1　聚脲簡(jiǎn)介

聚脲是由異氰酸酯組分與氨基化合物組分反應(yīng)獲得的一種彈性體。由于聚脲的反應(yīng)原理與聚氨酯類(lèi)似，且應(yīng)用形式和領(lǐng)域也基本一致，因此廣義的聚氨酯往往將聚脲包含在內(nèi)，統(tǒng)稱(chēng)為聚氨酯。從分子結(jié)構(gòu)上，聚氨酯與聚脲也有相似之處，因?yàn)槌Ｓ玫碾p組分聚脲也往往利用羥基與異氰酸根的反應(yīng)進(jìn)行預(yù)聚改性，因此分子結(jié)構(gòu)中含有氨酯基結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，將由異氰酸根與氨基反應(yīng)完成最終固化反應(yīng)的材料稱(chēng)為聚脲材料，而最終固化反應(yīng)是異氰酸根與羥基反應(yīng)的材料稱(chēng)為聚氨酯材料。

聚脲的一大特點(diǎn)是其固化反應(yīng)速度快，異氰酸酯同各種活潑氫化合物的相對(duì)反應(yīng)速度如表1 所示。

其中脂肪族伯胺與脂肪族仲胺的反應(yīng)速度遠(yuǎn)超其它活潑氫化合物，比異氰酸酯與水的反應(yīng)要快出2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，快速反應(yīng)噴涂聚脲的固化時(shí)間往往以秒為單位，使其施工效率極高，且受環(huán)境濕度影響較小，在潮濕環(huán)境下的施工( 如隧道、地下工程等) 更加具有優(yōu)勢(shì)，基本不會(huì)受到異氰酸酯與水反應(yīng)生成二氧化碳的副反應(yīng)影響而產(chǎn)生發(fā)泡現(xiàn)象。

噴涂聚脲涂料的發(fā)展是以其優(yōu)越的性能為基礎(chǔ)的。聚脲涂料力學(xué)性能優(yōu)異，在耐磨性、耐沖擊性、耐腐蝕性、耐介質(zhì)性、熱穩(wěn)定性等方面均表現(xiàn)突出，使其在防腐蝕、防水、耐磨、阻尼、防護(hù)、抗震等領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用，且聚脲涂料施工效率高，一次噴涂可達(dá)到毫米級(jí)，極大地節(jié)約了人工成本。此外，由于雙組分聚脲涂料中不包含或僅含有少量溶劑，具有較好的環(huán)境友好性，是綠色涂料發(fā)展的一個(gè)重要方向。

噴涂聚脲的性能雖然廣受好評(píng)，但其快速固化的特性也在一定程度上限制了其應(yīng)用，早期使用的聚脲涂料凝膠時(shí)間僅有數(shù)秒到十?dāng)?shù)秒，與基材的潤(rùn)濕不充分，且所需的專(zhuān)門(mén)噴涂設(shè)備也較為復(fù)雜，價(jià)格高，穩(wěn)定性不佳，需要認(rèn)真維護(hù)。為了提高涂料的適用性，Bayer 公司推出了聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂作為氨基化合物組分，聚天門(mén)冬氨酸酯中的活潑氫基團(tuán)為仲胺基，且由于臨近基團(tuán)的位阻作用進(jìn)一步降低其反應(yīng)活性，使聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲的反應(yīng)速度大幅下降。

2　聚脲涂料發(fā)展現(xiàn)狀

噴涂聚脲涂料的快速固化是一柄雙刃劍，優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)同樣鮮明。作為涂料的雙組分之一，氨基組分的性能對(duì)涂層性能影響很大。由腰果殼油改性獲得的酚醛胺類(lèi)環(huán)氧固化劑具有即使在潮濕條件下也能快速、低溫固化的優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)氧固化劑中得到了廣泛的應(yīng)用，并可以提供很好的附著力和防水性能。含硅氧烷的聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂，與HDI 三聚體進(jìn)行預(yù)聚，獲得了有機(jī)硅改性樹(shù)脂，通過(guò)引入有機(jī)硅結(jié)構(gòu)單元，使得樹(shù)脂的性能兼具聚天門(mén)冬氨酸酯樹(shù)脂和有機(jī)硅材料的特性，提高了漆膜的耐水性、耐腐蝕性，并對(duì)漆膜外觀有所提高。

顏填料是涂料中的重要組成部分，將石墨烯添加在聚天門(mén)冬氨酸酯涂料配方中，通過(guò)測(cè)試?yán)胃街?、耐鹽霧性能及電化學(xué)交流阻抗，研究了石墨烯對(duì)聚天門(mén)冬氨酸酯涂層性能的影響。結(jié)果表明，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1% 的石墨烯粉末，可改善聚天門(mén)冬氨酸酯底面合一涂層的附著力及鹽霧性能，電化學(xué)阻抗值在30 d 內(nèi)基本保持不變。

與傳統(tǒng)涂層最多幾百微米的厚度不同，噴涂聚脲厚度往往較大，對(duì)阻燃性能的研究也不容忽視。快速固化聚脲涂料主要應(yīng)用于防腐、防水和耐磨領(lǐng)域，隨著聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲的發(fā)展，地坪、機(jī)械涂料等方面的應(yīng)用也不斷增加。

3．1　防護(hù)領(lǐng)域

聚脲材料的高強(qiáng)度特性使其在防護(hù)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用潛力，噴涂聚脲彈性體在爆炸沖擊載荷下不僅有突出的防護(hù)性能，還能夠通過(guò)其高韌性減少爆炸碎片對(duì)人體的傷害，噴涂聚脲彈性體在結(jié)構(gòu)背面加固時(shí)抗爆性能和吸能效率更加突出。

聚脲涂料在軍事防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用是其非常重要的方向，也已經(jīng)產(chǎn)生了一系列的產(chǎn)品并已經(jīng)投入市場(chǎng)，但由于針對(duì)爆炸等威脅的防護(hù)材料工作狀況極其復(fù)雜，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測(cè)試不僅價(jià)格高昂，有能力開(kāi)展相關(guān)測(cè)試的單位數(shù)量有限，且難以完全掌握材料在工作狀態(tài)下的性能參數(shù)信息，而利用仿真手段進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，仍不能完全滿足設(shè)計(jì)需要，從材料的設(shè)計(jì)和研發(fā)角度來(lái)說(shuō)，聚脲涂料在軍事防護(hù)方面的應(yīng)用仍需要開(kāi)展大量工作。

3．2　混凝土防護(hù)涂料

混凝土是一種應(yīng)用廣泛的建筑材料，在自然環(huán)境中，混凝土?xí)庥霰砻骘L(fēng)化、凍融破壞，不僅外觀不甚美觀，且介質(zhì)滲入混凝土內(nèi)部，還會(huì)使鋼筋腐蝕，混凝土材料失效，導(dǎo)致安全隱患?；炷帘砻鎳娡烤垭宀牧希梢杂行Х乐顾?、鹽分等的滲透，且可以耐光老化和高低溫交變，是一種優(yōu)良的混凝土防護(hù)涂料。聚脲防水涂料在隧道工程上應(yīng)用很有意義，與聚脲材料快速固化、對(duì)濕度環(huán)境不敏感、無(wú)溶劑、物理性能優(yōu)異、涂層致密連續(xù)、抗?jié)B透性高的特點(diǎn)非常契合，特別適合于在放坡開(kāi)挖的隧道或分離式側(cè)墻的現(xiàn)澆混凝土箱形結(jié)構(gòu)( 如大型箱涵涵管)、預(yù)制混凝土管節(jié)( 如沉管法隧道的管段) 的頂板側(cè)墻，以及沉井井壁外防外噴涂層。且聚脲防水涂料用來(lái)對(duì)舊隧道進(jìn)行維修也十分合適，可用于混凝土的內(nèi)防水、防腐蝕涂層處理已弱化的老混凝土內(nèi)面。

3．3　機(jī)械和汽車(chē)用涂料

汽車(chē)底盤(pán)噴涂了環(huán)氧富鋅底漆配套聚脲面漆涂層，在耐鹽霧和耐老化性能上達(dá)到了很高的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)超導(dǎo)電防腐底漆／陰極電泳漆／聚脲面漆和陰極電泳漆／聚脲面漆的性能進(jìn)行了測(cè)試，聚脲涂料的低溫固化特性和優(yōu)異的性能，非常匹配汽車(chē)底盤(pán)需要節(jié)能降耗和提高涂膜防護(hù)效果的要求。聚脲涂料作為底盤(pán)涂料、汽車(chē)中涂漆、汽車(chē)面漆的性能進(jìn)行了檢測(cè)，認(rèn)為聚脲汽車(chē)涂料在綜合施工性能、節(jié)能降耗、耐老化性方面完全能夠滿足汽車(chē)涂料實(shí)用要求。

3．4　防腐涂料

聚脲防腐涂料是聚脲材料的重要應(yīng)用方向，主要是基于聚脲的高耐候性和高致密性，從樹(shù)脂材料上分類(lèi)，聚脲防腐涂料又可分為純聚脲防腐涂料和聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲防腐涂料，前者是基于SPUA 技術(shù)，涂裝厚度大，受限于樹(shù)脂和種類(lèi)而僅添加少量或不添加固體顏填料，后者的涂料配方與施工工藝與傳統(tǒng)聚氨酯涂料類(lèi)似。應(yīng)用情況，指出由于水利工程的特殊性，水工混凝土大壩長(zhǎng)期處于含砂高速水流沖刷侵蝕、氣溫變化大、凍融頻繁等惡劣環(huán)境下，其耐久性直接影響著水利工程的安全性和服役壽命。在混凝土表面涂覆防護(hù)涂層可有效阻止有害介質(zhì)滲入混凝土毛細(xì)孔內(nèi)部，從而達(dá)到提高混凝土耐久性的目的，被廣泛應(yīng)用于大壩表面的防護(hù)領(lǐng)域。

 3．5　防水涂料

聚脲材料耐水性好，涂層致密，具有作為防水涂料應(yīng)用的潛力。一種無(wú)溶劑型聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲防水涂料，該涂料由A，B 兩個(gè)組分組成，A 組分為多異氰酸酯和封端異氰酸酯預(yù)聚體，B 組分為聚天門(mén)冬氨酸酯、聚合型改性聚天門(mén)冬氨酸酯、填料和少量助劑。該涂料凝膠時(shí)間長(zhǎng)、拉伸強(qiáng)度大、斷裂伸長(zhǎng)率高，防水防腐性能優(yōu)異且耐候性好，無(wú)溶劑、對(duì)環(huán)境友好。同時(shí)，該涂料可手工施工，不需要專(zhuān)門(mén)的大型噴涂設(shè)備，應(yīng)用領(lǐng)域較廣。海洋腐蝕環(huán)境下純聚脲重防腐涂層耐久性研究，加速老化實(shí)驗(yàn)證明純聚脲防腐涂層與基體結(jié)合力牢固，對(duì)外力產(chǎn)生的細(xì)小縫隙有自愈效果，防腐蝕效果優(yōu)異，該涂層已成功應(yīng)用于青島海灣大橋承臺(tái)、港珠澳大橋沉管隧道接縫等防護(hù)工程。SPUA 在海洋防腐中的應(yīng)用潛力巨大，但也指出在后續(xù)研究中應(yīng)更加關(guān)注聚脲涂料反應(yīng)速度過(guò)快，耐高溫耐腐蝕性與氟碳涂料存在差距等問(wèn)題，并提出了噴涂聚脲的噴涂本身技術(shù)難度較大，對(duì)施工人員的素質(zhì)、技術(shù)要求較高，是涂層性能不足的隱患之一。

噴涂聚脲彈性體成型于20 世紀(jì)80 年代，而聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲的第一份涂料專(zhuān)利也是在20 年代90 年代初期公開(kāi)，幾十年間，聚脲涂料已經(jīng)逐步覆蓋了各種應(yīng)用場(chǎng)景。聚脲涂料的優(yōu)點(diǎn)與特點(diǎn)同樣鮮明，高強(qiáng)度、高耐候、環(huán)保、高效的特點(diǎn)在涂料領(lǐng)域得到好評(píng)，而其施工工藝的復(fù)雜又限制了其推廣，即使是固化速度相對(duì)較慢的聚天門(mén)冬氨酸酯聚脲體系，適用期也比傳統(tǒng)涂料短很多，不能完全滿足施工人員的要求。

一方面，對(duì)聚脲體系的研發(fā)仍應(yīng)繼續(xù)，特別是針對(duì)其適用期、附著力和外觀方面的性能要求進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或加強(qiáng)相關(guān)助劑的開(kāi)發(fā)，以及對(duì)其專(zhuān)門(mén)噴涂設(shè)備的性能改進(jìn)；另一方面，要求某一種樹(shù)脂體系擁有完美的性能不現(xiàn)實(shí)，應(yīng)重視對(duì)聚脲涂料的應(yīng)用研究，加強(qiáng)聚脲涂料在其適用領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，進(jìn)一步提升涂料產(chǎn)品的性能。只有雙管齊下，聚脲涂料的市場(chǎng)才能夠進(jìn)一步發(fā)展壯大。