喷涂聚脲弹性体技术及应用 □黄微波;杨宇润;王宝柱 喷涂聚氨酯－聚脲弹性体是国外近10年来为适应环保需求而研制开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色涂装技术。与传统涂装及喷涂聚氨酯技术相比，喷涂聚脲弹性体（SprayPolyureasElastomer以下简称SPUA）技术不含催化剂，快速固化，可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，一次施工达到厚度要求。其对水分、湿气不敏感，是双组分，100％固含量。SPVA有优异的物理性能，良好的热稳定性。其配方体系可任意调，手感可从软橡皮到硬弹性体。使用成套喷涂、浇注设备，施工方便，效率高。设备配有多种切换模式，即可喷涂，也可烧注。 此外，喷涂聚脲弹性体材料还与钢、铝、砼、木材、沥青等底材有良好的附着力，其自身的耐老化性能也十分突出，应用前景非常广阔。 关键技术 喷涂聚脲弹性体技术的关键一是端氨基聚醚、胺扩链剂与异氰酸酯的反应及其工业化；二是喷涂所需要的专业化设备。 1.反应原理 喷涂聚氨酯－聚脲弹性体技术是在反应注射成型（ReactionInjectionMolding英文缩写RIM）技术的基础上发展起来的。聚氨酯－聚脲RIM技术从加工材料上经历了3个阶段，即纯聚氨酯（PU）、聚氨酯（PU）－聚脲（PUA）和纯聚脲（PUA）。在前两个阶段中，为了提高反应活性，必须加入催化剂；而PUA则 完全不同，它使用了端氨基聚醚和胺扩链剂作为活泼氢组分（以下简称R组分），与异氰酸酯组分（以下简称A组分）的反应活性极高，无需任何催化剂即可在室温（甚至0℃以下）瞬间完成反应。 在喷涂聚脲弹性体技术中，A组分又称半预聚体，它是由MDI（异腈酸酯）或MDI的改性物与二元或三元醇聚合物反应制得。A组分可是芳香族，也可是脂肪族。R组分又称为色浆，它是由聚醚、液体胺类扩链剂、颜填料、助剂等组成。因此，可根据用户需要，通过调整A、R组分中的软、硬链段的比例，制得不同弹性、抗张强度及硬度的SPUA材料。在R组分中，最常用的液态胺扩链剂是二乙基甲苯二胺，其反应速度极快，称为“快体系”，也可用仲胺或位阻型伯胺，以降低反应速度，延长凝胶时间称为“慢体系”。 2.专业化设备 对喷涂所需要的专业化设备基本要求有：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；方便的物料清洗系统。我们认为美国Gusmer公司生产的H系列主机和GX－7系列喷枪是本技术开发应用中较为合适的机型。 ①供料系统 Gusmer公司为喷涂聚脲弹性体技术设计的H系列主机（即物料输送比例泵）主要有两种型号H－2000和H－3500，两者的主要区别在于比例泵缸体直径的不同，H－2000缸体直径为120mm，最大输出压力为2000psi（1psi＝6.89kPa，下同）；H－3500缸体直径为80mm，最大输出压力为3500psi。H系列主机可将物料自室温加热到77℃，施工时可为增长管线（最长可达93m）提供保温功能，从而防止长距离物料输送时的料温下降。通过H系列主机和抽料泵的配合，实现A、R物料的平稳输送和精确计量。 ②喷枪系统 Gusmer公司设计制造的GX－7系列喷枪有一个尺寸很小的混合室，该混合室由特殊的塑料件制成，可根据A、R物料的比例及粘度的不同，进行适当的钻孔（如孔径、孔数），再借助H系列主机产生的高压，实施高温、高压、对撞式冲击，从而达到A、R物料的均匀混合。在枪的出口处，配有不同形式的模式控制盘（PatternControlDisc简称为PCD）。通过改变PCD的型号，实现圆形、扇型喷涂及浇注。开枪－关枪时机械清洁过程是通过枪上的阀杆与前后密封及气帽的协同配合完成无需使用有机溶剂进行清洗，十分方便；较长时间的停枪（如排除故障、过液等），只需用专门的洗枪罐，用有机溶剂进行彻底清洗，不必拆卸枪体。 ③工作压力 由于A、R物料的反应速度极快，因此，采用高温、高压、撞击式混合是十分必要的。研究结果表明，SPUA材料的物理性能随着压力的增大而明显提高，同时，雾化效果更好，涂层表面的粗糙、桔皮现象也明显消失。 5工作温度 除高压外，升高温度对改善喷涂效果也是十分有利的。在喷涂聚氨酯弹性体时，给物料加热容易出现发泡倾向增大、放热过分集中、粘度增大明显、反应速度加快、影响混合效果等弊病。而喷涂聚脲弹性体技术中则不然。由于聚脲反应速率常数的温度敏感性低，因此升温不会引起反应速度的急剧加快，反而会因物料粘度的明显下降，使A、R组分的混合及流动性得以改善，从表现上看似乎升温而使反应更加平缓了。可以看出，升温对改善材料的性能极为有利，同时使物料的雾化和流平性能改善。 材料性能 SPUA材料具有优异的综合力学性能。除此之外，此材料还有以下几个较为突出的性能： 1.低温韧性 通过多年的研究和开发，环氧材料的韧性得到了极大的改善，已作为地坪涂料大规模应用，但在应用中，这些材料都不同程度地出现低温脆性开裂、收缩、卷曲等不良热应力现象。而SPUA材料却完全不同，它不仅具有在很宽范围内（从邵氏A30到邵氏D65）调节硬度的能力，而且能在高硬度情况下保持优异的低温韧性。其中尤以脂肪族异氰酸酯（如m－TMXDI）与聚醚及低分子二元胺扩链剂（如D－230、T－403）制备的纯脂肪族SPUA材料的性能最为突出，芳香族SPUA材料的低温韧性也不错，但比脂肪族的要逊色一些。 2.户外耐老化性能 由于SPUA材料不含催化剂，其表现出优异的耐老化性能。虽然芳香族SPUA材料会出现泛黄和褪色，但决无粉化和开裂现象出现。 3.附着力 SPUA材料与多种底材都有良好的附着力，通过适当的配方筛选，可以得到附着强度超过SPUA自身强度的体系。当然，由于SPUA材料的反应速度极快，对底材的润湿能力差，多种因素都会影响其附着力。因此，在配方研究和施工过程中，必须加以充分考虑。对附着力有特殊要求的场合，最好通过调整配方，降低反应速度，确保涂层有足够的“抓底”时间。 除以上性能外，SPUA材料还有良好的抗盐雾腐蚀性、低渗透性、水解稳定性、抗湿滑性等综合性能，使得该材料一问世，就得到了广泛的应用。 应用领域 SPUA材料以其独特的组成和反应原理，在工程应用中显示出优越性。目前通用的聚氨酯、环氧、丙烯酸和醇酸树脂系涂料，施工一道（通常厚度50μm）后，至少需要12～24h的干燥时间，才能投入使用或进行下一道施工。喷涂聚脲弹性体技术则不同。由于其快速的固化反应，施工1.5～2.0mm厚的涂层，仅需30min即可完成，2～3h可投入使用。因为层间施工间隔只需几分钟到十几分钟，即一道施工结束，就可立即进行下一道施工，通常每道涂层的施工厚度在0.3～0.6mm（视枪的移动速度而定）。 喷涂聚脲弹性体技术还有一个显著特点就是100％固含量，无挥发性有机化合物（零VOC），只要正确使用本技术，无论是施工期间，还是SPUA材料投入使用后，涂层均不会产生有害物质和刺激性气体，对环境保护极为有利，属新型环境适应型材料。因此该技术在电子、医药、卫生、食品、机械、运输、建筑、造船以及娱乐等行业具有广阔的应用前景。 1.自卸卡车车斗衬里 用于运载塑料粒料或谷物的重型自卸卡车，其衬里通常采用高固体分环氧涂料进行涂装。长期以来的一个技术难题就是涂层的柔韧性差。由于环氧树脂自身的性质，决定它的车斗接缝、边角等特殊部位会随着使用次数的增加以及车体的颠簸变形，而产生开裂或剥落。此外，重载的塑料粒料或谷物还会对涂层造成磨损，一旦涂层破坏，装载的物料将被污损，影响其使用。特别是在运送电子级物料时，问题尤为严重。 实验者在不涂底漆的情况下，直接将SPUA材料喷涂到经喷砂的车斗钢底材上，附着力（拉开法）测试达到2000psi以上，厚度为300μm，经过长达5年的装卸PS粒料考验，车斗的焊缝、接头、边角等易损坏部位，未见SPUA材料有开裂、剥落现象，车斗整体外观良好，装卸效率大幅度提高。相比之下，涂装高固体分环氧涂料的车斗，使用不到6个月即出现损坏。 SPUA材料用于车斗衬里涂装的另一个优点是大大缩短车斗的车间涂装时间。以前使用高固体分环氧涂料涂装时，车斗喷砂后涂底漆需12h干燥，再涂高固体分环氧面漆又需12h。由于SPUA材料对喷砂的钢底材有很好的附着力，采用该技术后，不但消除了溶剂污染、保护了环境，而且省去了涂底漆工艺，加之固化速度快，涂装效率明显提高。目前北美地区每年至少有2000辆重型自卸卡车使用SPUA材料涂装，卡车用于PE、PP、PS的运输。 2.砼的表面保护 喷涂聚脲弹性体技术的最大应用领域是建筑和造船行业。它优异的理化性能和快速固化的特点，使SPUA材料在施工中，以最短的停工时间，赢得最高效的工程质量，通常对砼底材施工SPUA材料的方法是①喷丸（或手工）除去砼表面的疏松层；②清扫干净后，真空吸尘；③涂底漆；5施工SPUA材料。应用范围有建筑物防水围堰及屋面防水材料、大型车间地坪涂料、舰船舱室铺地材料等。SPUA材料用于屋面防水处理的效果很突出。通常的屋面防水材料易断裂，SPUA材料则不同，它以其自身的柔韧性、伸长率、耐老化性和高强度，即使在砼开裂的情况下，SPUA材料不但自身不会断裂，而且还能将砼“抓往”，起到防水和保护作用，特别适用于高层、高档建筑的屋面处理。 3.储罐、水池衬里 SPUA材料施工方便，并且有良好的防腐性能，能够耐受多种化学介质的腐蚀。在化工储罐、污水处理池、游泳池、水族馆等领域也得到了广泛应用。在砼底材应用时，处理方法已述；在钢底材应用时，应先喷砂至Sa2.5∏St3级，涂装防腐涂料后，再喷涂SPUA材料。 综上所述，SPUA材料以其优异的性能在国外得到了迅猛发展，并引起国内聚氨酯界极大关注。为推动该技术在国内的应用，1997年引进了美国Gusmer公司的主机和喷涂设备，已掌握了该设备的操作、维护和保养。研制出SPUA－102防水耐磨地坪涂料、SPUA－202舰载直升机防滑涂料、SPUA－301阻燃型装饰涂料等产品。目前已在青岛海豚表演馆、上海沪东造船厂、大连理工大学等处应用。SPUA材料优异的综合性能，受到用户高度评价，特别是在防湿滑性和超厚涂层（一次施工厚度在2mm以上）的工艺性方面，显示出以往涂装技术无与伦比的优越性。此外，还开发出适合我国国情的SPUA专用的系列A、R组合料。目前正致力于玻纤增强型SPUA材料的研究，为在国内推广、普及喷涂聚脲弹性体技术做好了技术储备。