环氧改性聚脲超重防腐蚀涂料的研制

刘子康，王新锋，段文锋

（北京东方雨虹防水技术股份有限公司，北京101309）

钢结构的腐蚀问题遍及各行各业，大量的钢结构、管道、构件因腐蚀造成破坏，其损失相当严重。许多国家的调查表明，金属腐蚀造成的经济损失高达国民经济生产总值的3%～4%，腐蚀造成的间接损失更加难以估计。

喷涂聚脲弹性体（Spray Polyurea Elastormer，以下简称SPUA）技术是国外近10a来兴起的一种绿色材料技术。国外将SPUA技术用于建筑钢结构、石油化工储罐及设备、长距离输送油（气、水）管道、跨海大桥等钢结构防腐蚀，已经有近10a的历史。该技术在我国研发成功后，以其优异的防腐蚀性能和先进的施工技术，取得了非常好的防护效果，引起了国内防腐蚀界的极大关注［1-7］。

目前，普通的喷涂聚脲涂料虽然具有一定的防腐蚀性能，但是在某些腐蚀环境比较恶劣的使用条件下，还不能满足使用要求。为此，本工作在目前喷涂聚脲防腐蚀涂料基础上，采用环氧树脂通过化学改性的方式在合成阶段对喷涂聚脲防腐蚀涂料进行改性，讨论了环氧树脂对喷涂聚脲防腐蚀涂料的物理性能的影响。另外，采用环氧改性制备的喷涂聚脲超重防腐蚀涂料和普通聚脲防腐蚀涂料进行了防腐蚀性能对比。

1 试验

1.1 主要原料

聚醚多元醇GE-210、GE-220：工业级，上海高桥石油化工公司；聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000、PTMG-2000：工业级，日本进口；异氰酸酯TDI-80，MDI-2460，PAPI（44V20）：工业级，德国拜耳材料科技；端氨基聚醚D-2000、T-5000：工业级，美国亨斯迈公司；胺扩链剂E-100、E-300：雅宝公司；双酚A环氧树脂E-51、E-44、E-20：工业级，江苏三木化工股份有限公司；填料、助剂等，市售。

1.2 环氧改性聚脲超重防腐蚀涂料的制备

A组分：将一定量的聚醚多元醇加入到四口烧瓶中，加热至120～130℃，打开真空泵，在-0.095～-0.1MPa真空度下脱水2h，脱水后关闭真空泵，降温至60℃，加入称量好的异氰酸酯，混合均匀，缓慢升温至75～85℃，恒温反应2.5h后，加入环氧树脂继续反应2h，抽取样品用二正丁胺滴定法检测-NCO基团的含量，达到预定结果后降温至40℃后出料。

B组分：将一定量的端氨基聚醚和胺扩链剂加入到四口烧瓶中，加热至（90～100）℃，加入称量好的环氧树脂，恒温反应5h后，降温至40℃出料。

1.3 性能测试方法

超重防腐蚀聚脲涂料的拉伸强度和断后伸长率按照GB／T 528-2009《硫化橡胶或热塑性橡胶 拉伸应力应变性能的测定》进行测试，哑铃状试样为Ⅰ型形状，拉伸速率500mm／min；硬度按照GB／T 531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶 压入硬度试验方法》进行测试，采用邵D型硬度计；粘度采用NDJ-1E型旋转粘度计进行测试，试样温度为23℃。

2 结果与讨论

2.1 不同聚醚种类对超重防腐蚀聚脲性能的影响

选用多元醇GE-210、GE-220、PTMG-1000、PTMG-2000分别与MDI合成NCO含量为14%左右的超重防腐蚀聚脲，超重防腐蚀聚脲的拉伸强度、断后伸长率和硬度见图1、图2。

图1 不同多元醇合成超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和断后伸长率Fig.1 Tensile strength and elongation as a function of different polyols

图2 不同多元醇合成超重防腐蚀聚脲的硬度Fig.2 Hardness as a function of different polyols

由以上结果可以看出，采用聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000、PTMG-2000比采用普通聚醚多元醇GE-210、GE-220的拉伸强度和硬度都高，这是由于采用聚四氢呋喃醚多元醇比普通聚醚多元醇合成的超重防腐蚀聚脲固化后交联点密度大，所形成的交联网络中交联点较多，故其拉伸强度和硬度要比普通聚醚多元醇合成的超重防腐蚀涂料要高。但是由于其交联点密度较大，所以其断后伸长率较普通聚醚多元醇合成的超重防腐聚脲要低。而聚四氢呋喃醚多元醇中PTMG-1000的分子量又小于PTMG-2000，所以在NCO%相同的情况下，采用PTMG-1000合成的超重防腐蚀聚脲固化后交联点密度比采用PTMG-2000合成的超重防腐聚脲更大，所以在以上四种多元醇中采用PTMG-1000合成的超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和硬度是最高的。

2.2 NCO含量对超重防腐蚀聚脲性能的影响

以聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000和MDI合成不同NCO含量的超重防腐蚀聚脲，考察超重防腐蚀聚脲的拉伸强度、断后伸长率和硬度，结果见图3和图4。

从以上结果可以看出，超重防腐蚀聚脲的NCO含量从13%增至17%，其拉伸强度和硬度越来越高，这是由于随NCO含量的增高，超重防腐蚀聚脲涂膜中的硬段含量越多，形成的微晶区越多，所以其拉伸强度和硬度随NCO含量的增高而提高；而随着涂膜中微晶区越来越多，在拉伸时分子链段间的相对移动变得越来越困难，所以断后延伸率随NCO含量增高而降低。但是当NCO为17%时，涂膜的断后伸长率较低，表现出一定的脆性，所以NCO保持在16%比较合适。

图3 不同NCO含量下超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和断后伸长率Fig.3 Tensile strength and elongation as a function of NCO content

图4 不同NCO含量下超重防腐蚀聚脲的硬度Fig.4 Hardness as a function of NCO content

2.3 环氧树脂种类对超重防腐蚀聚脲性能的影响

以聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000和MDI合成NCO含量16%的超重防腐蚀聚脲，选用5%环氧树脂E-51、E-44、E-20分别改性A组分，超重防腐蚀聚脲A组分的粘度和硬度以及涂膜的拉伸强度和断后伸长率见图5、图6。由以上结果可以看出，采用环氧树脂E-51、E-44、E-20改性的超重防腐蚀聚脲粘度越来越大，这是由于环氧树脂的羟值随E-51、E-44、E-20的顺序越来越高，导致在加入相同量的环氧树脂的情况下，羟值越高交联度越高，其粘度越大，其中加入E-20的超重防腐蚀聚脲A组分粘度很大，不适合喷涂施工对低粘度的要求。采用环氧树脂E-51改性的超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和硬度没有明显的提升，这是由于E-51的羟值含量很低没有起到明显的改性作用；而加入环氧树脂E-44改性的超重防腐蚀聚脲拉伸强度和硬度有比较明显的提升，这是由于环氧树脂E-44的羟值比E-51高得多，其形成的交联结构比E-51强得多。

2.4 环氧树脂含量对A组分超重防腐蚀聚脲性能的影响

以聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000和MDI合成超重防腐蚀聚脲和环氧树脂合成超重防腐蚀聚脲A组分，选用不同含量的环氧树脂E-44进行改性，A组分超重防腐蚀聚脲的粘度和硬度以及涂膜的拉伸强度和断后伸长率见图7、图8。

图5 不同环氧树脂种类超重防腐蚀聚脲的粘度和硬度Fig.5 Viscosity and hardness as a function of epoxy type

图6 不同环氧树脂种类超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和断后伸长率Fig.6 Tensile strength and elongation as a function of epoxy type

图7 A组分不同E-44含量超重防腐蚀聚脲的粘度和硬度Fig.7 Viscosity and hardness as a function of E-44content in component A

由以上结果可以看出，随着A组分中环氧树脂E-44含量的增大超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和硬度呈现逐渐上升的趋势。这是由于环氧树脂E-44的加入，对超重防腐蚀聚脲体系主要起到增加交联点的作用，同时环氧树脂上的环氧基等极性基团增加了超重防腐蚀聚脲的分子链间的作用力；而当环氧树脂的加入量超过10%后，超重防腐蚀聚脲的A组分粘度上升较大，其粘度过大不能满足喷涂施工要求。所以在A组分中环氧树脂E-44的添加量为10%时较为合适。

图8 A组分不同E-44含量超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和断后伸长率Fig.8 Tensile strength and elongation as a function of E-44content in component A

2.5 环氧树脂含量对B组分超重防腐蚀聚脲性能的影响

以端氨基聚醚D-2000、T-5000和扩链剂E-100、E-300以及环氧树脂E-44合成超重防腐蚀聚脲B组分，选用不同含量的环氧树脂E-44进行改性，B组分超重防腐蚀聚脲的粘度和硬度以及涂膜的拉伸强度和断后伸长率见图9、图10。

图9 B组分不同E-44含量超重防腐蚀聚脲的粘度和硬度Fig.9 Viscosity and hardness as a function of E-44content in component B

图10 B组分不同E-44含量超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和断后伸长率Fig.1 0 Tensile strength and elongation as a function of E-44content in component B

由以上结果可以看出，随着B组分中环氧树脂E-44含量的增大，超重防腐蚀聚脲的拉伸强度和硬度呈现逐渐上升的趋势。这是由于环氧树脂E-44的加入，对超重防腐蚀聚脲体系主要进一步起到增加交联点的作用；而当B组分中环氧树脂的含量超过15%后，超重防腐蚀聚脲的硬度过大，变为了脆性材料，当B组分中环氧树脂的含量达到20%时，其粘度过大不能满足喷涂施工要求。所以在B组分中环氧树脂E-44的添加量为15%时较为合适。

2.6 环氧改性超重防腐蚀聚脲与普通聚脲的性能比较

采用本工作研制的环氧改性超重防腐蚀聚脲与目前普通防腐蚀聚脲做了性能比较，见表1。试样制备方式：A、B组分通过美国Graco公司的H-XP3主机和FusionMP喷枪按1∶1（体积比）喷涂形成聚脲涂膜，喷涂机的A组分和B组分的加热温度设定为60～70℃，管道加热温度设定为50～60℃，喷涂压力设定为13.79～17.24MPa，涂膜喷涂厚度为1.5mm。

表1 环氧改性超重防腐蚀聚脲与普通聚脲的性能比较Tab.1 Performance conparison of epoxy-modified spray polyurea in heavy-dnty anticorrosion and mornal polyureas

3 结论

考察了不同多元醇、不同NCO含量和不同的环氧树脂的种类及用量对环氧改性超重防腐蚀聚脲的影响。结果显示，环氧改性超重防腐蚀聚脲A组分采用聚四氢呋喃醚多元醇PTMG-1000与MDI合成，NCO含量16%，环氧树脂E-44含量10%改性合成，B组分采用端氨基聚醚D-2000、T-5000，胺扩链剂E-100、E-300，环氧树脂E-44含量15%改性合成制备的环氧改性超重防腐蚀聚脲，具有比较好的防腐蚀性能，与普通防腐蚀聚脲相比，其防腐蚀性能显著提高。

［1］董玉婷.聚脲防腐蚀涂料概述［J］.上海涂料，2006，44（10）：22-24.

［2］陈迺昌.聚脲弹性体喷涂技术在建筑及基础设施防护工程中的应用［J］.新型建筑材料，2009，46（11）：42-46.

［3］付河东.钢结构防腐蚀问题的探讨及对策［J］.科技向导，2011（6）：196-199.

［4］钟鑫，杜根洲，蒋玉涛，等.喷涂聚脲防腐蚀弹性涂料［J］.现代涂料与涂装，2007，10（2）：5-10.

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［7］黄微波.喷涂聚脲弹性体技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.