聚脲涂料的研究与应用

张文毓

（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳 471023）

0 引言

聚脲涂料是继高固体分涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等低（无）污染涂装材料之后，又一种新型无溶剂、无污染的绿色涂料。它是最新一代环境友好型高性能产品之一，其固体分高、黏度低、干燥速度快，具有极佳的耐候性，同时其涂膜既具有极高的表面硬度又具有良好的柔韧性和耐磨性。由于具有施工固体分高、快干免烘等特点，有效地减少了对环境的危害，同时提高了施工效率，节省了人员、时间和能源成本，聚脲涂料现已广泛应用于汽车车架及零部件防腐、玻璃钢等非金属防护，以及混凝土地坪等领域。

1 概述

喷涂聚脲弹性体技术（SPUA）是美国Texaco 化学公司于1991 年开发成功的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术，是在聚氨酯反应注射成型（RIM）技术的基础上发展起来的，结合了聚脲树脂的反应特性和RIM 技术快速混合、快速成型的特点，可在各类复杂形状的表面形成连续的整体涂层。

聚脲树脂是由异氰酸酯组分（A 组分）与胺基组分（R 组分）反应得到的高聚物，其分子主链中包含重复的脲基链段。其中，A 组分可以是异氰酸酯的单体也可以是异氰酸酯的衍生物；R 组分必须是端氨基树脂。聚脲涂料可以分为纯聚脲和聚氨酯/聚脲两类，它具有如下性能特点：（1）对湿气、温度不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响。（2）双组分，高固含量，对环境友好，无施工污染。（3）优异的理化性能，极高的抗张、抗冲击强度、柔韧性、耐磨性、防湿滑、耐老化、防腐蚀性。（4）涂层致密，无接缝，无针孔，好看、好用且持久。

由于聚脲材料的出色性能，该技术自1999 年在我国投入商业应用以来，已经在众多工程领域中得到了广泛应用。

2 发展历史及研究现状

20 世纪40 年代，科研工作站在估算一些高分子材料的耐热性和熔点时第一次提及聚脲，同时得知聚脲具有优良的耐热性和很高的熔点，但是在当时的实验室条件下还不能够制备聚脲材料。20 世纪60年代初，前苏联的O.LFedotova 等着手研究聚脲的制备。20 世纪80 年代末，Dudley J.Primeaux Ⅱ在反应注射成型的基础上成功研发出了喷涂聚脲弹性体，标志着聚脲正式走向商业应用。20 世纪90 年代中期，我国科研工作者黄微波等引入聚脲喷涂设备，开始聚脲的研究工作，随后开发出我国第一个聚脲配方。进入21 世纪后，聚脲材料在我国发展迅速，相继应用于桥梁道路、工业地坪、体育工程、防护衬里及防水工程等领域。聚脲从开始研究到商业成功应用经历了几十载。

自20 世纪80 年代末，聚脲材料正式问世以来，国外科研工作者对聚脲的研究持续升温。David 等提出将脂肪二胺作为扩链剂，成功地降低了反应速度，得到了涂层表面光滑的聚脲材料。Aureliano Perez 等研究了基材底漆与聚脲涂层附着力的关系，结果表明，底漆对聚脲涂层的附着力影响较小。R. Casalini等研究了聚脲的交联密度、拉伸强度和断裂伸长率，结果表明，经多壁碳纳米管、纳米硅酸盐改性后，聚脲的交联密度、拉伸强度、断裂伸长率等均得到改善。Jerry L. Reddinger 等的研究提供了聚脲合成的各项指数，NCO 指数一般在1.05～1.10 之间，扩链剂的含量可以调节聚脲的凝胶时间和表干时间，施工条件不同，聚脲的力学性能不同。

自1995 年青岛海洋化工研究院的黄微波等开始了对聚脲的研究后，国内掀起聚脲研究的热潮。陈旭东研究了异氰酸酯、扩链剂对聚脲体系凝胶时间的影响，发现异氰酸酯的结构对聚脲的凝胶时间有显著影响，不同异氰酸酯的凝胶时间按TDI（甲苯二异氰酸酯）、纯MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）、液化MDI 顺序依次增加，扩链剂的胺基氢越活泼，凝胶时间越短。此外，王宝柱等研究了扩链剂的种类对聚脲性能的影响。杨宇润等对预聚体配方成分及—NCO含量与黏度的关系、—NCO 含量对涂层硬度、胺基组分配方对凝胶时间的影响，以及如何提高耐磨性、耐介质性等问题进行了研究及探讨。青岛理工大学功能材料研究所在研究聚脲材料的性能时，通过在配方中添加光稳定剂、抗氧化剂等显著提升了传统聚脲材料的耐蚀性和耐候性。陈酒姜等研制出一种喷涂型阻燃聚脲弹性体SPUA-301，研究了阻燃剂对喷涂聚脲弹性体各项性能的影响。结果表明，采用所筛选出的复合阻燃剂可大大提高聚脲体系的阻燃性能，得到阻燃性能良好的喷涂聚脲产品。

罗宁等对聚醚型聚氨酯体系进行了变温红外研究，结果表明，热处理、制样方法和化学组成等都可以影响脲氢键的状态。葛吭等在合成聚天冬氨酸酯的过程中将催化剂换为二乙基甲苯二胺，所得产物颜色灰暗，影响使用。长江科学院周涛等采用超声波、高速分散机的物理作用与硅烷偶联剂的化学作用相结合，制备了一种纳米二氧化硅改性的PAE（聚天门冬氨酸酯弹性体）聚脲，提高了聚脲涂层的抗冻、抗碳化和抗冲磨能力。杨娟等采用丙烯腈与伯胺反应制得一种仲胺扩链剂，所得聚脲的凝胶时间增加，拉伸强度和断裂伸长率得到改善。大连海事大学的衡丽娜采用氨基化碳纳米管和纳米二氧化钛成功改性PAE 聚脲，改善了聚脲的拉伸强度和硬度。吕平等使用E-51 型双酚A 型环氧树脂对聚天冬氨酸酯结构中的X 结构进行改性，有效提高了聚脲的强度。

3 应用进展

聚脲技术近10 年来成绩斐然，已成功应用于皮卡车车厢耐磨防腐、埋地管道防腐、京津高铁防水、北京奥运场馆等防腐防水领域。聚脲涂料作为一个地坪涂料的新品种，它具有其它防腐地坪材料无法比拟的优点：弹性好，断裂伸长率可达450%以上；耐磨性能好；防腐蚀性能好；防滑性能优良；附着力优良。如果要满足一个或多个功能性要求，聚脲材料将是最佳的选择。

3.1 混凝土防护涂料

混凝土表面喷涂聚脲材料，可以有效防止水分、盐分等的渗透，且可以耐光老化和高低温交变，聚脲是一种优良的混凝土防护涂料。

刘玉亭等以刷涂型脂肪族聚脲作为寒冷地区混凝土构筑物的抗冻防护材料，采用单组分聚氨酯基材处理与高耐候聚脲面漆配合的形式对混凝土进行防护，为混凝土材料建筑物的表面防护提供了新材料和新方案。

朱祖熹分析了地铁与隧道工程中墙面的工况，认为聚脲防水涂料在隧道工程上应用很有意义，与聚脲材料快速固化、对环境湿度不敏感、无溶剂、物理性能优异、涂层致密连续、抗渗透性高的特点非常契合，特别适合用于放坡开挖的隧道或分离式侧墙的现浇混凝土箱形结构（如大型箱涵涵管）、预制混凝土管节（如沉管法隧道的管段）的顶板侧墙，以及沉井井壁外的防护涂层。朱祖熹还列举了波士顿地铁隧道、美国北卡罗莱纳州的高速公路隧道、澳大利亚布里斯班CLEM7 道路隧道、日本东京地铁涉谷车站等工程实例，为聚脲防水涂料的应用提供了实例，并结合实例指出了其尚待解决的问题。

由长江科学院开发的CW 系列聚天门冬氨酸酯聚脲纳米复合材料，能对混凝土裂缝进行修补，并显著提高混凝土的抗冲磨、抗渗、抗冻融和耐化学侵蚀等性能，已成功应用于南水北调工程、宜昌汤渡河水库、重庆万盛板辽水库等众多水利工程中，起到除险加固与表面防护作用。南水北调中线工程的穿黄隧道采用了CW620 聚脲混凝土表面防护材料，解决了施工缝表面点状渗水的问题。

2011 年7 月，喷涂聚脲作为防护涂层成功用于青岛海湾大桥主桥墩的承台上，并取得了显著的防护效果。聚脲涂层作为一种新型高弹性、高强度的涂层，在很大程度上减缓了海洋环境对承台的冲击及磨损，阻止腐蚀介质的侵蚀。经过几年运行后，现场对涂层进行检测，聚脲涂层表面未见任何开裂破坏现象，仅表面色泽产生一定程度的变暗，光泽度下降。

港珠澳跨海大桥作为珠三角环线高速的重要组成部分，所用沉管为混凝土沉管，因长期浸泡在海水中，受冲击荷载、腐蚀介质和海水压力等多种不利因素的影响，沉管表面需要涂覆一定厚度的保护涂层。因聚脲优异的性能与便利的施工技术，被成功应用在大桥沉管隧道的施工缝处。经过不同时间段的验证，聚脲涂层未出现任何破坏现象，对混凝土结构起到了很好的保护作用。

海洋王国主题公园是珠海首个海洋类度假区项目，不渗透是满足该项目要求的首要条件，考虑到海洋动物因素，对施工的环保性及所用材料的耐磨性也有很高要求。张伶俐等介绍了喷涂聚脲技术在该海洋馆中的应用，聚脲涂层很好地解决了抗渗、防水、耐磨、混凝土修补及与聚脲的黏合问题。

纯聚脲涂层在混凝土防护及抗老化等方面具有优异的性能，可以长期承受海洋环境耦合作用的影响。随着聚脲技术的发展，聚脲涂层对海洋环境下的混凝土防护起到重要的保障作用。

3.2 汽车涂料

聚脲涂料高固体分、低温快干的特点，达到了节能减排的要求，据测算它与普通耐高温涂料相比，可以节省70%以上的能耗，减少20%以上的VOC（挥发性有机化合物）排放。聚脲涂料产品已成功用于汽车底盘、汽车零部件、大巴车车身、新能源汽车车身以及汽车转向器的涂装，其稳定的涂膜性能以及工艺性得到业界高度认可，是一种理想的汽车涂料，具有很高的推广价值。聚脲车架清漆可与电泳涂料直接配套使用，涂层耐老化性能优异，实现了免工件遮蔽工艺。

李华宁等主要研究了第3 代聚脲涂料的合成试验及汽车车架、零部件色漆的参考配方；廖有为等研究了聚脲涂料在皮卡车车厢上的应用，探讨了反应机理、喷涂工艺及施工参数等问题；俞勇研究了聚脲涂料在商用车底盘上的应用，采用独特的喷涂设备，在一定的施工参数下进行喷涂，讨论了其在静态混合器中间歇时间对喷涂效果的影响；宋华等开发了新型环保的聚脲涂料，设计了一系列的新型涂料配方体系，考察了涂层厚度、烘干规范、主要性能等指标，结果表明，新型涂料性能优异，将其喷涂在汽车底盘、轿车燃油箱总成外壁、客车车身蒙皮表面等作为电泳修补漆，应用性能良好，成本低于原用料成本。

姚学民等在汽车底盘上喷涂了环氧富锌底漆配套聚脲面漆涂层，获得了较好的防护效果，在耐盐雾性和耐老化性能上达到了很高的标准，并对超导电防腐底漆/阴极电泳漆/聚脲面漆和阴极电泳漆/聚脲面漆的性能进行了测试，认为聚脲涂料的低温固化特性和优异的性能，非常匹配汽车底盘涂装需要节能降耗和提高涂膜防护效果的要求。

田铁梁等分析了汽车涂装对涂层性能的要求，讨论了聚脲涂料在汽车涂装上的发展和应用基础，特别对聚脲涂料作为底盘涂料、汽车中涂漆、汽车面漆的性能进行了检测，认为聚脲涂料在综合施工性能、节能降耗、耐老化性方面完全能够满足汽车涂料的使用要求。

廖志雄等针对起重机机械的腐蚀防护需求，设计了一种聚脲涂料，并对起重机金属结构上喷涂聚脲涂层的性能进行了测试，讨论了聚脲涂层厚度对其力学性能的影响。

3.3 防水涂料

聚脲材料耐水性好，涂层致密，具有作为防水涂料的应用潜力。郁维铭综述了聚氨酯和聚脲防水涂料的研究现状，介绍了相关应用；邱小勇开发了一种无溶剂型聚天门冬氨酸酯聚脲防水涂料，该涂料由A，B两个组分组成，A 组分为多异氰酸酯和封端异氰酸酯预聚体，B 组分为聚天门冬氨酸酯、聚合型改性聚天门冬氨酸酯、填料和少量助剂。该涂料凝胶时间长、拉伸强度大、断裂伸长率高，防水防腐性能优异且耐候性好，无溶剂、对环境友好。同时，该涂料可手工施工，不需要专门的大型喷涂设备，应用领域较广。例如，聚脲防水涂料在北京-天津城际高铁的全线应用，也使这一工程成为聚脲防水涂料的代表性项目之一。

3.4 聚脲在外墙涂装方面的应用

在国外，聚脲外墙涂料一直作为标志性建筑金属装饰板材的罩面保护，其性能标准被列为美国建筑制造商协会AAMA 2605—2005 超性能涂层的性能要求和测试程序的自发性标准。聚脲涂料在欧美国家被称为“万能涂料”，与传统涂料相比，它不但具有出色的耐光耐候性，且表面有弹性、耐冲击、抗屈曲、耐磨性也极好。在使用过程中质量轻，不会加大涂覆物的表面负重，并且其表面灰尘也可通过雨水自动清洗。

3.5 防腐涂料

防腐涂料是聚脲材料的重要应用方向之一，主要是基于聚脲的高耐候性和高致密性，从树脂材料上分类，聚脲防腐涂料又可分为纯聚脲防腐涂料和聚天门冬氨酸酯聚脲防腐涂料，前者基于SPUA 技术，涂膜厚度高，受限于树脂的种类仅添加少量或不添加固体颜填料，后者的涂料配方与施工工艺与传统聚氨酯涂料类似。

张超智等综述了海洋防腐涂料的研究现状，认为SPUA 在海洋防腐中的应用潜力巨大；孔振英等以聚天门冬氨酸酯树脂与IPDI（异佛尔酮二异氰酸酯）三聚体作为基体树脂，筛选了颜填料、助剂和溶剂，开发出聚脲重防腐涂料，并将其应用在海洋环境中，性能测试结果表明，聚脲与环氧富锌底漆配套的涂料体系完全满足ISO 20340—2009《色漆和清漆 海上平台及相关结构防护涂料体系的性能要求》的要求。

聚脲涂料除了机械性能优异、环境友好等特点外，还因其具有防腐性能而被广泛应用于埋地金属管、大型涵洞修补工程、建筑及基础设施修复以及地铁与隧道工程。廖有为等介绍了埋地金属管用的聚脲防腐涂料。由于聚脲涂料在管道接口处施工性能优异，目前国际管道公司均采用聚脲涂料作为防腐涂料，如俄罗斯西伯利亚管道、美国阿拉斯加管道、墨西哥Majamar 气田管线等。进入21 世纪，国内铸铁管道的防腐保护层也采用了聚脲涂料。中国天然气管道科学研究院研制出储罐外壁用的无溶剂聚脲涂料。该产品一道涂覆即可满足储罐外壁防腐与耐候要求，可大幅延长储罐防腐层的使用寿命，确保储罐安全运行，提高施工效率。该产品还可降低施工过程中溶剂挥发对人员和环境的污染，提高了大型储罐建设的整体技术水平。

聚天门冬氨酸酯聚脲防腐涂料的研发与应用是聚脲防腐涂料的重要方向。聚天门冬氨酸酯树脂固含量高（90%～100%），环境友好，特别有利于对涂料VOC 的控制，一次施工即可获得较高的漆膜厚度，且固化速度较快，有利于大面积施工应用。此外，聚天门冬氨酸酯聚脲耐候性好，与氟碳涂料相当，且漆膜致密性好，耐磨性高，在重防腐涂料、风电塔筒涂料、船舶涂料等领域应用前景广阔。

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的聚脲产品，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，也可用于过街天桥、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。

近年来，国内不少重点基础设施工程选用了聚脲涂料：

● 京津城际高速铁路作为我国第一条设计时速350 km 的客运专线，采用了大量的新技术、新工艺，包括聚脲材料的全线应用。防水处理面积超过100 万m2，聚脲用量在2 000 t 以上，用量之大，在铁路防水工程中首屈一指，在世界上也是著名的聚脲工程之一。

● 国家大剧院景观水池防水工程全部采用聚脲涂料。

● 部分奥运场馆看台及屋顶采用聚脲涂料，大大加快了施工进度，如：北京丰台垒球中心、曲棍球馆、奥林匹克中心、奥林匹克水上公园等奥运场馆的混凝土看台表面防护涂层，累计达到10 万m2。

其他成功案例：

● 美国波士顿地铁隧道以及中国香港地铁隧道都成功采用纯聚脲作为防水材料，大大加快了施工进程并提高了质保年限。

● 中国台湾的高铁路基也成功采用纯聚脲涂料，缩短工期，延长了涂层的防水防腐寿命。

● 美国五角大楼停车场修复项目，采用纯聚脲涂料作为地面及屋顶防水材料。该涂层同时具有防冲击的作用。

3.6 聚脲在军工方面的应用

聚脲材料的高强度特性使其在防护领域具有极高的应用潜力，黄微波等综述了喷涂聚脲弹性体技术在军事领域的应用。翟文等列举了喷涂聚脲弹性体的主要性能指标，并列举了其在军用车辆、水面舰艇及冲锋舟、潜艇与鱼雷、无人遥控海底探测器及载人水下机器人、防御工事、导弹和运载火箭，以及军用“地毯”方面的应用。黄阳洋等对涂覆聚脲涂层和未涂覆聚脲涂层的护甲进行了分析研究，结果显示，涂覆聚脲涂层的护甲具有更好的防弹作用。增强抗弹性能始终是军事护甲的研发方向。部队训练、作战及武警处理突发事件时，为防止弹片、土石等意外物体击打、不慎撞伤头部或身体其他重要部位，官兵应佩戴安全防护用具，包括头盔、作战服、防弹衣等，有的还需要手持盾牌。Mohotti 等研究了聚脲涂层厚度对其抗弹性能的影响，结果表明，底材相同，涂层越厚，速度降越大，抗弹性能越强。其他学者进行了一系列仿真试验，其中一些学者还进行了数值模拟研究，并对无涂层、三明治结构涂层和层状涂覆3 种结构进行了对比试验，结果表明，层状结构涂层的抗弹性能最好。

4 展望

（1） 从产品的角度应大力开发脂肪族聚脲，毕竟芳香族聚脲在抗变色、耐候性等方面远不如脂肪族聚脲，但脂肪族聚脲价格昂贵，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。

聚天门冬氨酸酯树脂因引入了空间位阻较大的基团，能降低仲氨基与异氰酸酯的反应速度，是当前聚脲产品开发的一个热点，部分树脂原料已经完全可以国产化，该产品是国内聚脲的一个发展方向。

（2） 近年来国内聚脲工程失败的案例不胜枚举，一度将整个聚脲行业带入低谷，业内人士提出“一分聚脲，九分施工”的口号。合理的设计和使用聚脲，尤其是要很好地规避聚脲的快速固化带来的附着力不良的情况，在注意施工的前提下，开发不同基层的聚脲配套底漆，是聚脲未来发展的关键。

5 结语

随着喷涂聚脲涂料在我国应用的不断推进和发展，喷涂聚脲涂料作为一种绿色、环保、低能耗、高科技的功能材料，将在经济建设中发挥更大的作用。相信随着国家经济的不断发展，喷涂聚脲涂料在防水工程、人造景观、体育工程、耐磨衬里、防护衬里、工业地坪、浮力材料、玻璃钢制品等领域的应用会越来越广。