聚脲彈性體的發(fā)展

摘要：介紹了噴涂聚脲彈性體的理化性能、技術(shù)特點、研發(fā)歷程、應(yīng)用領(lǐng)域及前景展望，并對聚脲彈性體產(chǎn)業(yè)在今后國內(nèi)的發(fā)展提出了一些建議。關(guān)鍵詞：涂料，聚脲，性質(zhì)，市場需求分析，遠景聚脲是國外近20年來剛剛興起的一種新型環(huán)保材料。美國聚脲發(fā)展協(xié)會(PDA)對聚脲的定義是由異氰酸酯封端的預(yù)聚物與氨基化合物組分反應(yīng)生成的高聚物。采用噴涂工藝施工的噴涂聚脲彈性體稱為SprayPolyureaElastomer，簡稱SPUA。聚脲是聚氨酯的升級產(chǎn)品，被譽為20世紀末期涂料，是現(xiàn)代涂裝領(lǐng)域重要的創(chuàng)新技術(shù)。噴涂聚脲彈性體性能優(yōu)越，能充分滿足混凝土、金屬、木材等各類材料的防水、防腐以及裝飾的要求。聚脲優(yōu)異的物理化學(xué)性能及適用性能給機械設(shè)備、石油化工、礦山開采、防水工程、道具制作、車間地坪、體育設(shè)施等工程領(lǐng)域帶來全新的發(fā)展。目前，噴涂聚脲彈性體產(chǎn)品的應(yīng)用范圍日益擴大，可廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)防腐、混凝土保護、屋面防水保溫、水池防護內(nèi)襯、工業(yè)地坪、城市立交橋防護、港口設(shè)施、水電工程、核電工程等領(lǐng)域。我國已經(jīng)應(yīng)用噴涂聚脲技術(shù)的重要工程有京津高速鐵路、國家奧運場館、洋山深水港、上海世博會場館、上海外灘交通通道等大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，正在建設(shè)中的京滬高鐵全線路軌混凝土防護也將全面應(yīng)用這項先進技術(shù)。在防腐蝕性能和環(huán)境保護方面，聚脲彈性體己顯示出了巨大的技術(shù)和市場優(yōu)勢，并受到日益廣泛的關(guān)注。理化性能聚脲，是由異氰酸酯組分與氨基化合物組分反應(yīng)生成的一種彈性體物質(zhì)， 被視為繼高固體分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料之后的一種新型無溶劑、無污染的“綠色涂料”。聚脲材料具有高抗沖擊性、高伸長率、高撕裂強度等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，拉伸強度最高可達2715MPa，伸長率最高可達1000%。聚脲的耐介質(zhì)性能十分突出，耐候性好，耐冷、耐高溫和熱沖擊，對濕度和溫度不敏感，防水、耐磨、耐老化、耐化學(xué)介質(zhì)和交變溫度(壓力)、耐核輻射，在戶外長期使用不粉化、不開裂、不脫落，極大地延長了鋼結(jié)構(gòu)、混凝土的壽命。聚脲彈性體對混凝土的粘結(jié)強度)5MPa，超過混凝土間粘結(jié)強度，是一種集塑料、橡膠、涂料、玻璃鋼之大成的“萬能”材料。噴涂聚脲彈性體由半預(yù)聚體、端氨基聚醚、胺擴鏈劑等原料組成，采用先進噴涂技術(shù)成型，快速固化，具有優(yōu)異理化性能等突出特點，使其在工程應(yīng)用中顯示出無可比擬的優(yōu)越性。聚脲彈性體可以加入各種顏料制成不同顏色的制品，可摻人其他填料如短玻璃絲纖維等對材料進行增強，并具有良好的熱穩(wěn)定性，可在170C下長期使用，并承受350C的短時熱沖擊。聚脲快速固化特性使其可在任意曲面、斜面、垂直面及頂面連續(xù)噴涂成型，不產(chǎn)生流掛現(xiàn)象，5s即凝膠，1min后便可達到步行強度。聚脲彈性體與其他新型環(huán)保涂料相比，不論是材料本身還是從施工技術(shù)上來說都具有突出的優(yōu)異性能。聚脲與環(huán)氧樹脂的主要物理化學(xué)性能對照見表1。聚脲彈性體噴涂技術(shù)特點現(xiàn)場施工方便施工時不受環(huán)境溫度、濕度影響，可在冰上施工，在-28t下施工及在冰柜中固化。不含催化劑，快速固化、凝膠，3min可達到強度。立面連續(xù)噴涂無流掛，效率極高，一次施工即可達到設(shè)計的厚度，克服了其他材料多道施工的麻煩。噴涂施工快捷，使用成套噴涂設(shè)備，單機日施工面積在1000m2以上。噴涂聚脲材料節(jié)點細部施工較方便，不需要專用纖維增強層。施工后不需要特別維護，節(jié)省了昂貴的維護費用。涂層性能優(yōu)越涂層致密、連續(xù)、光滑、無接縫、無針孔，防腐性優(yōu)越，物理性能優(yōu)異，強度好，伸長率高，美觀實用。聚脲彈性體對鋼、鑄鐵、鋁、混凝土、木材、泡沫等各類底材均有優(yōu)良的附著力。長期使用不起泡，不脫落，不空鼓。根據(jù)使用需要，可隨意調(diào)整涂層厚度，并且耐候性好，戶外長期使用無粉化、無開裂、無脫落。涂層具有優(yōu)良的抗水滲透性，整體無縫、組織致密、堅韌、粘結(jié)力強，真正的“皮膚式”防水，可用于迎水面防水，也可用于背水面防水。符合環(huán)保要求聚脲彈性體雙組分，100%的固含量，配方體系任意可調(diào)，手感從軟橡皮到硬彈性體。可以像普通涂料一樣，加入各種顏、染料，制成不同顏色的制品。不含任何揮發(fā)性有機化合物(volatileorganiccompounds,VOC)，對環(huán)境友好，抗燃阻燃性好，著火蔓延率低，并可自熄，全面突破了傳統(tǒng)環(huán)保型涂裝技術(shù)的局限性，可廣泛應(yīng)用于防水、防腐、耐磨、表面裝飾等領(lǐng)域，是無污染的綠色噴涂技術(shù)。應(yīng)用范圍廣泛聚脲的抗拉強度、撕裂強度、沖擊強度、粘結(jié)力、延伸率、耐磨性、耐刺穿、抗碾壓、耐硌破、防濕滑等特點顯著，并且有優(yōu)異的抗混凝土開裂性和良好的防腐功能。聚脲可耐大部分腐蝕介質(zhì)酸、堿、鹽、海水、氯離子等的長期浸泡，對金屬、非金屬底材均有極強附著力，如鋼、鋁、鋼筋混凝土、木材、玻璃鋼、聚氨酯泡沫等，并已成為石油、天然氣、石化、化工、海洋石油、高速鐵路、水利工程、污水處理等眾多領(lǐng)域新一代防腐、防水、耐磨的新型涂料。與傳統(tǒng)環(huán)保型涂料相比，聚脲彈性體擁有無可比擬的優(yōu)越性，聚脲彈性體與其他傳統(tǒng)環(huán)保型涂料使用性能比較見表2。瑕1聚I?與環(huán)能樹脂的主要物理化學(xué)性能對照物理化學(xué)件能ASTM標準100%固含啟彈性聚懈100號固會鼠剛性聚ft?;fl標準號抵標耐沖tfi性/尬D2749(ba-!}15050陰扱劇離ZTG4220（平均）8-308柔韌性D4145（1血軸心）通過通過伸t<5-13002RH710005000.通過5000.通過耐裁性/kgD406011550轟2聚朦彈性體與其他傳統(tǒng)環(huán)保型涂料使用性能比較jflifl高固體水性光固化粉末S-J押性體分涂料涂料涂料涂料p(V()C)/050~1500-15000(g'L-1)施工方法新型常規(guī)常規(guī)新璽新礙防腐性能優(yōu)好—殷一般優(yōu)適用底材不限不限不限木材為主金屬施工壞境不限crca上5TW±廠房內(nèi)廠房內(nèi)一次成膜無限制<150<100<50<800厚度/pun3研發(fā)歷程噴涂聚脲彈性體技術(shù)是為適應(yīng)環(huán)保需求而研制、 開發(fā)的一種新型無溶劑、無污染的綠色涂裝技術(shù)，是21世紀的一項科學(xué)創(chuàng)舉，其發(fā)展經(jīng)歷了聚氨酯、聚氨酯脲和聚脲三個階段。德國、美國是噴涂彈性體技術(shù)的發(fā)源地，這項技術(shù)最先由美國在 1986年研發(fā)成功，1991年開始在北美地區(qū)進入商業(yè)化應(yīng)用，顯示出其優(yōu)異的綜合性能，受到用戶歡迎。并于 2000年成立美國聚脲發(fā)展協(xié)會。據(jù)該協(xié)會最新統(tǒng)計顯示，2008年，全球聚脲產(chǎn)品消費量達到3.5萬t，其中美國占46%，亞洲占23%，歐洲占19%，澳大利亞、南非、智利等其他國家和地區(qū)占11%。國內(nèi)青島海洋化工研究院1995年開展噴涂彈性體技術(shù)的前期探索研究， 1997年引進了美國Gusmer公司最新設(shè)計制造的H-3500噴涂機。海洋化工研究院依靠自己的科研實力，自力更生，1998年開發(fā)了我國的第一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的聚脲配方體系， 2000年完成第一個聚脲戶外工程，隨后把聚脲推廣應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)防腐、 混凝土保護、屋面防水保溫、水池防護內(nèi)襯、工業(yè)地坪、體育場館、水電工程、鐵路工程等領(lǐng)域，為國內(nèi)的聚脲應(yīng)用開辟了先河。聚脲技術(shù)在國內(nèi)于1999年開始投入商業(yè)應(yīng)用，青島海洋化工研究院研制的聚脲彈性體相繼在青島海豚表演館水池、上海滬東造船廠船舶地板和沈陽普利斯通公司護舷等項目成功應(yīng)用。自2000年起，海洋化工研究院參加各類展覽和會議，并發(fā)表了40多篇專業(yè)性文章，大力宣傳和推廣聚脲技術(shù)。2007年3月，海洋化工研究院將全套聚脲技術(shù)在青島佳聯(lián)化工新材料有限公司進行產(chǎn)業(yè)化，并致力于聚脲產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用，相繼把聚脲產(chǎn)品應(yīng)用到京津鐵路、奧運場館、北京南站、上海外灘隧道等國家重點工程中。聚脲產(chǎn)品問世10年來，在我國得到快速的發(fā)展。國內(nèi)江蘇省化工研究所、煙臺華特聚氨酯公司、湖南湘江涂料集團有限公司、廣州秀珀化工股份有限公司等紛紛投入聚脲的研制中。目前已研究開發(fā)成功了防水耐磨材料、防滑鋪地材料、阻燃裝飾材料、道具保護材料、耐磨襯里材料、柔性防撞材料，并已實施工程實際應(yīng)用。美國SPI公司、美國紐科、韓國一山、美國寶萊、我國臺灣環(huán)聚、美國聯(lián)合涂料、美國順締等公司也陸續(xù)在我國大陸銷售聚脲。與此同時，美國Huntsman公司、美國陶氏、德國Bayer公司、德國BASF公司等化工巨頭也在我國大陸設(shè)立代理商。我國聚脲產(chǎn)業(yè)從1999年進入商業(yè)應(yīng)用以來，產(chǎn)品產(chǎn)量飛速增長。成為全球聚脲產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)。2001年，我國聚脲產(chǎn)量僅有200t，到2007年，已經(jīng)增長到6000t。尤其是近幾年，聚脲已經(jīng)在涂料領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。從早期的籃球場地、小型看臺、電廠水池、管道內(nèi)襯、皮卡車斗和影視道具等小規(guī)模場合，逐漸擴大到京津高速鐵路路基、鐵路橋梁、奧運會比賽場館大型看臺、國家大劇院室外景觀水池、上海洋山深水港筑港鋼樁、毛主席紀念堂屋面、濟南十一屆城運會“東荷西柳”比賽場館看臺等大型基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域，其中在京津高速鐵路路基和橋梁橋面防護中的全面應(yīng)用尤其引人注目，防護總面積約100萬m2，使用聚脲2000多噸。這是聚脲第一次在高速鐵路上獲得大規(guī)模應(yīng)用，也是當(dāng)時全球最大的聚脲防水工程。應(yīng)用領(lǐng)域相對于傳統(tǒng)防護涂料，聚脲的一次性投資相對較高。但一般防護涂料三五年就要進行修復(fù)或翻新，不但維修費用巨大，而且間接損失巨大，甚至不可修復(fù)，而聚脲防護涂料有效防護年限長達上百年。因此，選取一次性成本略高，但性能優(yōu)越、可靠性及維修性好，使用年限長、壽命周期費用低、年均防護成本低的聚脲涂料顯然更經(jīng)濟。由于聚脲彈性體材料的出色性能，在短短十幾年里迅速應(yīng)用到工業(yè)、民用、國防等眾多領(lǐng)域?；し栏垭鍙椥泽w在酸、堿、鹽、油、水以及高寒、地下和海洋等惡劣環(huán)境條件下，表現(xiàn)出優(yōu)異的超重防腐性能，用于化工鋼質(zhì)儲罐內(nèi)、外壁防腐可代替橡膠襯里、塑料襯里和玻璃鋼襯里，固化快，施工方便，不污染環(huán)境，襯里質(zhì)量好，耐介質(zhì)腐蝕性能十分突出。聚脲還可用于有保溫要求的化工儲罐，作為保溫層的防護層，以及用作化工儲罐圍堰，化工地溝、電工排水溝及地面防滲層等表面的防護。此外，在石油、石化、油田化工設(shè)備及附屬設(shè)施，大型儲罐、原油罐、管道內(nèi)外壁、酸洗槽、電鍍槽、鹽水罐、蒸發(fā)池等的防護、防腐、防滲漏領(lǐng)域，也有著廣泛的應(yīng)用。交通工程城際軌道交通工程的路基對混凝土的防水層要求較高，既要高強度又要快速固化，聚脲因其優(yōu)良的力學(xué)性能、固化速度塊、耐磨損、附著力好等優(yōu)點，采用聚脲做防水層可滿足技術(shù)指標要求。聚脲彈性體比傳統(tǒng)的橡膠防水板和防水涂料更適合在隧道工程中應(yīng)用。對于隧道、地鐵等高難度防水工程，提供了一種先進的防水材料和方便快捷的施工方法。 噴涂聚脲技術(shù)對表面凹凸、拐角等不規(guī)則斷面有很好的適應(yīng)性，是不規(guī)則斷面較多的無碴軌道防水處理的良好選擇。水利工程聚脲彈性體在水電站大壩溢出流面、地下隧道防水等水利工程中應(yīng)用，使用結(jié)果表明聚脲防水材料強度高、附著力好，防水效果十分顯著。在高流速含沙水流條件下，采用噴涂聚脲彈性體作為混凝土表面防沖磨層在技術(shù)上是可行的，在材料性能、簡化施工和加快進度等方面具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，將有力地推動水工建筑物抗沖磨技術(shù)的發(fā)展，在水利水電工程中具有廣闊的應(yīng)用前景。目前在浙江新安江水電站、內(nèi)蒙古尼爾基水電站和黃河小浪底水利工程得到成功應(yīng)用。此外，在國內(nèi)幾十家火力發(fā)電廠的污水處理池均采用了噴涂聚脲防水材料，聚脲涂層連續(xù)、無接縫，不滲漏、防水效果良好。建筑領(lǐng)域聚脲彈性體密度小、壓縮強度大、導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水率低、可用于建筑屋面、外墻及地下防水，防水圍堰以及污水處理池、游泳館、隧道、巷道等的防水處理，特別適用高檔建筑物屋頂種植屋面的防水層，完全承受系統(tǒng)荷載，并且具有蓄水、保溫、隔熱、隔聲及節(jié)能的效果。也可以用于防滑要求較高的運動場、游泳池及水 （海）上動物表演館等建筑的地面、通道、樓梯和防滑路面等工程的滲漏治理和裂紋修補使用，以及用于在跨海大橋、海岸鋼結(jié)構(gòu)等工程，道路路面、飛機跑道等耐磨工程，建筑裝飾及搶修等工程。其他領(lǐng)域聚脲彈性體材料具有優(yōu)良的防腐性能，在國防領(lǐng)域可廣泛用做軍艦艙內(nèi)鋪地材料、甲板防滑材料以及樓梯、機艙和舵板的防腐材料，可噴涂于沖鋒舟底部起到耐磨、防劃傷等作用，還可應(yīng)用于軍用車輛、軍用地墊等。用聚脲直接噴涂于聚苯乙烯泡沫或聚氨酯泡沫雕刻的道具表面是一層硬質(zhì)且有彈性的保護材料，瞬間固化，生產(chǎn)效率高，比傳統(tǒng)的方法更經(jīng)濟，原型再現(xiàn)好，真實反映原物的外部輪廓和造型細節(jié)，耐風(fēng)雨侵蝕，與泡沫表面不起任何化學(xué)反應(yīng)，在影視道具，人造景觀中是石膏、水泥、木材、玻璃鋼等傳統(tǒng)制作方法的更新?lián)Q代產(chǎn)品。在其他領(lǐng)域，聚脲彈性體材料還廣泛應(yīng)用于冶金電鍍、長距離輸送油，氣，水管道、高溫爐、反應(yīng)罐等耐熱工程，以及卡車耐磨襯里、礦山耐磨襯里等耐磨工程。展望目前我國已進入高速鐵路發(fā)展的黃金時代。根據(jù)2004年1月國務(wù)院批準的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，“十一五”期間，我國將投資1.5萬億元新建鐵路1.7萬km，其中約7000km是客運專線。與傳統(tǒng)鐵路不同，高鐵采用無碴軌道，要求防水層不僅具有防滲、抗裂的基本性能，還要能經(jīng)受高速、重載、交變沖擊等火車高速行駛帶來的沖擊，性能單一的傳統(tǒng)防水材料達不到高速鐵路的要求。噴涂聚脲涂層因沒有接縫、黏結(jié)力強，真正做到了“皮膚式”防水，同時還具有優(yōu)異的耐磨性、抗沖性、抗開裂、耐紫外以及耐高低溫性能，滿足了高鐵的特殊要求。可以預(yù)見，隨著在高鐵上的成功應(yīng)用，聚脲技術(shù)會在越來越多的行業(yè)發(fā)揮其神奇的作用。據(jù)了解，我國正在建設(shè)和計劃建設(shè)一批與高速鐵路、高速公路配套的海底隧道、過江隧道和山體隧道。目前正在建設(shè)的隧道有全長8.7km，海底5.95km的廈門祥安隧道、全長7.8km，海底5.5km的膠州灣隧道、海底3.5km的大連灣海底隧道、全長2.93km的南京浦口隧道，全長35km的香港、珠海、澳門橋梁隧道工程也即將開工建設(shè)。同時，根據(jù)保增長擴內(nèi)需政策，2009年國家將加大環(huán)保領(lǐng)域的投資，尤其是加速建設(shè)污水處理廠。國家大劇院景觀水池防水工程全部采用聚脲涂料。同時，國內(nèi)的城市軌道交通建設(shè)在沉寂7年之后將再次呈現(xiàn)火爆局面。2009年8月20日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部透露，目前國務(wù)院已批復(fù)22個城市地鐵建設(shè)規(guī)劃，總投資8820.03億元。以上這些拉動內(nèi)需的“主戰(zhàn)場”，無疑都將成為聚脲巨大的消費市場。業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，在國家擴內(nèi)需政策的拉動下，我國2009年對聚脲的需求量將在1萬t以上。國內(nèi)在這方面的研究和應(yīng)用才剛剛起步，我國還將建設(shè)以西氣東輸、南水北調(diào)、西電東送、青藏鐵路為代表的一大批基礎(chǔ)設(shè)施工程，聚脲彈性體及其噴涂技術(shù)必將在這些重大項目上為國民經(jīng)濟建設(shè)作出巨大的貢獻。發(fā)展建議6.1盡快頒布實施噴涂聚脲國家標準目前國內(nèi)對聚脲和半聚脲缺乏明確、嚴格的科學(xué)定義，一些企業(yè)都是以所謂“半聚脲”產(chǎn)品充斥市場，價格、質(zhì)量方面良莠不齊，非?；靵y。而有的企業(yè)以聚脲自居，炒作概念，從中漁利。這些產(chǎn)品投入使用后陸續(xù)暴露出耐化學(xué)介質(zhì)不夠、老化加劇、失效過快等弊端。因此，應(yīng)盡快頒布實施噴涂聚脲國家標準，以凈化聚脲市場，防止魚目混珠，有利于規(guī)范市場和促進創(chuàng)新。從而加快我國聚脲產(chǎn)品的升級換代，開拓聚脲新的應(yīng)用領(lǐng)域，推動我國聚脲研究和應(yīng)用水平的全面提高。6.2盡量降低噴涂聚脲產(chǎn)品生產(chǎn)成本傳統(tǒng)的涂料盡管有價格優(yōu)勢，但質(zhì)量和使用壽命卻受到限制。相對于傳統(tǒng)防護涂料而言，聚脲的一次性投資相對較高。從長期效益看，很容易彌補原料的高成本。時下我國為應(yīng)對金融危機出臺了拉動內(nèi)需經(jīng)濟刺激計劃，鐵路、公路、水利、能源等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提速，給聚脲產(chǎn)品帶來了一次難得的市場機遇，聚脲企業(yè)能夠抓住機遇，千方百計把產(chǎn)品生產(chǎn)成本降下來，使聚脲的優(yōu)異性能完全發(fā)揮出來，讓聚脲真正成為物美價廉，值得推廣應(yīng)用的新型涂裝材料。努力提高噴涂聚脲產(chǎn)品的施工質(zhì)量聚脲因其技術(shù)的特殊性，對操作技術(shù)要求高，一旦施工技術(shù)不好，服務(wù)不到位，好產(chǎn)品發(fā)揮不出應(yīng)有的優(yōu)勢，也就不能長久和有效的占領(lǐng)市場份額。目前聚脲噴涂的施工還是靠人工的反復(fù)移動來完成的，勞動強度大，整體均勻性差，人為因素多?？蒲袡C構(gòu)要加強相關(guān)技術(shù)的攻關(guān)，逐漸向全自動、機械化方向發(fā)展，盡量減少人為因素，進一步提高工程整體質(zhì)量。改善我國聚脲施工水平低下的情況。此外，還必須要加強施工人員的專業(yè)培訓(xùn)，持證上崗，不能因工程進度急迫而草率上陣、臨時搭班。參考文獻：鐘鑫，杜根洲，蔣玉濤，等.噴涂聚脲防腐彈性涂料[J].現(xiàn)代涂料