纳米改性聚脲涂料的研制与施工应用

data-full-width-responsive="true"> 纳米改性聚脲涂料的研制与施工应用马晓燕1，贺军会1，王军委1，贾虎昌1，贺少鹏1，宋朝辉2(1西北工业大学，西安 721068；2宝鸡市铁军化工防腐安装有限责任公司，陕西宝鸡 721303)0 前言喷涂聚脲弹性涂料(spray polyurea elastomer，简称SPUA)是近10年来继高固体分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂料之后，为适应环保需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染、高安全、无毒的绿色环保涂料。聚脲涂料是一种双组分、无溶剂、快速固化的弹性材料；A组分是由端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的半预聚物；B组分是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成的混合物，不含有任何羟基成分和催化剂，但允许含有少量颜料及分散助剂；A、B组分在专用喷涂设备的喷枪内混合喷出，快速反应固化生成弹性体防水膜。施工时受环境温度、湿度影响小，对水分、湿气不敏感，涂层物理性能优异，可广泛应用在石油管道、炼油化工、电力设备、桥梁工程、舰船防护、海洋设施、机场跑道、污水处理、地铁、隧道、电厂脱硫等行业的金属(非金属)防腐、防水涂装领域[1]。为了提高聚脲涂料性能和应用范围，用纳米材料对聚脲涂料进行改性，纳米改性聚脲涂料是在聚脲涂料中加入纳米材料，提高其物理、化学性能的实用型技术。纳米改性后的聚脲涂料在柔韧性、耐磨性、附着力、冲击强度高、抗各种介质腐蚀性能等方面都得到了极大的提高，如表1所示。1 技术原理和性能纳米改性聚脲涂料是在聚脲材料中加入纳米材料，提高涂料各种性能的实用型技术。其技术关键主要有两方面：首先将可与聚脲涂料均匀相溶的纳米级改性材料与聚脲涂料均匀相溶，形成符合要求的纳米改性聚脲弹性涂料功能材料；其次将这种功能材料使用专用喷涂设备在高温、高压状态下喷涂施工，形成一套适应纳米改性聚脲涂装的工艺参数，以充分实现纳米改性聚脲涂料的目标性能。11 产品制备和原理聚脲涂层是一种新型、高效、双组分、喷涂施工的弹性体材料。其双组分分别是异氰酸酯预聚体、氨基封端的聚醚树脂。纳米粒子因其小的尺寸效应、隧道效应等使其成为聚合物改性的一个主要方向。纳米粒子不但可以改善聚合物的综合力学性能，还可以提高其耐高温性能、阻燃性能、阻隔性能及抗紫外线老化性能。通过多年来的研究及理论分析认为，纳米粒子结构及在聚合物中的分散和界面粘接性能对复合材料的性能起着重要影响，而纳米粒子在聚合物中分散及界面粘接不但与纳米的表面性能、聚合物的结构有关，还应与加工过程中外部提供的机械力有关。在较强的外部机械力特别是剪切力的作用下，纳米初始颗粒首先将得到进一步的细化与分散；充分分散的纳米粒子由于具有较大的比表面积而使得界面粘接作用得到提高；另外，在外部剪切力的作用下，纳米颗粒表面与高聚物大分子内有可能发生键的断裂，形成新的键合活性自由基，这种新的自由基由于活性很高而极易发生焊合，形成新的大分子或纳米粒子表面接枝的高聚物分子，从而使纳米粒子与聚合物组分之间的原子相互扩散并形成新相，即通过动力学的方法使热力学上不相容或相容性差的体系达到一定相容，使无机相的黏土与有机相的高聚物之间形成界面粘接更好的界面层，最终得到结构均匀和综合性能优异的纳米复合聚脲涂料[2]。纳米改性聚脲涂料是采用能与聚脲及纳米黏土、纳米二氧化硅、纳米三氧化二铝等具有很好相互作用的有机改性剂对纳米粒子进行有机改性，借助超高速均质剪切设备搅拌，在较强外力作用下分散纳米粒子于聚脲组分中，再将其在专用喷涂设备中高压喷涂混合，制备纳米复合聚脲涂层。得到力学性能、热性能及防腐性能良好的功能涂层，该涂层可在提高现有涂层性能的基础上，使其应用范围扩大到耐大气老化、耐高温、耐磨性、抗腐蚀要求高的工程中[3]。12 基本配方(见表2)13 工艺流程131 技术工艺流程(见图1)132 生产工艺流程(见图2)14 喷涂原理纳米粒子的加入也将影响到聚脲涂料的喷涂工艺参数，本文研制的纳米改性聚脲涂料根据聚脲的结构及组分特点，分别研究在其中的分散对最终材料性能的影响，通过调整其工艺参数，达到使纳米粒子分散在聚合物基体中的目的。纳米改性聚脲涂料是全新概念的特殊涂料，但喷涂聚脲技术并不是人们所理解的那么简单，以为只要有设备和原料就万事俱备。事实恰恰相反，大量的工程质量事故证明了喷涂聚脲对高施工技术的要求。喷涂聚脲仍必须以足够的涂装技术为基础，如基层的表面处理、施工技术要求、喷涂操作技术等，某些聚脲工程发生质量问题正是由于缺乏基本的涂装技术。纳米改性聚脲涂料的优点是通过专用喷涂设备和喷涂工艺体现出来的。纳米改性聚脲涂料的性能与喷涂设备、喷涂工艺性能紧密相连、相互影响。这就使得聚脲涂料工艺具有特殊性，聚脲涂料在设定的高温高压下依靠对冲式机械混合，使双组分充分雾化以实现喷涂。因此送料的压力平衡、AB组分的黏度平衡和充分混合是质量保证的前提，其中关键是黏度平衡。喷涂聚脲涂层的发泡是工程质量事故频发的现象之一，也会影响涂层与基层的粘接力，这不仅与涂料质量有关，也与施工过程中现场环境和基材表面状态有关[4]。国外许多厂家开发了适应聚脲涂料喷涂的专用设备，纳米改性聚脲涂料的施工和常规聚脲涂料的方法基本一样，唯一区别是喷涂时对设备的参数有所差异。15 综合性能和指标随着聚脲涂料的不断发展，为了规范聚脲市场，我国于2006年建立了HG/T38312006《喷涂聚脲防护材料》化工行业标准，2009年建立了GB/T234462009《喷涂聚脲防水涂料》国家标准。为适应高速铁路桥梁防水建设的需要，铁道部科技司先后分别于2006年8月和2009年6月发布了《京津城际轨道交通工程混泥土桥面喷涂聚脲防水层技术条件和验收标准》和《京沪高速铁路混泥土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件》。为配合国家规划的四纵四横高速铁路的快速建设，铁道部科技司紧接着于同年10月发布了《客运专线铁路桥梁混凝土桥面喷涂聚脲防水层暂行技术条件》，随着聚脲涂料的蓬勃发展，国内聚脲行业的同仁们正在积极筹备建立聚脲涂料防腐领域的国家标准以及在电力、油汽输送管道上应用等行业标准[5]。经试验和应用表明，经纳米改性后的复合聚脲功能涂层材料，其性价比要远大于单纯聚脲产品材料的2～3倍，特别是其优异的化学与物理性能，可以用于各种恶劣或极端环境中，委托中国铁道部科学研究院对纳米改性聚脲涂料进行检测，依据GB/T 234462009《喷涂聚脲防水涂料》和HG/T38312006《喷涂聚脲防护材料》标准，其检测结果如表3、表4所示。2 应用纳米改性聚脲涂料的成功研制填补了我国在聚脲防腐材料技术领域的空白，除了提高防腐水平外，更重要的是替代了原来低端产品的应用[6]。纳米改性聚脲涂料在陕西省志丹县高级中学体育场看台、广西南宁体育场看台和屋顶、甘肃靖远发电厂除盐水箱等重要的工程项目中成功应用，成为这些行业的样板工程，通过与其他防腐产品同时施工比较，其优异的性能及综合性价比优势得到了这些行业工程设计部门、业主单位的认可。21 首用工程纳米改性聚脲涂料于2009年5月首次使用在陕，使用面积达到5 300 m2，施工质量正常，通过3 a多的观察，完好如初，无空鼓和脱落现象，达到了预期的目的(见图3)。22 广西南宁体育场看台和屋顶南宁体育场看台和屋顶面积达17 000 m2，2009年11月全部采用纳米改性聚脲涂料施工，涂层厚度为15～20 mm，完工至今未见渗水，崭新如初。其良好的防水、防腐性和装饰性，达到了预期的目的，得到南宁市政府市政工程管理处的赞扬，被评为优良工程(见图4)。3 结语国外对聚脲产品的研究已经成熟，主要针对不同行业的特殊要求进行专业防腐产品的开发。例如聚脲防水、防腐材料及设备在高速铁路、船舶、公路桥梁、化工设施等方面都有新的专门产品出现。在喷涂设备的制造方面和喷涂工艺方面，国外都进行了深入的研究，这直接提升了聚脲产品的使用范围[7]。据陕西省科学技术信息研究所报告表明：本文研制的纳米改性聚脲涂料技术在国内目前地位领先。在聚脲产品的纳米改性研究方面，国内尚未有同类型的功能材料的研究报道。而经纳米改性后的复合聚脲功能涂层材料，其性价比要远大于单纯聚脲产品材料2～3倍，特别是其优异的化学与物理性能，可以用于长距离输送油(气、水)管道、跨海大桥、深水港码头、地铁隧道、机场设施、电厂脱硫、舰船防护、乙烯工程、电视塔台以及军事工业等各种恶劣或极端环境中，又可用于过街天桥、防坡堤、屋面防水、垃圾填埋、影视道具等民用设施，具有广阔的市场前景。