伍菁林

依合斯电梯配件（上海）有限公司（上海 201800）

聚氨酯（PU）是指主链中含有氨基甲酸酯基团单元的聚合物，一般是由异氰酸酯（—NCO）和多元醇经过逐步加聚反应生成。其合成最早可以追溯到1937年，拜尔教授以1，6-己二异氰酸酯与1，4-丁二醇为原料，最先合成了直链线性聚氨酯树脂[1]。聚氨酯力学性能优良，具有优良的拉伸强度、断裂伸长率、耐磨性和耐疲劳性能，在建材、家具家电、汽车、服装鞋业等各行各业都有着广泛的应用。聚氨酯主要应用形式为发泡材料、涂料和胶水等，而本文研究的是采用热塑性弹性体取代橡胶的应用。最接近现代的自动扶梯，最早由乔治·惠勒于1896年发明并申请了专利，至今已有100多年的历史[2]。但自动扶梯的扶手带市场一直由橡胶、钢丝和帆布经过传统的橡胶模压成型工艺制成的橡胶扶手带占据，其截面示意图如图1所示。直到1999年，加拿大的罗纳德·H·鲍尔才发明了由聚氨酯取代橡胶，采用热塑性聚氨酯弹性体（TPU）经挤塑工艺成型的聚氨酯扶手带。发明之初，聚氨酯扶手带是在加拿大挤出生产，进口到中国市场，完成拼接后销售；2012年聚氨酯扶手带挤出生产线在中国上海投产。目前扶梯行业的扶手带主要是橡胶扶手带，一些主流品牌厂商的原装配套扶手带采用相当份额的新型聚氨酯扶手带，其他厂商的原装扶手带和维保替换市场还是以橡胶扶手带为主。

图1 扶手带截面示意图

1 聚氨酯扶手带的特点

橡胶工业和塑料工业在原理上同属于高分子科学范畴，但实际加工工艺和制品特点有较大差异。下面从成型工艺和制品的外观尺寸、理化性能、产品寿命几个方面并贯穿对实际使用的影响来分析比较聚氨酯扶手带与传统橡胶扶手带的特点。

1.1 成型工艺

传统的橡胶扶手带采用模压硫化成型工艺，需要先将橡胶原料经过辊轮机的辊压剪切塑炼使其分子链展开（以便于后续与其他组分混合），然后按配方与各组分添加剂按比例混合，经过辊轮机进行混炼，使各组分混合均匀，再将外层橡胶、内层橡胶和钢丝覆盖胶带分别挤出预成型，最后将帆布、内层橡胶、钢丝覆胶带和外层橡胶依次放入模压机的模具内加热，加压保压一定时间使其硫化并成型（一次成型的产品长度受限于模具长度），然后不断模压，最终制成环形扶手带成品。聚氨酯扶手带采用挤塑成型工艺：将干燥后热塑性弹性体聚氨酯颗粒料和色母粒喂入挤出机，与钢丝层、帆布共同挤出，一次挤出成型聚氨酯扶手带。挤出是连续生产工艺，可以一次挤出很长的扶手带包装在滚轮上，然后按需要的长度切割，将两端切开处理，并一起放入模压机上的模具内，加热融化成型后冷却出模即可得到环状扶手带成品。一根扶手带成品只需要模压一次，并且不需要保压时间来硫化，只要融化成型即可。因此，聚氨酯扶手带挤塑成型工艺具有效率高、工时少、能耗少且稳定等优点。

1.2 尺寸外观

橡胶扶手带是分段多次模压成型，由于模具内各部分加工精度和磨损程度不同，会导致尺寸不稳定，以及周期性变化；多次拼接也会导致扶手带直线度不佳，可能会呈现“Z”型。挤出生产工艺是一个口模连续生产，因此聚氨酯扶手带具有更好的尺寸稳定性、更好的直线度等尺寸性能。外观方面：橡胶在混炼时按配方加入了各组分，诸多组分很难完全达到均相稳定分布的状态，在后续使用过程中，容易产生混合组分析出导致外表面污染的现象；而聚氨酯扶手带的热塑性弹性体聚氨酯颗粒料组分比橡胶少，不含硫化体系、补强填充体系等，因此外表面低析出，更加清洁美观。电梯扶手带在扶梯中是唯一与人皮肤接触的产品，扶手带不仅是承载扶手的功能件，也是扶梯呈现在外部的外观件，因此聚氨酯扶手带更加符合扶梯的需求。

1.3 理化性能

聚氨酯力学性能优良，热塑性弹性体的拉伸强度大约为25～40 MPa，是橡胶的2～3倍。聚氨酯的断裂伸长率可达500%～900%，也高于大部分橡胶。橡胶分子链结构大都含有共轭双键，能够自由转动使分子具有一定的柔性，宏观上表现出高弹性，经过开键硫化后分子链呈交联状态，使得硫化后的橡胶呈现网络分子链结构，但双键不够稳定，容易因紫外线、臭氧等氧化老化而开裂，因此橡胶配方中需加入防老剂体系使其具备一定的抗紫外线和抗臭氧能力。聚氨酯由异氰酸酯形成的硬相和聚酯或聚醚多元醇形成的软相组成，硬相之间由于氢键、结晶结合在一起形成节点从而具有类似橡胶的网络大分子的弹性结构[3]，因此热塑性聚氨酯材料可以保持高性能直接回收再利用；而橡胶需要去除硫化的化学键再生之后才可以使用，并且再生料的性能会大幅度下降。聚氨酯分子链中不含C C双键，因此其抗紫外线和抗臭氧能力比橡胶更好，但是其中的酯基和氨基甲酸酯可以与水反应水解生成羧酸和醇，并且氢键的键能也不如橡胶硫化的化学键键能大，所以聚氨酯的耐溶剂和抗水解能力不如橡胶。这些性能差异体现在实际应用中：聚氨酯扶手带的清洁维护需要采用厂家推荐的专用低腐蚀清洁剂，并且室外型聚氨酯扶手带中需添加抗水解剂以满足室外应用需求。

1.4 使用寿命

虽然聚氨酯分子链间没有化学交联，但是聚氨酯弹性体力学性能依然非常优良，不但具有橡胶的高弹特性，且耐磨性能非常优秀。与天然橡胶相比，聚氨酯的耐磨性要高2～10倍，因此聚氨酯又被称为“耐磨橡胶”[4]，是高能耗、高污染的橡胶的理想替代品。所以，单从使用磨损角度来讲，聚氨酯扶手带的寿命要高于橡胶扶手带。实际上，聚氨酯扶手带设计的寿命测试标准与橡胶扶手带一样，即经过190万组正反弯曲无开裂无破损，折合实际使用寿命约8年。实际使用过程中，只有部分扶手带在完全按照安装维保手册来安装和维护保养的基础上，寿命达到8年，大部分都会由于安装错误、保养不当以及高温环境等原因难以达到8年[5]。此外，橡胶扶手带的失效模式还有紫外线老化和臭氧老化，而聚氨酯扶手带还有酸雨腐蚀和清洗剂不当的失效模式，实际正常使用寿命为5～8年，极端情况下，也有3～4年就开始老化开裂的。聚氨酯扶手带失效模式与橡胶扶手带稍有不同，但在使用寿命上，二者设计寿命相同；实际使用中，由于使用条件不同，个体差异较大，可以认为二者实际寿命也基本相同。

综上所述，跟传统的橡胶扶手带相比，聚氨酯扶手带具有生产效率高、能耗低、尺寸稳定、更美观、良好的抗紫外线和耐臭氧性能等优点，但其耐溶剂和抗水解能力不如橡胶扶手带。

2 聚氨酯扶手带的应用现状

扶梯从发明到现在，已经有100多年的历史，而聚氨酯扶手带自问世以来，只有20余年的发展。目前扶梯行业中，就市场份额来说，以橡胶扶手带为主。扶梯一线主机厂的原装扶手带中，聚氨酯和橡胶扶手带占比约为1∶2。其他主机厂和维保更换市场，由于技术壁垒，绝大部分是橡胶扶手带，只有少部分聚氨酯扶手带，且其质量水平还不能达到要求，依然处于技术攻关时期。但是聚氨酯扶手带的发展也取得了较好的势头，具体表现在以下几个方面。

2.1 高端市场

虽然聚氨酯扶手带成型工艺和效率远远优于橡胶扶手带，但是，聚氨酯材料约30 000～40 000元/t，而橡胶扶手带中应用的丁腈橡胶、三元乙丙橡胶等，其混配料价格大都在20 000元/t左右；从终端售价来看，聚氨酯扶手带并没有价格优势，甚至高于橡胶扶手带。在实际应用中，聚氨酯扶手带仍然凭借更好的综合性能和新型产品的技术壁垒占据了高端市场，主流主机厂均采用了聚氨酯扶手带，如2010年上海世博会中国馆的扶梯就采用了聚氨酯扶手带。此外，聚氨酯扶手带还获得2019年度上海科技进步奖一等奖。

2.2 彩色扶手带

随着人民生活水平的提高，对审美和多元化要求也越来越高，这就要求扶手带颜色的多样性发展。彩色聚氨酯扶手带只需要将彩色色母粒和聚氨酯颗粒料按比例混合在一起，直接加入挤出机即可生产；而橡胶扶手带却需要在混炼阶段就加入色料，后续预成型挤出和硫化工序中，都存在很多颜色的半成品，这就增加了橡胶生料的半成品种类，也增加了半成品的报废率、库存以及其管理等问题。此外，塑料行业色母粒的多样性也比橡胶色母粒更加丰富，因此彩色扶手带大部分以聚氨酯扶手带为主。聚氨酯扶手带目前按潘通色卡或劳尔色卡分类，共有70多种颜色，在各大主题公园和一些地铁站都有所应用，如重庆地铁站就采用彩色聚氨酯扶手带。

2.3 抗菌扶手带

自新冠疫情暴发以来，社会提高了公共卫生、防疫、抗菌的意识和要求，扶手带作为在公共场合与人体接触的产品，也面临着抗菌的市场需求。聚氨酯扶手带凭借方便高效的工艺优势，迅速地开发出了抗菌扶手带。同彩色扶手带一样，只需要在挤出阶段加入一定比例的抗菌料共同挤出即可。目前抗菌聚氨酯扶手带已经能够满足JIS Z 2801：2010《抗菌加工产品——抗菌试验方法，抗菌效果》中抗菌能力≥2的要求，并且抗菌母粒也符合欧盟颁发的《关于限制在电子电气设备中使用某些有害成分的指令》（RoHS）和欧盟规章《化学品注册、评估、许可和限制》（REACH）的要求，在一些新建的医院和高档商场中都有所应用。

3 聚氨酯扶手带发展展望

在工业品门类中，聚氨酯扶手带相对来说是比较年轻的产品，面对广大的扶梯和维护保养的市场需求，聚氨酯扶手带还有广阔的发展空间。但是，聚氨酯材料成本高，导致聚氨酯扶手带售价较高，无法进一步扩大市场份额，因此未来聚氨酯扶手带可以向发泡型、应用回收料等方向发展来降低产品价格，从而占据更多的市场份额。其中有待解决的课题是，如何控制发泡工艺使其不降低材料力学性能和疲劳寿命，以及如何将报废扶手带的钢丝、帆布、TPU低成本并且高效地分开。

国家经济政策由数量向质量的转变，对工业生产提出了更高的环保和消防安全的要求，聚氨酯扶手带加工过程低能耗、低污染，并且聚氨酯可水解降解，相比橡胶扶手带的高能耗、高污染和难降解，更加符合环保政策要求。关于耐燃烧性能，聚氨酯分子链中的氨基有较强的吸电子效应，聚氨酯弹性体易燃程度比聚烯烃要低，但仍属于易燃类别，又由于热塑性聚氨酯高温时会呈熔融状态，所以在GB/T 10707—2008《橡胶燃烧性能的测定》中的垂直燃烧等级测试中，热塑性聚氨酯会融化滴落导致火源转移，耐燃烧性能检测结果仅为FV-2。因此，阻燃聚氨酯扶手带也是未来发展的一个方向，其阻燃改性方法有两种：一是加入合适的阻燃剂进一步提高材料的阻燃能力，如将质量分数为25%的新型磷-氮型阻燃剂应用到聚氨酯中，聚氨酯的氧指数可达27.5%，阻燃性能达到难燃级别，垂直燃烧阻燃级别为FV-0[6]，但是过高质量分数的阻燃剂可能会降低聚氨酯材料的力学性能；二是在聚氨酯挤出时加入适当的交联剂使其交联，这样在高温燃烧时可以防止出现聚氨酯融化而滴落燃烧，能够依靠聚氨酯本身的阻燃能力达到FV-1级别。一般交联不会降低材料性能，适当的交联还能够提高聚氨酯材料的力学性能，但会使聚氨酯分子链交联固化后跟橡胶一样，丧失可直接回收的性能。

4 结语

总之，传统的橡胶扶手带基本上被定义为高污染、高能耗、劳动密集型低端制造业产品，新型聚氨酯扶手带则属于环保美观、低能耗、高效率的新技术产品。从国家环保政策和社会劳动力人口下降的形势来看，聚氨酯扶手带取代橡胶扶手带是一个长期的、必然的趋势和过程。目前，聚氨酯扶手带已经取得高端市场、彩色扶手带、抗菌扶手带等领域的发展，但是总体市场份额偏低，还面临着降低价格和阻燃改性的发展需求.需要上下游相关从业人员进一步努力，提高生产效率和技术水平，来满足新的发展需求。