1　聚脲簡介

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)。一般來說，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。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，基本不會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，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，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，與基材的潤濕不充分，且所需的專門噴涂設(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 公司推出了聚天門冬氨酸酯樹脂作為氨基化合物組分，聚天門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，氨基組分的性能對涂層性能影響很大。由腰果殼油改性獲得的酚醛胺類環(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。含硅氧烷的聚天門冬氨酸酯樹脂，與HDI 三聚體進(jìn)行預(yù)聚，獲得了有機(jī)硅改性樹脂，通過引入有機(jī)硅結(jié)構(gòu)單元，使得樹脂的性能兼具聚天門冬氨酸酯樹脂和有機(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冬氨酸酯涂料配方中，通過測試?yán)胃街?、耐鹽霧性能及電化學(xué)交流阻抗，研究了石墨烯對聚天門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，還能夠通過其高韌性減少爆炸碎片對人體的傷害，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，但由于針對爆炸等威脅的防護(hù)材料工作狀況極其復(fù)雜，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行測試不僅價(jià)格高昂，有能力開展相關(guān)測試的單位數(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)角度來說，聚脲涂料在軍事防護(hù)方面的應(yīng)用仍需要開展大量工作。

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?，可以有效防止水分、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、對濕度環(huán)境不敏感、無溶劑、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對舊隧道進(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)械和汽車用涂料

汽車底盤噴涂了環(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，非常匹配汽車底盤需要節(jié)能降耗和提高涂膜防護(hù)效果的要求。聚脲涂料作為底盤涂料、汽車中涂漆、汽車面漆的性能進(jìn)行了檢測，認(rèn)為聚脲汽車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，從樹脂材料上分類，聚脲防腐涂料又可分為純聚脲防腐涂料和聚天門冬氨酸酯聚脲防腐涂料，前者是基于SPUA 技術(shù)，涂裝厚度大，受限于樹脂和種類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。一種無溶劑型聚天門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 組分為聚天門冬氨酸酯、聚合型改性聚天門冬氨酸酯、填料和少量助劑。該涂料凝膠時(shí)間長、拉伸強(qiáng)度大、斷裂伸長率高，防水防腐性能優(yōu)異且耐候性好，無溶劑、對環(huán)境友好。同時(shí)，該涂料可手工施工，不需要專門的大型噴涂設(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、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)速度過快，耐高溫耐腐蝕性與氟碳涂料存在差距等問題，并提出了噴涂聚脲的噴涂本身技術(shù)難度較大，對施工人員的素質(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，而聚天門冬氨酸酯聚脲的第一份涂料專利也是在20 年代90 年代初期公開，幾十年間，聚脲涂料已經(jīng)逐步覆蓋了各種應(yīng)用場景。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，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較慢的聚天門冬氨酸酯聚脲體系，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，對聚脲體系的研發(fā)仍應(yīng)繼續(xù)，特別是針對其適用期、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)助劑的開發(fā)，以及對其專門噴涂設(shè)備的性能改進(jìn)；另一方面，要求某一種樹脂體系擁有完美的性能不現(xiàn)實(shí)，應(yīng)重視對聚脲涂料的應(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，聚脲涂料的市場才能夠進(jìn)一步發(fā)展壯大。