喷涂聚脲弹性体技术的现状和应用

江南

喷涂聚脲弹性体技术是国外近十几年来,继高固体分涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低(无)污染涂装技术之后,开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色环保施工技术[1]。该工艺属快速反应喷涂体系,原料体系绿色环保、固化速度快、工艺简单,可方便地在立面、曲面上喷涂十几毫米厚的涂层而不流挂[2]。SPUA技术全面突破了传统环保型涂装技术的局限。因此,该技术一问世,便在许多领域得到迅猛的发展。
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    1聚脲的概况
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    1.1聚脲的定义[3]

    随着喷涂聚脲弹性体技术的发展,聚脲的定义也越来越清晰。根据最近美国聚脲发展协会(PolyureaDevelopmentAssociation简称PDA)对聚脲的定义是：喷涂聚脲是由异氰酸酯组分(简称A组分)与氨基化合物组分(简称R组分)反应生成的一种弹性体物质。异氰酸酯既可以是芳香族的,也可以是脂肪族的。其中的A组分可以是单体、聚合体、异氰酸酯的衍生物、预聚物和半预聚物。预聚物和半预聚物是由端氨基或者端羟基化合物与异氰酸酯反应制得。其中的R组分必须是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成,在端氨基树脂中,不得含有任何羟基成分和催化剂,但可以含有便于颜料分散的助剂。

    1.2聚脲产品的优点

    与传统环保涂装技术相比(见表1),喷涂聚脲弹性体技术具有很多优点。


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" G5 A0 N1 B( y2 h6 ^表 1 环保涂装技术比较
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    聚脲材料性能优越,其拉伸强度可达到2000MPa左右,伸长率可达1000%,硬度可以任意调整,手感从软橡皮(邵A30)到硬弹性体(邵D65)；耐介质性能突出,耐候性好,耐冷、耐热冲击,对湿度、温度不敏感,施工温度范围为-40～150℃,可以承受400℃的短时热冲击,在户外长期使用不粉化、不开裂、不脱落；可以加入各种颜料、短玻璃纤维等填料制成不同颜色、性能要求的涂料产品；不含催化剂,快速固化,可以在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型,不产生流挂现象,5s凝胶,1min即可达到步行强度。

    2聚脲技术国内外发展现状

    总体来讲,聚脲的发明地——美国是世界SPUA材料的消费中心,而且主要成熟、先进的技术还是美国占主导地位；其他国家从事聚脲研究的人员和公司也越来越多。我国从1997年引进聚脲技术以来也有了长足的发展[4]。
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    2.1聚脲在世界范围的发展状况
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! r1 q# z  u, w7 A    美国是目前世界SPUA材料的消费中心,据美国聚脲发展协会(PDA)统计,2002年全球SPUA材料销售额约7500万美元,消费量约1.13万t,其中美国消费量为9600t,占全球总消费量的85%；亚洲消费1130t,占10%；欧洲450t,约占4%。2004年,全球SPUA材料消费量达到约1.5万t,销售额突破2亿美元。在美国,混凝土保护领域占SPUA消费量的55%,其次为皮卡耐磨衬里、钢结构防腐、屋面防水,分别占12.8%、8.5%、4.3%。在北美SPUA已逐步淘汰SPU、SPU[A]体系。澳大利亚、日本、韩国以及我国先后在20世纪90年代引进SPUA技术[3],并投入商业应用,欧洲则是最近几年才引进聚脲技术,发展相对比较晚。目前国外从事SPUA材料生产的厂商主要有美国的SPI、NCS、ElastomerSpecialties等。SPI是世界最大的SPUA涂料生产商,其在美国的市场占有率达50%以上,并拥有最大的SPUA材料实验室。在专用喷涂设备领域,Graco、Gusmer(已并入Graco)、Binks、Glass-Craft等公司制造的主机和喷枪垄断了SPUA施工机械市场。由于聚脲弹性体技术比其他环保涂装技术有许多非常明显的优势,在很多领域都有很快的发展,聚脲技术必将引起越来越多的国家关注。
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    2.2聚脲技术在国内的发展状况
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3 v5 _8 d0 N# Z& H    我国从事SPUA研究开发和商业推广的单位越来越多,现在已有几十家,其中主要有青岛海洋化工研究院、烟台华特聚氨酯有限公司、江苏省化工研究所有限公司、湘江涂料化工集团有限公司等。青岛海洋化工研究院在1995年最早引入SPUA技术并展开研究,目前已开发出十几个牌号的SPUA系列产品,并配套生产底漆、面漆、清洗剂等系列产品；江苏化工研究所2000年进行SPU[A]的研究开发,其利用原有的RIM技术开发的JSU系列喷涂弹性体及专用端氨基聚醚已批量生产,应用领域涉及隧道防水、水闸防腐；湖南湘江涂料化工集团有限公司2000年从美国引进SPUA技术,并于2001年将其运用于皮卡车耐磨衬里的研制,商品牌号为“优力”；2001年烟台华特聚氨酯公司开展了喷涂刚性SPU技术在屋面防水、管道防腐的应用,目前已有8个牌号的品种；2004年10月,烟台万华股份有限公司北京研究院开发了SPUA技术及其基础原料;美国的纽科公司和联合涂料公司、加拿大麦迪逊公司、德国巴斯夫公司、韩国一山聚氨酯公司和国都化学公司、台湾环聚公司等也已陆续进入我国市场。美国固瑞克-卡士马公司(Graco-Gusmer)于2007年11月推出其新一代聚脲施工设备HXP3主机和T2抽料泵。2005年初,中石油管道局颁布了我国第一个有关聚脲的技术规范——《钢制管道聚脲涂层技术规范》。这些年在全社会的大力支持和推动下,SPUA这一高新技术在我国运动、娱乐和影视界得到健康、迅猛的发展[5]。我国开发的SPUA系列材料已在北京、上海、青岛、无锡、西安、大连、广州、昆明、沈阳等地区成功应用[6]。聚脲材料在国内引起了材料界和工程界的极大关注,市场需求旺盛,这表明我国已具备全面推广、普及SPUA技术所需的技术储备和市场潜力,聚脲技术在我国投入大规模商业应用的时机业已成熟。

    3聚脲弹性体技术的应用

    3.1防水涂料领域
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8 I- C" [) m' Y0 j$ m( A' R" J    聚脲防水涂料已经成功应用于地下防水、防水围堰以及污水处理池、游泳馆、隧道、巷道等的防水、防渗透、工业厂房、大型建筑屋面、冷库隔气、桥梁、发电厂等多种建筑上[7]。2007年,毛主席纪念堂修葺工程采用此技术后,解决了多年的雨水渗漏问题；国家大剧院35000m2人工湖采用喷涂聚脲技术,成功攻克了“湖中明珠”防水阻渗的技术难关；2007年11月聚脲弹性体在加拿大的“OneParkTower”公园的狮像滴水嘴上成功应用。
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% s& D; c; X* n    3.2防腐耐磨涂料的应用
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    聚脲防腐耐磨涂料主要应用于衬胶管道、矿山设备、卡车衬里、洗矿滚筒、水泥砂浆处理设备等。

    3.3聚脲铺面涂料的应用

2 @  S5 a; j' j4 j3 p( I    聚脲铺面涂料与底漆、面漆涂层配合,构成坚韧牢固且装饰性好的地面保护体系,这类涂料在网球场、篮球场、游泳馆、医院、幼儿园、电子超净车间、健美馆、停车场、工地地面等都有应用。据了解,青岛海洋化工研究院的室外篮球场的应用就非常成功。
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    3.4工业重防腐涂料

    用于储罐衬里、围堰、管道防腐、酸洗槽、电镀槽等的防护、防腐、防渗漏领域,这是目前我国SPUA消费最大的领域。目前以出口铸铁管和储罐防腐为主,仅出口铸铁管防腐领域的年消费量就在700t以上,约占我国年消费量的1/3。

9 x% p; v) n4 X1 {    3.5脱硫专用涂料

$ G7 |4 n7 r. J+ R' b    这类涂料具有对二氧化硫、三氧化硫氮氧化合物等酸性化学腐蚀介质更好的耐受性,耐磨性好,有较低的表面能,疏水性强,短时耐冲击温度可达280℃。这类涂料主要用于电厂脱硫烟风道、脱硫系统中管道及设备防腐、海水法脱硫设备防腐脱硫后烟囱内壁防腐。
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8 p9 K$ ]8 Q; J    3.6其他领域
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+ t. ?2 k' b; V$ z3 F$ R, b    聚脲弹性体在冶金电镀、路面标线[8]、军事领域、影视道具、反应罐、高温炉等诸多领域发挥越来越重要的作用。

    4聚脲弹性体涂料存在的问题

    虽然聚脲有很多的优点,但是在应用和推广过程中还存在一些人为或技术方面的问题。

    4.1聚脲弹性体涂料在应用中的问题
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    聚脲的应用存在的问题中,部分问题可能由于在这种技术引入时缺乏经验;部分由于缺乏足够的施工设备及这种新技术不能像已有涂料体系同样方式施工的事实。因为它看起来几乎不太容易施工,聚脲是快干涂料,可以在施工后立即投入使用,只要几个小时涂层就可以达到最好性能,它对水或温度不敏感,易于配制和生产。以下列出了一些不成功试验及其解决方案。

    4.1.1体系干得太快,层间附着力差[9-10]

2 \' t. d' r+ d2 T: U  S    市场上引入的第一个体系确实干得很快,胶化时间最大为2s,涂层在实验室测试时层间附着力非常好。但发生层间附着力问题时,往往相关联的问题回到采用的原材料、体系的制备或喷涂设备上。喷涂设备问题或一种组分或二种组分混合模式的加料可能混合不好,喷涂的机器设定的调整可以解决这个问题。
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    4.1.2表面质量很差
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% _3 Y1 R$ ~: _; z, p    由于体系的高活性,涂膜的表面质量最初很差。喷涂设备细调是解决这个问题的第一个改进。采用无VOC的活性稀料、开发具有2,4异构体含量高的新的MDI预聚物,可以完善表面质量而不多消耗施工时间。

    4.1.3涂层厚度增加太快

    聚脲喷涂涂料的最初施工产生的涂膜太厚,喷涂设备进一步改进可使施工的膜厚达到所需的几百个微米,不久将来可以实现100～150μm。

# p% @$ F# N+ o    4.1.4底材润湿性很差

    这又是一个与采用极快速喷涂体系的聚脲的开发阶段有关的问题,开发程序集中在对混凝土的附着力,采用胶化时间3～4s聚脲体系使得在混凝土上内聚附着力差,实际应用中,为降低野外的可变风险,采用一种由底漆和面漆组成的多层体系。
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    4.2聚脲弹性体在实际推广中的问题
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    由于聚脲是很先进的技术,所以在原材料、设备等方面的投资还很大,况且其市场认知度还有待提高,施工人员的素质有限等多方面的因素导致在推广方面还存不少的问题。
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    4.2.1原材料和设备投资大
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" o1 [. y1 P2 F5 J- q- c# a; |1 ]    当考虑原材料成本时,“纯”聚脲体系更贵,而且设备的初期投资相当大。在我国这种情况更突出,因为主要原料及专用的喷涂设备依赖进口。

) L. Y7 C- o0 r    4.2.2市场认知度有待提高
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    市场对SPUA材料的优异性能认识不够,加之价格较普通涂料高,大规模推广仍然存在困难。但从长期效益看,SPUA材料施工质量和使用寿命都较传统涂料优势明显,后期投入明显降低,很容易弥补原料成本差距,对于大型工程的维护,这一点更加突出。必须加强SPUA材料的市场推广手段,使社会认识到SPUA材料在经济性方面的“长期”优势。

" u& ]+ J& B# E, ^! I- H: T    4.2.3丰富经验的施工者

    受过良好训练的施工队伍的经验和动力与喷涂设备、原材料选择、足够的人身保护设备及合适体系的配方同样重要。
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+ t3 V$ j4 `4 ~5 K5 s! n) J   5我国聚脲涂料的发展方向

# O2 x7 Q8 ?! Z, a7 A( a2 Z4 s    未来几年,SPUA材料最具潜力的市场将是石油、天然气管道的防腐领域。我国已有7万km的油气管道,55%以上的管线存在穿孔和腐蚀、超龄使用等问题。由于我国原先采用的“三PE”防腐技术施工质量差,易脱落,野外施工困难,异型管件防腐效果无法保证,特别是管件接头部分无法保证防腐效果,为SPUA防腐技术提供了巨大的推广商机。据统计,仅用于石油管线的接头部分防腐处理所需的SPUA材料就在1000t以上,如果加上管路修补和即将投建的大批油气管路的防腐蚀需求,市场容量将十分惊人。我国的SPUA行业仍处于幼稚期,产品品种、规格单一,尚未形成规模效应,各公司和单位专业化程度参差不齐,与国外发达国家还有相当大的差距。要努力实现主导产品的系列化、规模化,实现市场的规范化,切实提高售后服务的专业化水平。要加快聚脲弹性体原材料和设备的国产化进程,使产品系统化,扩大聚脲弹性体的应用范围。使聚脲弹性体的干燥范围扩大,简化其施工的难度,一方面继续研究快干聚脲弹性体技术以及相关设备；另一方面加快研究聚门天冬氨酸酯聚脲的进程[11],使这项技术在国内尽快成熟,这样才能加快聚脲弹性体的推广范围和这项技术的进一步成熟。

+ A" H. Z- W7 s: @6 l+ _* {& _    6结论

- z: G& m+ Y8 J( ~, h5 W    聚脲在涂料工业及聚氨酯涂料工业中的地位独特,经过这些年的努力,原材料和施工设备的新进展均相应扩大了其应用领域。但是聚脲涂料仍不能替代所有其他涂料体系,但在涂料市场中具有重要的地位,尽管原料成本高,但由于聚脲弹性体材料自身的独特性能,如果满足一个或更多独特性能要求,取决于要求最终性能和施工条件,聚脲涂料仍可能是最好甚至惟一合适的途径,这就使其仍是目前最受人们关注的涂料,而且有很大的空间有待人们去开发利用。