聚脲弹性体的发展

摘要：介绍了喷涂聚脲弹性体的理化性能、技术特点、研发历程、应用领域及前景展望，并对聚脲弹性体产业在今后国内的发展提出了一些建议。关键词：涂料，聚脲，性质，市场需求分析，远景聚脲是国外近20年来刚刚兴起的一种新型环保材料。美国聚脲发展协会(PDA)对聚脲的定义是由异氰酸酯封端的预聚物与氨基化合物组分反应生成的高聚物。采用喷涂工艺施工的喷涂聚脲弹性体称为SprayPolyureaElastomer，简称SPUA。聚脲是聚氨酯的升级产品，被誉为20世纪末期涂料，是现代涂装领域重要的创新技术。喷涂聚脲弹性体性能优越，能充分满足混凝土、金属、木材等各类材料的防水、防腐以及装饰的要求。聚脲优异的物理化学性能及适用性能给机械设备、石油化工、矿山开采、防水工程、道具制作、车间地坪、体育设施等工程领域带来全新的发展。目前，喷涂聚脲弹性体产品的应用范围日益扩大，可广泛应用于钢结构防腐、混凝土保护、屋面防水保温、水池防护内衬、工业地坪、城市立交桥防护、港口设施、水电工程、核电工程等领域。我国已经应用喷涂聚脲技术的重要工程有京津高速铁路、国家奥运场馆、洋山深水港、上海世博会场馆、上海外滩交通通道等大型基础设施建设，正在建设中的京沪高铁全线路轨混凝土防护也将全面应用这项先进技术。在防腐蚀性能和环境保护方面，聚脲弹性体己显示出了巨大的技术和市场优势，并受到日益广泛的关注。理化性能聚脲，是由异氰酸酯组分与氨基化合物组分反应生成的一种弹性体物质， 被视为继高固体分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料之后的一种新型无溶剂、无污染的“绿色涂料”。聚脲材料具有高抗冲击性、高伸长率、高撕裂强度等优异的综合力学性能，拉伸强度最高可达2715MPa，伸长率最高可达1000%。聚脲的耐介质性能十分突出，耐候性好，耐冷、耐高温和热冲击，对湿度和温度不敏感，防水、耐磨、耐老化、耐化学介质和交变温度(压力)、耐核辐射，在户外长期使用不粉化、不开裂、不脱落，极大地延长了钢结构、混凝土的寿命。聚脲弹性体对混凝土的粘结强度)5MPa，超过混凝土间粘结强度，是一种集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢之大成的“万能”材料。喷涂聚脲弹性体由半预聚体、端氨基聚醚、胺扩链剂等原料组成，采用先进喷涂技术成型，快速固化，具有优异理化性能等突出特点，使其在工程应用中显示出无可比拟的优越性。聚脲弹性体可以加入各种颜料制成不同颜色的制品，可掺人其他填料如短玻璃丝纤维等对材料进行增强，并具有良好的热稳定性，可在170C下长期使用，并承受350C的短时热冲击。聚脲快速固化特性使其可在任意曲面、斜面、垂直面及顶面连续喷涂成型，不产生流挂现象，5s即凝胶，1min后便可达到步行强度。聚脲弹性体与其他新型环保涂料相比，不论是材料本身还是从施工技术上来说都具有突出的优异性能。聚脲与环氧树脂的主要物理化学性能对照见表1。聚脲弹性体喷涂技术特点现场施工方便施工时不受环境温度、湿度影响，可在冰上施工，在-28t下施工及在冰柜中固化。不含催化剂，快速固化、凝胶，3min可达到强度。立面连续喷涂无流挂，效率极高，一次施工即可达到设计的厚度，克服了其他材料多道施工的麻烦。喷涂施工快捷，使用成套喷涂设备，单机日施工面积在1000m2以上。喷涂聚脲材料节点细部施工较方便，不需要专用纤维增强层。施工后不需要特别维护，节省了昂贵的维护费用。涂层性能优越涂层致密、连续、光滑、无接缝、无针孔，防腐性优越，物理性能优异，强度好，伸长率高，美观实用。聚脲弹性体对钢、铸铁、铝、混凝土、木材、泡沫等各类底材均有优良的附着力。长期使用不起泡，不脱落，不空鼓。根据使用需要，可随意调整涂层厚度，并且耐候性好，户外长期使用无粉化、无开裂、无脱落。涂层具有优良的抗水渗透性，整体无缝、组织致密、坚韧、粘结力强，真正的“皮肤式”防水，可用于迎水面防水，也可用于背水面防水。符合环保要求聚脲弹性体双组分，100%的固含量，配方体系任意可调，手感从软橡皮到硬弹性体。可以像普通涂料一样，加入各种颜、染料，制成不同颜色的制品。不含任何挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds,VOC)，对环境友好，抗燃阻燃性好，着火蔓延率低，并可自熄，全面突破了传统环保型涂装技术的局限性，可广泛应用于防水、防腐、耐磨、表面装饰等领域，是无污染的绿色喷涂技术。应用范围广泛聚脲的抗拉强度、撕裂强度、冲击强度、粘结力、延伸率、耐磨性、耐刺穿、抗碾压、耐硌破、防湿滑等特点显著，并且有优异的抗混凝土开裂性和良好的防腐功能。聚脲可耐大部分腐蚀介质酸、碱、盐、海水、氯离子等的长期浸泡，对金属、非金属底材均有极强附着力，如钢、铝、钢筋混凝土、木材、玻璃钢、聚氨酯泡沫等，并已成为石油、天然气、石化、化工、海洋石油、高速铁路、水利工程、污水处理等众多领域新一代防腐、防水、耐磨的新型涂料。与传统环保型涂料相比，聚脲弹性体拥有无可比拟的优越性，聚脲弹性体与其他传统环保型涂料使用性能比较见表2。瑕1聚I®与环能树脂的主要物理化学性能对照物理化学件能ASTM标准100%固含啟弹性聚懈100號固會鼠刚性聚ft?;fl标准号抵标耐冲tfi性/尬D2749(ba-!}15050阴扱劇离ZTG4220（平均）8-308柔韧性D4145（1血轴心）通过通过伸t<5-13002RH710005000.通过5000.通过耐裁性/kgD406011550轰2聚朦弹性体与其他传统环保型涂料使用性能比较jflifl高固体水性光固化粉末S-J押性体分涂料涂料涂料涂料p(V()C)/050~1500-15000(g'L-1)施工方法新型常规常规新璽新礙防腐性能优好—殷一般优适用底材不限不限不限木材为主金属施工坏境不限crca上5TW±厂房内厂房内一次成膜无限制<150<100<50<800厚度/pun3研发历程喷涂聚脲弹性体技术是为适应环保需求而研制、 开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色涂装技术，是21世纪的一项科学创举，其发展经历了聚氨酯、聚氨酯脲和聚脲三个阶段。德国、美国是喷涂弹性体技术的发源地，这项技术最先由美国在 1986年研发成功，1991年开始在北美地区进入商业化应用，显示出其优异的综合性能，受到用户欢迎。并于 2000年成立美国聚脲发展协会。据该协会最新统计显示，2008年，全球聚脲产品消费量达到3.5万t，其中美国占46%，亚洲占23%，欧洲占19%，澳大利亚、南非、智利等其他国家和地区占11%。国内青岛海洋化工研究院1995年开展喷涂弹性体技术的前期探索研究， 1997年引进了美国Gusmer公司最新设计制造的H-3500喷涂机。海洋化工研究院依靠自己的科研实力，自力更生，1998年开发了我国的第一个具有自主知识产权的聚脲配方体系， 2000年完成第一个聚脲户外工程，随后把聚脲推广应用到钢结构防腐、 混凝土保护、屋面防水保温、水池防护内衬、工业地坪、体育场馆、水电工程、铁路工程等领域，为国内的聚脲应用开辟了先河。聚脲技术在国内于1999年开始投入商业应用，青岛海洋化工研究院研制的聚脲弹性体相继在青岛海豚表演馆水池、上海沪东造船厂船舶地板和沈阳普利斯通公司护舷等项目成功应用。自2000年起，海洋化工研究院参加各类展览和会议，并发表了40多篇专业性文章，大力宣传和推广聚脲技术。2007年3月，海洋化工研究院将全套聚脲技术在青岛佳联化工新材料有限公司进行产业化，并致力于聚脲产品的研发和应用，相继把聚脲产品应用到京津铁路、奥运场馆、北京南站、上海外滩隧道等国家重点工程中。聚脲产品问世10年来，在我国得到快速的发展。国内江苏省化工研究所、烟台华特聚氨酯公司、湖南湘江涂料集团有限公司、广州秀珀化工股份有限公司等纷纷投入聚脲的研制中。目前已研究开发成功了防水耐磨材料、防滑铺地材料、阻燃装饰材料、道具保护材料、耐磨衬里材料、柔性防撞材料，并已实施工程实际应用。美国SPI公司、美国纽科、韩国一山、美国宝莱、我国台湾环聚、美国联合涂料、美国顺缔等公司也陆续在我国大陆销售聚脲。与此同时，美国Huntsman公司、美国陶氏、德国Bayer公司、德国BASF公司等化工巨头也在我国大陆设立代理商。我国聚脲产业从1999年进入商业应用以来，产品产量飞速增长。成为全球聚脲产业发展最快的地区。2001年，我国聚脲产量仅有200t，到2007年，已经增长到6000t。尤其是近几年，聚脲已经在涂料领域应用日趋广泛。从早期的篮球场地、小型看台、电厂水池、管道内衬、皮卡车斗和影视道具等小规模场合，逐渐扩大到京津高速铁路路基、铁路桥梁、奥运会比赛场馆大型看台、国家大剧院室外景观水池、上海洋山深水港筑港钢桩、毛主席纪念堂屋面、济南十一届城运会“东荷西柳”比赛场馆看台等大型基础设施领域，其中在京津高速铁路路基和桥梁桥面防护中的全面应用尤其引人注目，防护总面积约100万m2，使用聚脲2000多吨。这是聚脲第一次在高速铁路上获得大规模应用，也是当时全球最大的聚脲防水工程。应用领域相对于传统防护涂料，聚脲的一次性投资相对较高。但一般防护涂料三五年就要进行修复或翻新，不但维修费用巨大，而且间接损失巨大，甚至不可修复，而聚脲防护涂料有效防护年限长达上百年。因此，选取一次性成本略高，但性能优越、可靠性及维修性好，使用年限长、寿命周期费用低、年均防护成本低的聚脲涂料显然更经济。由于聚脲弹性体材料的出色性能，在短短十几年里迅速应用到工业、民用、国防等众多领域。化工防腐聚脲弹性体在酸、碱、盐、油、水以及高寒、地下和海洋等恶劣环境条件下，表现出优异的超重防腐性能，用于化工钢质储罐内、外壁防腐可代替橡胶衬里、塑料衬里和玻璃钢衬里，固化快，施工方便，不污染环境，衬里质量好，耐介质腐蚀性能十分突出。聚脲还可用于有保温要求的化工储罐，作为保温层的防护层，以及用作化工储罐围堰，化工地沟、电工排水沟及地面防渗层等表面的防护。此外，在石油、石化、油田化工设备及附属设施，大型储罐、原油罐、管道内外壁、酸洗槽、电镀槽、盐水罐、蒸发池等的防护、防腐、防渗漏领域，也有着广泛的应用。交通工程城际轨道交通工程的路基对混凝土的防水层要求较高，既要高强度又要快速固化，聚脲因其优良的力学性能、固化速度块、耐磨损、附着力好等优点，采用聚脲做防水层可满足技术指标要求。聚脲弹性体比传统的橡胶防水板和防水涂料更适合在隧道工程中应用。对于隧道、地铁等高难度防水工程，提供了一种先进的防水材料和方便快捷的施工方法。 喷涂聚脲技术对表面凹凸、拐角等不规则断面有很好的适应性，是不规则断面较多的无碴轨道防水处理的良好选择。水利工程聚脲弹性体在水电站大坝溢出流面、地下隧道防水等水利工程中应用，使用结果表明聚脲防水材料强度高、附着力好，防水效果十分显著。在高流速含沙水流条件下，采用喷涂聚脲弹性体作为混凝土表面防冲磨层在技术上是可行的，在材料性能、简化施工和加快进度等方面具有明显的技术优势，将有力地推动水工建筑物抗冲磨技术的发展，在水利水电工程中具有广阔的应用前景。目前在浙江新安江水电站、内蒙古尼尔基水电站和黄河小浪底水利工程得到成功应用。此外，在国内几十家火力发电厂的污水处理池均采用了喷涂聚脲防水材料，聚脲涂层连续、无接缝，不渗漏、防水效果良好。建筑领域聚脲弹性体密度小、压缩强度大、导热系数小、吸水率低、可用于建筑屋面、外墙及地下防水，防水围堰以及污水处理池、游泳馆、隧道、巷道等的防水处理，特别适用高档建筑物屋顶种植屋面的防水层，完全承受系统荷载，并且具有蓄水、保温、隔热、隔声及节能的效果。也可以用于防滑要求较高的运动场、游泳池及水 （海）上动物表演馆等建筑的地面、通道、楼梯和防滑路面等工程的渗漏治理和裂纹修补使用，以及用于在跨海大桥、海岸钢结构等工程，道路路面、飞机跑道等耐磨工程，建筑装饰及抢修等工程。其他领域聚脲弹性体材料具有优良的防腐性能，在国防领域可广泛用做军舰舱内铺地材料、甲板防滑材料以及楼梯、机舱和舵板的防腐材料，可喷涂于冲锋舟底部起到耐磨、防划伤等作用，还可应用于军用车辆、军用地垫等。用聚脲直接喷涂于聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫雕刻的道具表面是一层硬质且有弹性的保护材料，瞬间固化，生产效率高，比传统的方法更经济，原型再现好，真实反映原物的外部轮廓和造型细节，耐风雨侵蚀，与泡沫表面不起任何化学反应，在影视道具，人造景观中是石膏、水泥、木材、玻璃钢等传统制作方法的更新换代产品。在其他领域，聚脲弹性体材料还广泛应用于冶金电镀、长距离输送油，气，水管道、高温炉、反应罐等耐热工程，以及卡车耐磨衬里、矿山耐磨衬里等耐磨工程。展望目前我国已进入高速铁路发展的黄金时代。根据2004年1月国务院批准的《中长期铁路网规划》，“十一五”期间，我国将投资1.5万亿元新建铁路1.7万km，其中约7000km是客运专线。与传统铁路不同，高铁采用无碴轨道，要求防水层不仅具有防渗、抗裂的基本性能，还要能经受高速、重载、交变冲击等火车高速行驶带来的冲击，性能单一的传统防水材料达不到高速铁路的要求。喷涂聚脲涂层因没有接缝、黏结力强，真正做到了“皮肤式”防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲性、抗开裂、耐紫外以及耐高低温性能，满足了高铁的特殊要求。可以预见，随着在高铁上的成功应用，聚脲技术会在越来越多的行业发挥其神奇的作用。据了解，我国正在建设和计划建设一批与高速铁路、高速公路配套的海底隧道、过江隧道和山体隧道。目前正在建设的隧道有全长8.7km，海底5.95km的厦门祥安隧道、全长7.8km，海底5.5km的胶州湾隧道、海底3.5km的大连湾海底隧道、全长2.93km的南京浦口隧道，全长35km的香港、珠海、澳门桥梁隧道工程也即将开工建设。同时，根据保增长扩内需政策，2009年国家将加大环保领域的投资，尤其是加速建设污水处理厂。国家大剧院景观水池防水工程全部采用聚脲涂料。同时，国内的城市轨道交通建设在沉寂7年之后将再次呈现火爆局面。2009年8月20日，住房和城乡建设部透露，目前国务院已批复22个城市地铁建设规划，总投资8820.03亿元。以上这些拉动内需的“主战场”，无疑都将成为聚脲巨大的消费市场。业内专家预测，在国家扩内需政策的拉动下，我国2009年对聚脲的需求量将在1万t以上。国内在这方面的研究和应用才刚刚起步，我国还将建设以西气东输、南水北调、西电东送、青藏铁路为代表的一大批基础设施工程，聚脲弹性体及其喷涂技术必将在这些重大项目上为国民经济建设作出巨大的贡献。发展建议6.1尽快颁布实施喷涂聚脲国家标准目前国内对聚脲和半聚脲缺乏明确、严格的科学定义，一些企业都是以所谓“半聚脲”产品充斥市场，价格、质量方面良莠不齐，非常混乱。而有的企业以聚脲自居，炒作概念，从中渔利。这些产品投入使用后陆续暴露出耐化学介质不够、老化加剧、失效过快等弊端。因此，应尽快颁布实施喷涂聚脲国家标准，以净化聚脲市场，防止鱼目混珠，有利于规范市场和促进创新。从而加快我国聚脲产品的升级换代，开拓聚脲新的应用领域，推动我国聚脲研究和应用水平的全面提高。6.2尽量降低喷涂聚脲产品生产成本传统的涂料尽管有价格优势，但质量和使用寿命却受到限制。相对于传统防护涂料而言，聚脲的一次性投资相对较高。从长期效益看，很容易弥补原料的高成本。时下我国为应对金融危机出台了拉动内需经济刺激计划，铁路、公路、水利、能源等基础设施建设提速，给聚脲产品带来了一次难得的市场机遇，聚脲企业能够抓住机遇，千方百计把产品生产成本降下来，使聚脲的优异性能完全发挥出来，让聚脲真正成为物美价廉，值得推广应用的新型涂装材料。努力提高喷涂聚脲产品的施工质量聚脲因其技术的特殊性，对操作技术要求高，一旦施工技术不好，服务不到位，好产品发挥不出应有的优势，也就不能长久和有效的占领市场份额。目前聚脲喷涂的施工还是靠人工的反复移动来完成的，劳动强度大，整体均匀性差，人为因素多。科研机构要加强相关技术的攻关，逐渐向全自动、机械化方向发展，尽量减少人为因素，进一步提高工程整体质量。改善我国聚脲施工水平低下的情况。此外，还必须要加强施工人员的专业培训，持证上岗，不能因工程进度急迫而草率上阵、临时搭班。参考文献：钟鑫，杜根洲，蒋玉涛，等.喷涂聚脲防腐弹性涂料[J].现代涂料