一、引言

聚氨酯弹性体（Polyurethane Elastomer, PU Elastomer）又称聚氨酯橡胶，是一类介于塑料和橡胶之间的高分子材料，具有优异的耐磨性（是天然橡胶的3~10倍）、高强度、高弹性、耐油性、耐臭氧性和较宽的硬度范围（邵氏A10~邵氏D80），广泛应用于鞋底、工业胶辊、密封件、衬套、同步带、实心轮胎、运动器材和医疗器械等领域。聚氨酯涂料（Polyurethane Coating）则是以聚氨酯树脂为主要成膜物质的涂料，具有优异的耐候性、耐磨性、耐化学品性和装饰性，广泛应用于汽车涂料、木器涂料、工业防腐涂料、塑料涂料和地坪涂料等领域。

聚氨酯弹性体和涂料的着色对色浆的要求与聚氨酯泡沫有所不同：弹性体通常需要高着色力、高耐迁移性和高耐溶剂性的色浆；涂料则需要色浆与树脂体系具有良好的相容性、不影响漆膜的光泽和附着力。东莞市蒂森新材料有限公司的PUE系列聚氨酯色浆采用聚醚多元醇作为载体，在聚氨酯弹性体和涂料中均有良好的应用效果。本文结合聚氨酯鞋底浇注、聚氨酯弹性体零件和聚氨酯涂料三个典型应用案例，系统介绍PUE色浆在弹性体和涂料领域的工程实践。

图1：聚氨酯浇注弹性体衬套零件

二、技术特点与机理

聚氨酯弹性体的合成通常采用预聚体法（Prepolymer Method）或半预聚体法（Semi-prepolymer Method）。预聚体法是先将过量的异氰酸酯与多元醇反应生成端NCO基预聚体，然后在浇注时加入扩链剂（如MOCA、BDO、HQEE等）进行扩链交联，生成弹性体。半预聚体法是将部分多元醇与异氰酸酯反应生成低NCO含量的半预聚体，浇注时与剩余多元醇和扩链剂混合反应。

聚氨酯弹性体的着色方式主要有两种：一是内着色（Mass Coloration），在预聚体或多元醇组分中加入色浆，浇注后颜料均匀分散在弹性体基体中；二是表面着色（Surface Coloration），在弹性体成型后通过喷涂、印刷或浸染等方式进行表面着色。内着色具有颜色均匀、耐磨损、不褪色等优点，是聚氨酯弹性体的主要着色方式。

蒂森PUE系列色浆在弹性体和涂料应用中的技术特点如下：

三、应用案例1：聚氨酯鞋底浇注成型

3.1 应用背景

聚氨酯鞋底是聚氨酯弹性体最大的应用领域之一，全球每年约有30%的聚氨酯弹性体用于鞋底生产。聚氨酯鞋底具有重量轻（密度0.3~0.9 g/cm³）、耐磨性好（是橡胶鞋底的2~3倍）、弹性好、防滑、耐油、减震和穿着舒适等优点，广泛应用于运动鞋、休闲鞋、皮鞋、安全鞋和童鞋等。

聚氨酯鞋底的生产工艺主要包括：浇注型聚氨酯鞋底（CPU, Cast Polyurethane）、注塑型聚氨酯鞋底（TPU, Thermoplastic Polyurethane）和发泡型聚氨酯鞋底（Microcellular PU）。浇注型聚氨酯鞋底采用双组分浇注机，将A组分（预聚体）和B组分（多元醇+扩链剂+色浆）混合后注入鞋底模具中，在加热条件下固化成型。注塑型聚氨酯鞋底采用TPU颗粒通过注塑机成型。发泡型聚氨酯鞋底是在浇注配方中加入发泡剂，形成微孔结构，密度更低（0.3~0.6 g/cm³），减震效果更好。

3.2 工艺适配要点

蒂森PUE系列色浆在聚氨酯鞋底浇注中的工艺适配要点：

（1）色浆添加方式：浇注型聚氨酯鞋底的色浆通常加入B组分（多元醇+扩链剂）中，通过计量泵精确输送到混合头。B组分的温度通常控制在40~50℃，以降低粘度、确保混合均匀。PUE色浆的粘度（25℃，2000~10000 mPa·s）在40~50℃时会显著降低（约降低50%~70%），与B组分的粘度匹配良好。

（2）与MOCA扩链剂的相容性：传统浇注型聚氨酯鞋底常用MOCA（3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯甲烷）作为扩链剂，MOCA在常温下为固体（熔点约100℃），需要加热熔化后使用。PUE色浆的聚醚多元醇载体与熔化的MOCA具有良好的相容性，混合后不会出现分层或絮凝。但需要注意的是，MOCA体系的反应活性较高，色浆加入后应在适用期内（通常10~30分钟）完成浇注。

（3）颜色均匀性控制：聚氨酯鞋底的颜色均匀性是重要的质量指标，同一双鞋的左右脚颜色差异ΔE应≤1.5（GB/T 11186）。影响颜色均匀性的因素包括：A、B组分的计量精度（误差应≤±1%）、混合头的混合效果（建议采用高压撞击混合，混合压力≥150 bar）、模具温度均匀性（温差应≤±5℃）和色浆的分散稳定性。建议在生产过程中定期取样进行色差检测，建立颜色SPC控制。

（4）耐迁移性要求：聚氨酯鞋底在穿着过程中会与袜子、鞋垫和地面接触，色浆中的颜料如果耐迁移性不足，会迁移到袜子或鞋垫上造成污染。PUE色浆选用耐迁移等级≥4级（GB/T 251）的颜料，在聚氨酯鞋底中具有良好的耐迁移性能。特别是黑色浆选用高色素炭黑（C.I. Pigment Black 7），耐迁移等级为5级，完全不会发生迁移。

图2：多种颜色的聚氨酯弹性体工业零件

四、应用案例2：聚氨酯弹性体工业零件

4.1 应用背景

聚氨酯弹性体工业零件是聚氨酯弹性体的重要应用领域，主要包括：工业胶辊（印刷胶辊、造纸胶辊、纺织胶辊、输送胶辊等）、密封件（油封、O型圈、密封条等）、衬套（汽车悬挂衬套、减震衬套等）、同步带、实心轮胎、刮板、叶轮、筛板和运动器材等。聚氨酯弹性体工业零件通常采用浇注工艺（CPU）或注塑工艺（TPU）生产。

聚氨酯弹性体工业零件的着色需求主要包括：一是功能标识色，不同颜色用于区分不同硬度或不同用途的零件（如红色表示高硬度、蓝色表示中硬度、黄色表示低硬度）；二是品牌标识色，OEM客户通常有自己的品牌色要求；三是耐候性要求，户外使用的弹性体零件（如汽车悬挂衬套、户外密封件）需要色浆具有良好的耐光性和耐候性。

4.2 工艺适配要点

（1）浇注工艺适配：浇注型聚氨酯弹性体（CPU）的生产工艺包括：预聚体制备（异氰酸酯+多元醇，80~100℃反应2~3小时）、预聚体脱泡（真空脱泡15~30分钟）、色浆加入（在预聚体或多元醇组分中加入色浆，搅拌均匀）、扩链剂加入（加入熔化的MOCA或其他扩链剂，快速搅拌）、浇注（注入预热的模具中）、硫化（100~120℃硫化1~4小时）和后硫化（室温放置7~14天达到最佳性能）。PUE色浆在浇注工艺中的添加量通常为2%~6%（相对于预聚体重量），黑色和深色可达8%~10%。

（2）高温稳定性要求：聚氨酯弹性体的浇注和硫化温度通常为100~120℃，部分特殊品种（如耐高温聚氨酯）的硫化温度可达150℃以上。色浆中的颜料需要在高温下保持稳定，不发生分解或变色。PUE色浆选用耐热等级≥150℃的颜料（黑色炭黑耐热≥300℃，无机颜料耐热≥200℃，有机颜料耐热≥150℃），在聚氨酯弹性体的浇注和硫化过程中具有良好的热稳定性。

（3）对力学性能的影响：聚氨酯弹性体工业零件对力学性能（拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度、硬度、耐磨性能等）有严格要求，色浆的加入不应显著影响这些性能。PUE色浆的聚醚多元醇载体参与聚氨酯反应，成为弹性体网络的一部分，不会形成薄弱界面；颜料粒径控制在D90≤1μm（黑色≤800nm），不会形成大的应力集中点。在推荐添加量范围内（≤8%），PUE色浆对弹性体拉伸强度的影响≤10%，对断裂伸长率的影响≤8%，对撕裂强度的影响≤10%，完全满足工业零件的性能要求。

（4）耐溶剂性要求：部分聚氨酯弹性体工业零件（如印刷胶辊、输送胶辊、密封件等）在使用过程中会接触溶剂、油墨、油品等化学介质，色浆中的颜料需要具有良好的耐溶剂性，不会被溶剂抽出而导致褪色或污染。PUE色浆选用耐溶剂等级≥4级（GB/T 1734）的颜料，在常见溶剂（乙醇、丙酮、甲苯、乙酸乙酯、矿物油等）中具有良好的耐溶剂性能。

五、应用案例3：聚氨酯涂料

5.1 应用背景

聚氨酯涂料是以聚氨酯树脂为主要成膜物质的涂料，根据固化机理可分为：双组分聚氨酯涂料（2K PU，羟基树脂+异氰酸酯固化剂）、单组分湿固化聚氨酯涂料（1K PU，端NCO预聚体与空气中的水分反应固化）、热固性聚氨酯涂料（羟基树脂与氨基树脂交联固化）、紫外光固化聚氨酯涂料（UV PU，聚氨酯丙烯酸酯低聚物+光引发剂）和水性聚氨酯涂料（WPU，水分散型聚氨酯树脂）。

聚氨酯涂料具有优异的耐候性（特别是脂肪族异氰酸酯固化的聚氨酯涂料）、耐磨性、耐化学品性、柔韧性和装饰性，广泛应用于：汽车涂料（原厂漆、修补漆、塑料件涂料）、木器涂料（家具漆、地板漆）、工业防腐涂料（桥梁、钢结构、管道）、塑料涂料（手机、电脑、家电外壳）、地坪涂料和轨道交通涂料等领域。

图3：聚氨酯超耐磨工业地坪涂料

5.2 工艺适配要点

（1）与羟基树脂的相容性：双组分聚氨酯涂料的基料通常为羟基丙烯酸树脂、羟基聚酯树脂或羟基醇酸树脂，PUE色浆的聚醚多元醇载体与这些羟基树脂具有良好的相容性。但需要注意的是，聚醚多元醇的极性与丙烯酸树脂或聚酯树脂存在一定差异，在高添加量（>10%）时可能会出现相容性问题。建议在使用前进行相容性测试（将色浆加入树脂中，搅拌均匀后静置24小时，观察是否出现分层、絮凝或发花），PUE色浆在常见羟基丙烯酸树脂中的添加量≤8%时相容性良好。

（2）对漆膜光泽的影响：聚氨酯涂料（特别是汽车面漆和木器清漆）对漆膜光泽有很高要求，色浆中的颜料粒径和分散性会直接影响漆膜光泽。PUE色浆的颜料粒径控制在D90≤1μm（黑色≤800nm），分散性良好，在推荐添加量范围内对漆膜光泽（60°光泽，GB/T 9754）的影响≤5%。对于高光泽要求的清漆或面漆，建议选用PUE纳米级色浆（D90≤200nm），对光泽的影响≤2%。

（3）对NCO/OH固化反应的影响：双组分聚氨酯涂料的固化反应是NCO基团与OH基团的加成反应，PUE色浆载体中的羟基会参与固化反应，需要计入配方总羟基含量。PUE彩色浆载体羟值为35 mgKOH/g，在添加量≤6%时对总羟基的贡献较小（≤2%），通常不需要调整固化剂用量；但在高添加量（>8%）或PUE黑色浆（高羟值载体）时，需要根据色浆的有效羟值重新计算固化剂用量，以维持NCO/OH指数在1.0~1.1范围内。

（4）耐候性要求：户外用聚氨酯涂料（如汽车面漆、建筑外墙涂料、钢结构防腐涂料）对耐候性有严格要求，色浆中的颜料需要具有良好的耐光性和耐候性。PUE色浆选用耐光等级≥7级（GB/T 8427，蓝色羊毛标度）的颜料，黑色选用高色素炭黑（耐光8级），白色选用金红石型钛白粉（耐光8级），彩色选用高性能耐候有机颜料（如喹吖啶酮、DPP、酞菁等，耐光6~8级）。在QUV老化试验（GB/T 23983，500小时）中，PUE色浆着色的聚氨酯漆膜色变ΔE≤3.0，失光率≤10%，满足户外耐候要求。

六、关键选型参数与使用建议

使用建议：（1）弹性体浇注时，色浆建议加入多元醇组分（B组分）中，不建议直接加入预聚体（A组分）中，因为预聚体中的NCO基团可能与色浆中的微量水分或羟基反应，影响预聚体的稳定性；（2）涂料使用时，色浆应先与部分树脂混合研磨（或直接使用已分散好的PUE色浆），然后再加入剩余树脂、溶剂和助剂，最后加入固化剂；（3）双组分涂料中加入色浆后，应在适用期内（通常4~8小时，具体取决于配方和环境温度）使用完毕，避免胶化；（4）色浆的颜色批次之间可能存在微小差异，建议在使用前进行色差比对，不同批号的色浆不宜直接混合使用；（5）弹性体和涂料的最终颜色受固化温度、固化时间和基材等因素影响，建议在实际工艺条件下进行打样确认。

七、结论

聚氨酯弹性体和涂料是聚氨酯材料的重要应用领域，对色浆的着色力、耐迁移性、耐溶剂性、耐候性和相容性有严格要求。蒂森PUE系列聚氨酯色浆采用聚醚多元醇作为载体，黑色D90≤800nm、彩色D90≤1μm，耐迁移≥4级、耐溶剂≥4级、耐光≥6级，在聚氨酯鞋底浇注、弹性体工业零件和聚氨酯涂料中均有良好的应用效果。选型时应根据工艺类型、性能要求和使用环境选择合适的色浆品种和添加量，并通过小试验证颜色一致性和性能影响后再进行大批量生产。

八、FAQ

Q1：聚氨酯弹性体浇注时，色浆应该加在预聚体中还是多元醇中？为什么？

A：色浆应该加在多元醇组分（B组分）中，而不是预聚体（A组分）中。原因如下：一是化学稳定性，预聚体中含有未反应的NCO基团，具有很高的反应活性，色浆中含有的微量水分（即使是ppm级别）、游离羟基或氨基会与NCO基团发生反应，生成脲键或氨基甲酸酯，导致预聚体的NCO含量降低、粘度增大甚至凝胶，严重影响预聚体的储存稳定性和反应活性；二是相容性，PUE色浆的载体是聚醚多元醇，与多元醇组分具有相同的化学结构，可以任意比例混合而不分层，相容性极好；三是工艺便利性，多元醇组分通常需要加入扩链剂、催化剂等助剂，色浆加入多元醇后可以通过搅拌均匀混合，工艺简单；四是安全性，预聚体通常含有游离异氰酸酯（特别是TDI体系），具有一定的毒性和刺激性，色浆加入预聚体需要在异氰酸酯环境下操作，安全风险较高。因此，行业通用做法是将色浆加入多元醇组分中，预聚体保持纯净。如果确实需要在预聚体中着色（如某些特殊工艺），应确保色浆的水分含量≤0.05%，并在加入后尽快使用（24小时内）。

Q2：聚氨酯涂料中加入PUE色浆后，漆膜出现失光或发花，是什么原因？如何解决？

A：聚氨酯涂料中加入色浆后出现失光或发花，可能的原因和解决方案如下：（1）色浆与树脂相容性不良：PUE色浆的载体是聚醚多元醇，与某些极性较强的树脂（如高羟基丙烯酸树脂、硝化棉树脂）可能存在相容性问题，导致颜料粒子在漆膜干燥过程中发生絮凝或迁移，形成发花。解决方案：降低色浆添加量（≤6%）；更换相容性更好的树脂体系；在配方中加入适量的润湿分散剂（如BYK-110、BYK-163等）改善颜料分散。（2）颜料粒径过大：如果色浆的颜料粒径过大（D90>5μm），颜料粒子会在漆膜表面形成粗糙面，导致光泽下降。解决方案：选用PUE纳米级色浆（D90≤200nm）或超细级色浆（D90≤1μm）；在使用前对色浆进行二次研磨（砂磨机或三辊机），进一步降低粒径。（3）色浆添加量过高：色浆添加量过高（>10%）时，大量的颜料粒子会干扰树脂的成膜过程，导致漆膜致密性下降、光泽降低。解决方案：降低色浆添加量，通过提高颜料含量（选用高颜料含量的色浆）来达到所需颜色深度，而不是简单增加添加量。（4）固化剂用量不匹配：PUE色浆载体中的羟基会参与NCO/OH反应，如果没有相应增加固化剂用量，会导致NCO/OH指数偏低，漆膜固化不完全、交联密度不足，从而导致光泽下降和发花。解决方案：根据色浆的有效羟值重新计算固化剂用量，维持NCO/OH指数在1.0~1.1范围内。（5）施工环境影响：施工环境温度过低（<10℃）或湿度过高（>85%RH）时，漆膜干燥速度过慢，颜料粒子有充足时间发生迁移和絮凝，导致发花。解决方案：控制施工环境温度在15~30℃、相对湿度在40%~70%范围内；适当增加催干剂用量加快干燥速度。

Q3：聚氨酯鞋底生产中，同一批次的鞋底出现颜色差异（左右脚色差），如何排查和解决？

A：聚氨酯鞋底同一批次出现颜色差异（左右脚色差）是常见的质量问题，可能的原因和排查方法如下：（1）A、B组分计量精度不足：浇注机的计量泵如果精度不够（误差>±1%），会导致A、B组分的比例波动，从而影响色浆的实际浓度（色浆在B组分中，B组分比例波动会导致色浆在最终混合物中的浓度波动）。排查方法：定期校准计量泵的流量精度（建议每月校准一次），确保A、B组分的计量误差≤±0.5%。（2）混合头混合不均匀：如果混合头的混合压力不足（<120 bar="">24小时）且没有循环搅拌，颜料粒子会在重力作用下沉降，导致储罐上部和下部的色浆浓度不一致。排查方法：确保B组分储罐配备循环搅拌系统，在生产过程中持续循环搅拌；定期检查储罐底部是否有颜料沉积，必要时进行清洗。（4）模具温度不均匀：鞋底模具的温度不均匀（温差>±5℃）会导致不同模具中的物料固化速度不同，颜料在固化过程中的迁移程度不同，从而导致颜色差异。排查方法：使用红外测温仪检查模具各部位的温度，确保模具温度均匀（温差≤±3℃）；定期维护模具加热系统，更换损坏的加热管。（5）色浆批次差异：不同批号的色浆之间可能存在微小的颜色差异（ΔE≤1.0为正常范围），如果在生产过程中更换了色浆批号而没有进行过渡混合，会导致更换批号前后的鞋底颜色差异。排查方法：检查生产记录，确认是否在生产过程中更换了色浆批号；更换批号时应进行过渡混合（将新旧批号的色浆按比例混合后使用），并进行色差验证。解决方案：建立颜色SPC（统计过程控制）体系，每生产50双鞋取样进行色差检测，绘制控制图，及时发现和纠正颜色偏差。