新型聚脲涂料的发展及在电力行业的应用

廖有为,马刚林

(1.湖南湘江涂料集团有限公司,湖南长沙 410003;2.湖南潇汉化工防腐有限公司,湖南长沙 410082)

1 喷涂聚脲弹性体涂料技术发展历程

喷涂聚脲弹性体技术 (以下简称聚脲或聚脲涂料)是在聚氨酯 RIM技术的基础上发展起来的。正如聚氨酯 RIM技术的发展经历了纯聚氨酯、聚氨酯 (脲)到聚脲 3个阶段一样,喷涂聚脲弹性体技术也经历了 3个阶段。见表 1。

表 1 喷涂聚脲弹性体技术的发展阶段

在美国,Texaco公司 (现属 Huntsman)的Dudley J.PrimeauxⅡ率先研发成功喷涂聚脲弹性体技术,1989年首次发表研究论文。1991年该技术在北美地区投入商业应用,立即显示出优异的综合性能,受到用户欢迎。之后开发喷涂聚脲体系的公司还有 Huntsman,Enviro Chem,Speciality Products Inc,Signature Lining,Mobile Enterprise和Madison Chemical Industries Inc等。澳大利亚于 1993年引进该技术,日本于 1995年引进该技术,韩国于1997年引进该技术,并相继投入商业应用。

在我国,青岛海洋化工研究院于 1995年开始喷涂聚脲技术的前期探索应用,1997年从国外购进了最新的喷涂设备。湖南湘江涂料集团 2000年从美国引进该技术,经过消化吸收,从 2002年开始在皮卡车厢耐磨、电力建设、石油石化防腐、建筑防水等领域大规模地推广应用。自京津城际高速铁路建设开始,我国的新建高速铁路包括国家规划的四纵四横高速铁路的混凝土桥梁面均设计使用聚脲作为防水层,这是聚脲诞生以来全世界范围内用量最大的工程,把聚脲的发展推向一个新高潮。同时由于有高铁项目的支撑,聚脲从原材料、配方、施工设备及施工工艺等方面均得到了极大的提高和发展,有力推动聚脲在其他行业,如电力、交通、石油等行业的应用和发展。

2 喷涂聚脲涂料的化学原理及特点

在聚氨酯体系中,为了提高反应活性,必须加入催化剂,催化剂在催化羟基与异氰酸酯反应的同时也催化异氰酸酯与水发生反应,产生气体,导致材料性能急剧下降;聚脲体系则完全不同,它使用了端胺基聚醚和胺扩链剂作为活性氢组分,与异氰酸酯组分的反应活性极高,无须任何催化剂,即可在室温 (甚至 0℃以下)瞬间完成反应。各反应的化学方程式如下:

聚氨酯反应:

聚脲反应:

异氰酸酯与水的反应:

喷涂聚脲涂料通常具有以下特点:

(1)不含催化剂,快速固化,可在任意曲面、斜面及垂直上喷涂成型,不产生流挂现象,5秒钟凝胶,1分钟即可达到步行强度。

(2)对湿气、温度不敏感,施工时不受环境温度、湿度的影响 (可在 -28℃下施工;可在冰面上喷涂固化)。

(3)双组分,100%固含量,不含任何挥发性有机物 (VOC),对环境友好,无污染施工,卫生施工无害使用。

(4)热喷涂,一次施工厚度范围可从数百微米到数厘米,克服了以往多次施工的弊病。

(5)优异的理化性能,极高的抗张抗冲击强度,防腐蚀,耐磨性,防湿滑,耐老化等。

(6)具有良好的热稳定性,可在 120℃下长期使用,可承受 350℃的短时热冲击。

(7)原形再现性好,涂层连续、致密,无接缝,无针孔,美观实用耐久。

(8)使用成套设备施工,效率极高;一次施工即可达到设计厚度要求,设备配有多种切换模式,既可喷涂,也可浇注。并可通过施工工艺控制即达到防滑效果。

(9)具有良好的粘结力,可在钢材、木材、混凝土等底材上喷涂成型。

3 喷涂设备及施工工艺

喷涂聚脲设备的工作原理为 A(异氰酸酯组分)、R(活性氢组分)2种物料分别经由各自的抽料泵从料桶输送至主机进行计量、加压、升温,然后输送至喷枪,在喷枪混合后喷出。计量输送和混合系统是喷涂设备的 2个主要系统 (如图 1)。因此,喷涂聚脲设备必须具有:平稳的物料输送系统,精确的物料计量系统,均匀的物料混合系统,良好的物料雾化系统及方便的物料清洗系统。

图 1 聚脲喷涂机系统示意图

施工工艺分为:底材处理、聚脲涂料喷涂、后处理、密封胶施工、面漆施工 (非必选项)。

底材处理是保证施工质量的关键,可分为金属底材和混凝土底材。金属底材处理,首先将底材喷砂处理至 Sa2.5级,对于焊缝等缺陷部位,用环氧腻子找平,使整个底材能够平滑过渡,待环氧腻子固化后用角磨机磨平。然后清洁底材,辊涂或刷涂2遍配套底漆;混凝土底材处理,对混凝土预制件进行抛丸处理,或者用角磨机、高压水枪等清除表面的灰尘、浮渣。待底材完全干燥后,用堵缝料进行表面找平,需堵缝部位待堵缝料固化后用角磨机磨平。然后清除掉表面的污物,刷涂或辊涂 1遍配套底漆,待用。

底漆重涂间隔最长为 24 h,最短为 3 h。聚脲涂层的喷涂应在底漆施工后 3～168 h内进行,如果间隔超过 168h,在喷涂聚脲涂层前一天应重新施工 1次底漆,然后再施工聚脲层。在喷涂之前,应用干燥的高压空气吹掉表面的浮尘。

喷涂设备施工参数如下:主加热器温度:A料70℃;R料 75℃;长管保温温度:70℃;提料泵压力:A料 80～90 psi;R料 80～90 psi;空气压力:80～90 psi;动态压力:A料 2200psi;R料2200 psi。

4 我国针对喷涂聚脲涂料制订的标准

随着聚脲涂料的不断发展,为了规范聚脲市场,我国于 2006年制订了 HG/T3831-2006《喷涂聚脲防护材料》化工行业标准,2009年制订了GB/T23446-2009《喷涂聚脲防水涂料》国家标准,《喷涂聚脲防水工程技术规范》标准正在建立过程中。为适应高速铁路桥梁防水建设的需要,铁道部科技司于 2009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的行业标准。

在湖南省内,相关企业也开发出了一系列的聚脲涂料,主要有 URS-308耐磨聚脲弹性体涂料(符合 HG/T3831-2006《喷涂聚脲防护材料通用型标准》要求)、URS-501聚脲防护材料 (符合HG/T3831-2006《喷涂聚脲防护材料通用型标准》要求)、URS-502聚脲防水涂料系列 (符合GB/T23446-2009《喷涂聚脲防水涂料Ⅰ、Ⅱ标准》要求,同时也符合客运专线铁路混凝土桥梁面防水层的技术要求)、URS-503管道及泡沫表面保护聚脲涂料 (符合 HG/T3831-2006《喷涂聚脲防护材料刚性标准》要求)。

5 喷涂聚脲涂料在电力行业的应用实例

图 2 益阳火力发电厂除盐水箱内壁防腐

电力是国家能源行业的龙头产业,尤其是近年来新能源的开发和利用得到国际社会的高度重视。聚脲作为防腐及防护行业的新产品在电力行业得到很好的应用和广泛的发展,如图 2所示即为应用一例。近年来国内火力发电厂除盐水箱内壁防腐,循环水池及水处理设施的防腐防渗,电厂建筑物屋顶地面的防水防腐,水力发电的闸门防腐等均设计采用喷涂聚脲弹性体涂层并得到行业的广泛认可。同时在火力发电的脱硫烟道,风力发电的叶片保护,生物发电的垃圾场置场的防腐防护等领域的应用也进行了积极的探索。

喷涂聚脲弹性体涂层以其优异的性能在防腐、防护、耐磨、防水等领域获得广泛的应用。尤其在国内近几年来受到业界的广泛重视和高度关注。美国 PDA(Polyurea Development Association)的国际联络官 Lee Bower先生通过对我国聚脲市场进行考查后惊呼 “聚脲诞生在美国,发展却在中国!”。

6 喷涂聚脲涂料未来发展要求及趋势

从产品的角度逐步淘汰聚氨酯 (脲),广泛采用纯聚脲,并对高性能聚脲进行深入细致的研究,如耐高温、耐强腐蚀、耐强磨损等。相比传统的芳香族聚脲脂肪族聚脲具有耐黄变、耐老化性好的优点,在美国一般设计采用在芳香族聚脲的表面喷涂0.2 mm的脂肪族聚脲,但脂肪族聚脲价格昂贵,国内尚缺乏对其进行有效的研究,开发能让市场接受、价格适中的脂肪族聚脲是未来业界的一个目标。聚天门氡氨酸酯树脂因引入空间位阻较大的基团能降低该仲氨基与异氰酸酯反应速度,同时采用HDI做为固化剂具有较好的耐老化性能,在 DTM涂层以及风电叶片表面保护涂层等领域有广阔的市场前景,是业界未来研究的主要方向。

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