聚脲材料防爆手套的研制与性能评价

刘 巍 周 建 鲍蓓蕾 刘玉军 邱 烨 孔维恒

(1.中国海关科学技术研究中心，北京 100026；2.山西聚脲防护材料有限公司，太原 030032)

制造爆炸现象是犯罪分子破坏社会公共安全，危害人民生命财产安全的重要手段之一，其后果非常严重。针对风险可疑邮寄物，研发适用于多种风险因子并存环境下使用的防护装备极为重要。

聚脲具有优异的防水性、耐老化性、抗紫外线、防止老化、变色等性能，可应用于高档建筑物的屋顶防水;聚脲材料还具有优异的耐磨、消音、降噪性，其耐磨性是碳钢的10倍，环氧树脂的3～5倍,可用于经常有人走、车辆活动多的工业重载地坪地下车库地面、工业厂房地面，体育场看台、运动场地面等[1,2]。作为防弹和防爆材料，聚脲也大有作为。防弹聚脲是一种超硬、超级坚韧的能量吸收材料。当子弹击中涂层时，硬度迅速提高可以消耗掉大部分能量，网状分子结构可以在背弹面将弹头兜住，阻止子弹穿透；防爆聚脲是一种超级坚韧的皮肤式涂层，具有强大的吸能转化功能。当遇到爆炸冲击波后，其玻璃化温度迅速改变，硬度瞬间提高几十倍，可以承受巨大的爆炸冲击而不破坏。可用来加强各种军用基板的防爆能力[3]。例如,装甲车辆抗爆组件、军车、建筑物结构加固等,能够防止被保护基板在遇到爆炸发生时产生碎裂和形成碎片，显著减少人员伤亡和财产损失[4]。

基于聚脲的优异性能，可用其制造防爆手套，作为直接接触小型可疑爆炸物的防护装备，本文研制了聚脲防爆手套的制备方法，并对其应用性能进行了评价研究。

1 聚脲材料的制备及工艺控制

1.1 聚脲的制备方法

聚脲作为一种A、B双组份、无溶剂、快速固化的弹性材料；A组份是由端氨基或端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的半预聚物；B组份是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成的混合物。在生产A 组份时，为降低能耗，反应釜升温到70℃～90℃之后，开启真空系统，同时从反应釜底部充入氮气，脱去反应釜中物料的水分。聚脲A组份脱水时间由原来的4小时减少到0.5～1.5小时，脱水温度由原来的110℃～130℃降低到70℃～90℃，此外，由于脱水温度降低，A组份不容易变黄，从而提高了产品品质。

在生产B组份中，B组份反应釜代替拉缸，专门用于生产聚脲B组份，反应釜体积加大到5m3；聚脲B组份4小时可生产5m3，提高了生产效率。

1.2 生产工艺

(1)A组份的生产工艺：

反应釜内加入按质量比为40～50份，分子量1500～2500，官能度为2的聚氧化丙烯醚多元醇，8～10份邻苯二甲酸二异壬酯(DINP)。DINP是一种增塑剂，而多元醇将与要加入的异氰酸酯反应，生成含异氰酸酯根的预聚体；

反应釜升温到70℃～90℃之后，开启真空系统，同时从反应釜底部充入氮气，脱去反应釜中物料的水分。0.5～1小时后，反应釜中物料水分检测小于0.05%后，降温到40℃～70℃，加入20～25份4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(4,4′-MDI)，15～26份2,4′-二苯甲烷二异氰酸酯(2,4′-MDI)。在60℃～90℃温度下反应1.5～4.5小时后，降温至60℃以下，过滤，出料包装。工艺流程见图1。

(2)B组份的生产工艺：

反应釜内加入分子量1500～2000、官能度为2的聚氨酯基聚醚，分子量300～500、官能度为2的聚氨酯基聚醚，防分色助剂；分子量1500～2500、官能度为2的聚氨酯基聚醚50～55份、分子量300～500、官能度为2的聚氨酯基聚醚3～5份，防分色助剂0.01～0.05份。开启搅拌系统，调转速至300～600转/分。在此转速下，加入0.1～0.5份脱水剂，调转速至900～1200转/分，高速分散30～35分钟。

然后依次加入分子量150～200、官能度为2的胺扩链剂、分子量280～330、官能度为2的胺扩链剂、紫外线吸收剂、消泡剂、增塑剂、润湿分散剂、金红石型钛白粉、黑色浆、分子量4000～6000、官能度为3的端氨基聚醚到反应釜内，搅拌30～35分钟至充分搅拌均匀。用100目过滤网过滤，充氮密封包装。工艺流程见图2。

图2 B组分工艺流程

2 聚脲防爆手套的制备

与常规聚脲材料相比，聚脲防爆材料的防爆破机理非常复杂，对拉伸强度、断裂强度等力学性能要求较高。通过对软段种类，相对分子质量、硬段含量及异氰酸酯指数等因素研究后，聚脲防爆手套的制备采用以下工艺流程。

(1)聚脲材料的调制

聚脲材料的分子主链是由柔性链段(软段)和刚性链段(硬段)交替组成的嵌段共聚物，其中硬段包括脲键和氨酯键。硬段与软段在热力学上的不相容性产生了微相分离，微相分离结构赋予了聚脲材料优异的物理和机械性能。软段提供韧性和弹性，硬段贡献刚性和强度。调整B组份中端氨基扩链剂添加量，使材料中软段分子增加，这对于聚脲弹性体的防爆性能起着关键作用。同时根据防爆手套的特点，对材料的柔性要求很高，因此研制时大幅增加了端氨基扩链剂的使用量。

(2)聚脲材料硬度的确定

根据端氨基扩链剂使用量的不同，制备5种聚脲材料，涂布于织物表面，干燥后考察涂层织物的硬度，根据防爆手套的使用场景，确定合适的软硬度。

(3)防爆手套的底涂工艺。

制备A、B两组分，先将各组分取出少许，在烧杯中混合并快速搅拌，将搅拌均匀的浆料快速涂布于普通针织劳保手套表面，使涂层全面覆盖手套表面，且使涂层厚度均匀。该工艺使手套表面形成一道薄膜，便于后续喷涂。涂布后，常温晾干备用。

(4)防爆手套的喷涂工艺

两个组分混合涂布于手套表面，会快速反应固化成为类似橡胶的材料，待表面干后(手指按压不沾手)进行喷涂。

AB两种液体在专用喷枪内高温(70℃)高压(150～170公斤)快速撞击混合，快速喷涂到已经过底涂的手套表面，使涂层均匀。制备3种不同厚度手套，人工试用，选择合适的厚度[5]。

(5)风化干燥

喷涂后的手套，常温室内放置7天，AB两种材料进一步反应，最终达到设计指标(成品如图3)。

图3 风化干燥完成的防爆手套成品

3 成品性能的测试

由于防暴手套这样的柔性物质，防暴效果很难测试，我们寻找了替代方法。项目组定制了5只气球，并对这些气球进行了均匀性检验。试验时用移液枪向气球内定量加注3mL蒸馏水并进行封闭。在专业爆炸测试场地用20克黑火药进行爆炸测试(相当于12克TNT当量)。在一定距离下当5只气球均被爆破，记录此时气球顶点距爆炸点的距离。测试结果如下：

(1)无防护情况下，50cm时，5只气球均被爆破(据长期从事烟花爆竹测试人员评估，此时会使人体造成严重伤害)；

(2)将注水后的气球置于普通劳动保护手套内，30cm时，5只气球均被爆破；

(3)将注水后的气球置于本项目研制的两种防爆手套内，20cm时，部分气球才会被爆破；

(4)将注水后的气球置于本项目研制的两种防爆手套内，15cm时，5只气球才会全部被爆破。

4 结论

本项目研制的两种防暴手套，均对爆炸物有相当的防护效果。发现可疑爆炸物且必须人工开启包装时(此时一般为小包装，大包装可使用机械臂拆包)，只要借助长度20cm以上的工具，如长柄钳子、改锥等即可有效保护拆包人员不受严重伤害。