污染的現(xiàn)象；而聚氨酯扶手帶的熱塑性彈性體聚氨酯顆粒料組分比橡膠少，不含硫化體系、補(bǔ)強(qiáng)填充體系等，因此外表面低析出，更加清潔美觀。電梯扶手帶在扶梯中是唯一與人皮膚接觸的產(chǎn)品，扶手帶不僅是承載扶手的功能件，也是扶梯呈現(xiàn)在外部的外觀件，因此聚氨酯扶手帶更加符合扶梯的需求。

1.3 理化性能

聚氨酯力學(xué)性能優(yōu)良，熱塑性彈性體的拉伸強(qiáng)度大約為25～40 MPa，是橡膠的2～3倍。聚氨酯的斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)500%～900%，也高于大部分橡膠。橡膠分子鏈結(jié)構(gòu)大都含有共軛雙鍵，能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)使分子具有一定的柔性，宏觀上表現(xiàn)出高彈性，經(jīng)過開鍵硫化后分子鏈呈交聯(lián)狀態(tài)，使得硫化后的橡膠呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分子鏈結(jié)構(gòu)，但雙鍵不夠穩(wěn)定，容易因紫外線、臭氧等氧化老化而開裂，因此橡膠配方中需加入防老劑體系使其具備一定的抗紫外線和抗臭氧能力。聚氨酯由異氰酸酯形成的硬相和聚酯或聚醚多元醇形成的軟相組成，硬相之間由于氫鍵、結(jié)晶結(jié)合在一起形成節(jié)點(diǎn)從而具有類似橡膠的網(wǎng)絡(luò)大分子的彈性結(jié)構(gòu)[3]，因此熱塑性聚氨酯材料可以保持高性能直接回收再利用；而橡膠需要去除硫化的化學(xué)鍵再生之后才可以使用，并且再生料的性能會(huì)大幅度下降。聚氨酯分子鏈中不含C C雙鍵，因此其抗紫外線和抗臭氧能力比橡膠更好，但是其中的酯基和氨基甲酸酯可以與水反應(yīng)水解生成羧酸和醇，并且氫鍵的鍵能也不如橡膠硫化的化學(xué)鍵鍵能大，所以聚氨酯的耐溶劑和抗水解能力不如橡膠。這些性能差異體現(xiàn)在實(shí)際應(yīng)用中：聚氨酯扶手帶的清潔維護(hù)需要采用廠家推薦的專用低腐蝕清潔劑，并且室外型聚氨酯扶手帶中需添加抗水解劑以滿足室外應(yīng)用需求。

1.4 使用壽命

雖然聚氨酯分子鏈間沒有化學(xué)交聯(lián)，但是聚氨酯彈性體力學(xué)性能依然非常優(yōu)良，不但具有橡膠的高彈特性，且耐磨性能非常優(yōu)秀。與天然橡膠相比，聚氨酯的耐磨性要高2～10倍，因此聚氨酯又被稱為“耐磨橡膠”[4]，是高能耗、高污染的橡膠的理想替代品。所以，單從使用磨損角度來(lái)講，聚氨酯扶手帶的壽命要高于橡膠扶手帶。實(shí)際上，聚氨酯扶手帶設(shè)計(jì)的壽命測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與橡膠扶手帶一樣，即經(jīng)過190萬(wàn)組正反彎曲無(wú)開裂無(wú)破損，折合實(shí)際使用壽命約8年。實(shí)際使用過程中，只有部分扶手帶在完全按照安裝維保手冊(cè)來(lái)安裝和維護(hù)保養(yǎng)的基礎(chǔ)上，壽命達(dá)到8年，大部分都會(huì)由于安裝錯(cuò)誤、保養(yǎng)不當(dāng)以及高溫環(huán)境等原因難以達(dá)到8年[5]。此外，橡膠扶手帶的失效模式還有紫外線老化和臭氧老化，而聚氨酯扶手帶還有酸雨腐蝕和清洗劑不當(dāng)?shù)氖Ｊ?，?shí)際正常使用壽命為5～8年，極端情況下，也有3～4年就開始老化開裂的。聚氨酯扶手帶失效模式與橡膠扶手帶稍有不同，但在使用壽命上，二者設(shè)計(jì)壽命相同；實(shí)際使用中，由于使用條件不同，個(gè)體差異較大，可以認(rèn)為二者實(shí)際壽命也基本相同。

綜上所述，跟傳統(tǒng)的橡膠扶手帶相比，聚氨酯扶手帶具有生產(chǎn)效率高、能耗低、尺寸穩(wěn)定、更美觀、良好的抗紫外線和耐臭氧性能等優(yōu)點(diǎn)，但其耐溶劑和抗水解能力不如橡膠扶手帶。

2 聚氨酯扶手帶的應(yīng)用現(xiàn)狀

扶梯從發(fā)明到現(xiàn)在，已經(jīng)有100多年的歷史，而聚氨酯扶手帶自問世以來(lái)，只有20余年的發(fā)展。目前扶梯行業(yè)中，就市場(chǎng)份額來(lái)說(shuō)，以橡膠扶手帶為主。扶梯一線主機(jī)廠的原裝扶手帶中，聚氨酯和橡膠扶手帶占比約為1∶2。其他主機(jī)廠和維保更換市場(chǎng)，由于技術(shù)壁壘，絕大部分是橡膠扶手帶，只有少部分聚氨酯扶手帶，且其質(zhì)量水平還不能達(dá)到要求，依然處于技術(shù)攻關(guān)時(shí)期。但是聚氨酯扶手帶的發(fā)展也取得了較好的勢(shì)頭，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 高端市場(chǎng)

雖然聚氨酯扶手帶成型工藝和效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于橡膠扶手帶，但是，聚氨酯材料約30 000～40 000元/t，而橡膠扶手帶中應(yīng)用的丁腈橡膠、三元乙丙橡膠等，其混配料價(jià)格大都在20 000元/t左右；從終端售價(jià)來(lái)看，聚氨酯扶手帶并沒有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，甚至高于橡膠扶手帶。在實(shí)際應(yīng)用中，聚氨酯扶手帶仍然憑借更好的綜合性能和新型產(chǎn)品的技術(shù)壁壘占據(jù)了高端市場(chǎng)，主流主機(jī)廠均采用了聚氨酯扶手帶，如2010年上海世博會(huì)中國(guó)館的扶梯就采用了聚氨酯扶手帶。此外，聚氨酯扶手帶還獲得2019年度上?？萍歼M(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

2.2 彩色扶手帶

隨著人民生活水平的提高，對(duì)審美和多元化要求也越來(lái)越高，這就要求扶手帶顏色的多樣性發(fā)展。彩色聚氨酯扶手帶只需要將彩色色母粒和聚氨酯顆粒料按比例混合在一起，直接加入擠出機(jī)即可生產(chǎn)；而橡膠扶手帶卻需要在混煉階段就加入色料，后續(xù)預(yù)成型擠出和硫化工序中，都存在很多顏色的半成品，這就增加了橡膠生料的半成品種類，也增加了半成品的報(bào)廢率、庫(kù)存以及其管理等問題。此外，塑料行業(yè)色母粒的多樣性也比橡膠色母粒更加豐富，因此彩色扶手帶大部分以聚氨酯扶手帶為主。聚氨酯扶手帶目前按潘通色卡或勞爾色卡分類，共有70多種顏色，在各大主題公園和一些地鐵站都有所應(yīng)用，如重慶地鐵站就采用彩色聚氨酯扶手帶。

2.3 抗菌扶手帶

自新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，社會(huì)提高了公共衛(wèi)生、防疫、抗菌的意識(shí)和要求，扶手帶作為在公共場(chǎng)合與人體接觸的產(chǎn)品，也面臨著抗菌的市場(chǎng)需求。聚氨酯扶手帶憑借方便高效的工藝優(yōu)勢(shì)，迅速地開發(fā)出了抗菌扶手帶。同彩色扶手帶一樣，只需要在擠出階段加入一定比例的抗菌料共同擠出即可。目前抗菌聚氨酯扶手帶已經(jīng)能夠滿足JIS Z 2801：2010《抗菌加工產(chǎn)品——抗菌試驗(yàn)方法，抗菌效果》中抗菌能力≥2的要求，并且抗菌母粒也符合歐盟頒發(fā)的《關(guān)于限制在電子電氣設(shè)備中使用某些有害成分的指令》（RoHS）和歐盟規(guī)章《化學(xué)品注冊(cè)、評(píng)估、許可和限制》（REACH）的要求，在一些新建的醫(yī)院和高檔商場(chǎng)中都有所應(yīng)用。

3 聚氨酯扶手帶發(fā)展展望

在工業(yè)品門類中，聚氨酯扶手帶相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較年輕的產(chǎn)品，面對(duì)廣大的扶梯和維護(hù)保養(yǎng)的市場(chǎng)需求，聚氨酯扶手帶還有廣闊的發(fā)展空間。但是，聚氨酯材料成本高，導(dǎo)致聚氨酯扶手帶售價(jià)較高，無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)大市場(chǎng)份額，因此未來(lái)聚氨酯扶手帶可以向發(fā)泡型、應(yīng)用回收料等方向發(fā)展來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格，從而占據(jù)更多的市場(chǎng)份額。其中有待解決的課題是，如何控制發(fā)泡工藝使其不降低材料力學(xué)性能和疲勞壽命，以及如何將報(bào)廢扶手帶的鋼絲、帆布、TPU低成本并且高效地分開。

國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策由數(shù)量向質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)提出了更高的環(huán)保和消防安全的要求，聚氨酯扶手帶加工過程低能耗、低污染，并且聚氨酯可水解降解，相比橡膠扶手帶的高能耗、高污染和難降解，更加符合環(huán)保政策要求。關(guān)于耐燃燒性能，聚氨酯分子鏈中的氨基有較強(qiáng)的吸電子效應(yīng)，聚氨酯彈性體易燃程度比聚烯烴要低，但仍屬于易燃類別，又由于熱塑性聚氨酯高溫時(shí)會(huì)呈熔融狀態(tài)，所以在GB/T 10707—2008《橡膠燃燒性能的測(cè)定》中的垂直燃燒等級(jí)測(cè)試中，熱塑性聚氨酯會(huì)融化滴落導(dǎo)致火源轉(zhuǎn)移，耐燃燒性能檢測(cè)結(jié)果僅為FV-2。因此，阻燃聚氨酯扶手帶也是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，其阻燃改性方法有兩種：一是加入合適的阻燃劑進(jìn)一步提高材料的阻燃能力，如將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的新型磷-氮型阻燃劑應(yīng)用到聚氨酯中，聚氨酯的氧指數(shù)可達(dá)27.5%，阻燃性能達(dá)到難燃級(jí)別，垂直燃燒阻燃級(jí)別為FV-0[6]，但是過高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的阻燃劑可能會(huì)降低聚氨酯材料的力學(xué)性能；二是在聚氨酯擠出時(shí)加入適當(dāng)?shù)慕宦?lián)劑使其交聯(lián)，這樣在高溫燃燒時(shí)可以防止出現(xiàn)聚氨酯融化而滴落燃燒，能夠依靠聚氨酯本身的阻燃能力達(dá)到FV-1級(jí)別。一般交聯(lián)不會(huì)降低材料性能，適當(dāng)?shù)慕宦?lián)還能夠提高聚氨酯材料的力學(xué)性能，但會(huì)使聚氨酯分子鏈交聯(lián)固化后跟橡膠一樣，喪失可直接回收的性能。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，傳統(tǒng)的橡膠扶手帶基本上被定義為高污染、高能耗、勞動(dòng)密集型低端制造業(yè)產(chǎn)品，新型聚氨酯扶手帶則屬于環(huán)保美觀、低能耗、高效率的新技術(shù)產(chǎn)品。從國(guó)家環(huán)保政策和社會(huì)勞動(dòng)力人口下降的形勢(shì)來(lái)看，聚氨酯扶手帶取代橡膠扶手帶是一個(gè)長(zhǎng)期的、必然的趨勢(shì)和過程。目前，聚氨酯扶手帶已經(jīng)取得高端市場(chǎng)、彩色扶手帶、抗菌扶手帶等領(lǐng)域的發(fā)展，但是總體市場(chǎng)份額偏低，還面臨著降低價(jià)格和阻燃改性的發(fā)展需求.需要上下游相關(guān)從業(yè)人員進(jìn)一步努力，提高生產(chǎn)效率和技術(shù)水平，來(lái)滿足新的發(fā)展需求。