0 引言

噴涂聚脲彈性體自20世紀(jì)90年代引入中國以來，一直以高強(qiáng)度和高延伸率著稱，廣泛應(yīng)用于高檔防水領(lǐng)域，尤其在高速鐵路橋面防水的應(yīng)用，使該產(chǎn)品在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。近幾年，聚脲在電廠、石油、化工儲罐及附屬設(shè)施防腐、鋼結(jié)構(gòu)防腐(特別是碼頭鋼樁防腐)、彈性防撞材料(海上浮標(biāo)、護(hù)弦)、污水處理池等領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛。應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛和施工環(huán)境的復(fù)雜，既說明了聚脲產(chǎn)品本身性能的優(yōu)異和施工的便捷，同時也向研發(fā)推廣聚脲的企業(yè)提出了一種需求：聚脲材料需要系統(tǒng)化，需要針對性地滿足不同應(yīng)用條件的聚脲及聚脲配套產(chǎn)品。

目前，相比國外，國內(nèi)聚脲研發(fā)大多局限于傳統(tǒng)彈性防水型聚脲，隨著聚脲應(yīng)用越來越廣泛，客戶對于具有更高強(qiáng)度和硬度要求的剛性防腐聚脲和更高防腐性能的彈性防腐聚脲的需求越來越大，為了滿足市場的需求廣州秀珀化工股份有限公司研發(fā)了剛性防腐聚脲和彈性防腐聚脲，并在防腐工程案例中得以推廣應(yīng)用。

在研發(fā)之初，我們收集了相關(guān)的防腐聚脲標(biāo)準(zhǔn)，如化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3831—2006《噴涂聚脲防護(hù)材料》和中國石油天然氣集團(tuán)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CNPC 127—2007《鋼質(zhì)管道聚脲外防腐層技術(shù)規(guī)范》以及相關(guān)的防腐材料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)委員會SYT 0413-2002 《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行學(xué)習(xí)和借鑒。并通過對防腐應(yīng)用領(lǐng)域客戶的調(diào)研，了解市場的實(shí)際需求，形成研發(fā)目標(biāo)：研發(fā)剛性和彈性兩種防腐聚脲，對兩種材料的力學(xué)性能、化學(xué)性能進(jìn)行評價，并結(jié)合實(shí)際使用條件和環(huán)境，完善整體配套的技術(shù)方案，以滿足聚脲材料能防腐且附著力良好的要求。

1 防腐蝕機(jī)理

能在較為嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中使用，可保護(hù)底材(主要是鋼材)免遭各類腐蝕(電化學(xué)腐蝕、化學(xué)介質(zhì)腐蝕、生物污損、大氣老化、機(jī)械磨損等)，以獲得相對長期使用的涂料稱為防腐涂料。防腐涂料是在嚴(yán)酷使用環(huán)境下的保護(hù)涂料，涂層的防腐蝕功能大致分為2種：一種是防止涂層外部的腐蝕性物質(zhì)侵入底材；另一種是依靠防腐顏填料起到抑制腐蝕的作用。由于聚脲快速固化和高溫高壓噴涂施工的特點(diǎn)，體系中基本上不含顏填料，因此從傳統(tǒng)防銹顏填料方面抑制腐蝕的方案在此不作特別研究。

本文主要從涂層的屏蔽隔絕作用方面探討聚脲涂層的防腐蝕機(jī)理。涂層的屏蔽作用在于使基體和環(huán)境隔離以免被腐蝕。根據(jù)電化學(xué)腐蝕原理，帶涂層保護(hù)的金屬所發(fā)生的腐蝕，是因?yàn)樵谕繉雍徒饘俚慕缑娲嬖谒?、氧、離子等，且存在離子流通(導(dǎo)電)等途徑。因此，要防止金屬發(fā)生腐蝕，就要求涂層具有更好的屏蔽隔絕作用，阻擋水、氧和離子從外界腐蝕環(huán)境滲透過涂層而到達(dá)金屬界面。所以涂層的屏蔽隔絕作用的優(yōu)劣決定于涂層的抗?jié)B透性。

2 提高耐腐蝕的配方設(shè)計

提高聚脲涂層的致密性可以最大程度地減少外界腐蝕介質(zhì)入侵的途徑，使聚脲材料表現(xiàn)出優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)性能，從而廣泛用于各種防腐保護(hù)領(lǐng)域。涂層的致密性不是一個絕對的指標(biāo)，總會有腐蝕介質(zhì)滲透進(jìn)漆膜的底層。當(dāng)漆膜的內(nèi)應(yīng)力超過附著力而起泡離開基材表面即喪失了保護(hù)作用，開始腐蝕。因此，良好的防腐蝕漆膜除了能屏蔽水、氧、離子透過外，還必須具有并保持高度的附著力。

也就是說，僅僅以漆膜浸泡在介質(zhì)中是否有變色、發(fā)泡、變脆的現(xiàn)象不能作為聚脲材料是否滿足實(shí)際應(yīng)用的依據(jù)，判斷整個聚脲體系在介質(zhì)中浸泡后附著力是否良好更是一個關(guān)鍵指標(biāo)。因此，除了提高聚脲材料本身的防腐蝕性能，實(shí)際應(yīng)用還需根據(jù)現(xiàn)場情況提供一個具有良好附著力的技術(shù)方案。

2.1 提高體系的交聯(lián)密度

2.1.1 選用多官能團(tuán)的聚醚樹脂

聚脲材料是一種嵌段共聚物，分子鏈由硬段和軟段相嵌而成。預(yù)聚物和樹脂組分中的聚醚是軟段，它賦予聚合物以彈性；苯核、氨基、脲基、低分子多元醇、胺和異氰酸酯等是硬段部分，它賦予聚合物以機(jī)械性能和粘接性。選用多官能團(tuán)聚醚如聚醚三元醇或蓖麻油或低分子的多元醇使聚合物有一定的交聯(lián)度，也增加了氨基甲酸酯等極性的數(shù)目，有利于提高材料力學(xué)性能。

2.1.2 提高半預(yù)聚體的NCO%

預(yù)聚物組分中異氰酸酯的含量(NCO%)對生成的聚脲材料的性能影響很大。一般采用預(yù)先合成半預(yù)聚物，將—NCO含量定為12%~25%。半預(yù)聚物組分也是軟、硬段相間的嵌段共聚物，就相同的異氰酸酯類型和聚醚樹脂而言，NCO%含量低，共聚物中聚醚含量多，軟段部分增多，兩組分反應(yīng)的交聯(lián)度較低，漆膜具有更好的彈性；—NCO含量越高，增加了體系中硬段部分，并增加了體系的交聯(lián)度，將提高材料的力學(xué)性能。當(dāng)然，—NCO設(shè)計范圍必須合理，過低和過高都不好。因?yàn)榫垭弩w系要求反應(yīng)活性適中，固化產(chǎn)物的微觀結(jié)構(gòu)才更有序，生成的聚合物力學(xué)性能才好。

防腐聚脲體系中，彈性防腐聚脲將—NCO設(shè)計在14%~16%較好，剛性防腐聚脲將—NCO設(shè)計在18%~22%較好。

2.2 工藝方面

涂層中離子、水和氧等介質(zhì)的滲透性取決于孔隙率，孔隙率越高，水和氧等介質(zhì)滲透率越高[1]。為提高漆膜的致密性，一方面需從配方設(shè)計角度考慮，如使兩組份反應(yīng)活性相當(dāng)，兩組分在施工溫度下的黏度接近等；另一方面從生產(chǎn)工藝角度考慮，因?yàn)闇p少漆膜的微小氣泡可大大降低漆膜的孔隙率，從而提高抗?jié)B透性。從聚脲體系的反應(yīng)原理可知，體系中水參與反應(yīng)會生成脲基和產(chǎn)生氣泡，因此，對體系中聚合物多元醇等原料的水分含量必須嚴(yán)格控制，最好對胺類擴(kuò)鏈劑和聚醚等組成的樹脂組分進(jìn)行脫水處理。最后，還要從施工工藝角度考慮，采用適宜的噴涂溫度和壓力，使兩組分能充分混勻，提高漆膜的性能。

2.3 不同基材采用不同配套材料方案

影響工程質(zhì)量的主要原因是涂層與基層的粘結(jié)力不好，局部鼓泡、翹起或大面積脫落，嚴(yán)重的整體如卷材般被揭下來的情況在施工中也時有出現(xiàn)。由于聚脲反應(yīng)很快，造成它本身與基材粘結(jié)力不夠，所以一定要施工配套底漆。不同基材要采用不同的配套底漆，提高涂層的附著力還能提高涂層的耐腐蝕性能。

3 產(chǎn)品性能

3.1 剛性聚脲

主要力學(xué)性能和化學(xué)性能指標(biāo)見表1。

3.2 彈性聚脲

彈性聚脲的主要力學(xué)和化學(xué)性能見表2。

注：剛性聚脲和彈性聚脲的化學(xué)性能檢測不局限于上述所列的范圍，實(shí)際應(yīng)用中由于防腐環(huán)境的復(fù)雜性，需綜合考慮介質(zhì)類型、介質(zhì)濃度、使用溫度及基材等情況，科學(xué)評估漆膜本身性能及整體技術(shù)方案是否符合長期的使用。

4 應(yīng)用案例

4.1 剛性聚脲在防腐地坪中應(yīng)用

(1) 車間概況

江西某化工廠提煉生產(chǎn)車間材料為礦泥，地坪需承載重為5~10 t的鏟(叉)車?，F(xiàn)車間混凝土腐蝕嚴(yán)重出現(xiàn)坑蝕，主要腐蝕原因是酸腐蝕。由于礦泥顆粒、粉塵散落于表面，溶化滲入砼內(nèi)，腐蝕砼，造成砼強(qiáng)度降低、粉化、剝落，混凝土地面損壞嚴(yán)重，影響正常的生產(chǎn)安全。

(2) 腐蝕機(jī)理分析

混凝土地坪由于長期處于礦泥顆粒、粉塵的含酸環(huán)境中，遇水沖洗或在潮濕空氣中吸濕潮解，極易滲透到微孔混凝土中。在自然干燥條件下，又重新形成結(jié)晶物，促使體積迅速膨脹，產(chǎn)生的結(jié)晶脹力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出混凝土的30 N/mm2極限強(qiáng)度。隨著酸的滲透分解，對混凝土結(jié)構(gòu)層的破壞力也越強(qiáng)，使混凝土粉化、脫落、開裂、坑蝕。當(dāng)混凝土受酸的分解破壞后，混凝土的微孔結(jié)構(gòu)便擴(kuò)大為微裂紋，使水、氧氣和其它化學(xué)介質(zhì)快速滲入混凝土從而加速了混凝土失效的速度。

(3) 防腐設(shè)計

車間地面防腐質(zhì)量的好壞關(guān)鍵在于設(shè)計和施工，其中某一環(huán)節(jié)都直接關(guān)系到混凝土地坪防腐工程的質(zhì)量，從而影響防腐地面的使用壽命。根據(jù)實(shí)際情況決定采用噴涂剛性聚脲防腐材料作整體防腐耐磨地坪。

施工工藝流程是對原有基面進(jìn)行打磨除塵處理后，用專用底漆薄涂，封閉混凝土毛細(xì)孔，增強(qiáng)與上層材料的附著力；用修補(bǔ)料刮砂對孔洞進(jìn)行修補(bǔ)及找平，避免后續(xù)噴涂聚脲起泡；整體噴涂剛性聚脲防腐材料。施工中對四周的收邊和門口叉車經(jīng)常經(jīng)過易磨損的區(qū)域進(jìn)行特別的細(xì)節(jié)處理。

(4) 部分施工圖片

圖1~圖3為聚脲在防腐地坪應(yīng)用的場景。

圖1 混凝土基面情況

圖2 打磨基面

圖3 噴涂聚脲后地面效果圖

4.2 彈性聚脲在埋地管道防護(hù)中應(yīng)用

(1) 工程概況

廣州新塘某在建小區(qū)，已開挖溝槽準(zhǔn)備埋熱水保溫管道，直管和彎頭、三通等管件在工廠預(yù)噴聚脲后直接拉到現(xiàn)場堆放，現(xiàn)場將管道焊接后將包括接口在內(nèi)的未噴涂的區(qū)域用聚脲進(jìn)行涂刷，以保證整體無縫。管道埋于土壤中。

(2) 腐蝕機(jī)理

影響管道腐蝕的因素可分為地下水腐蝕、土壤腐蝕、雜散電流腐蝕等。地下水腐蝕受溶氧度、水溫、溶解離子Cu2+、Fe3+、Hg2+等因素的影響；土壤腐蝕受其均勻性、通氣性、含水量、溫度、電阻率、溶解離子的質(zhì)量和數(shù)量、pH值、氧化還原電位、有機(jī)質(zhì)及存在的微生物等因素的影響[2]。

(3) 性能要求

因?yàn)楣艿谰垭鍖釉谏a(chǎn)、運(yùn)輸、堆放和施工的過程中難免造成自身損傷，要求聚脲涂層耐沖擊、耐磨損等機(jī)械性能好；管內(nèi)輸送熱水，經(jīng)過保溫層后，管外壁溫度仍可達(dá)50 ℃，特別是冬季，與外界溫度相差較大，既要求聚脲材料耐高低溫變化不變脆，又要求黏結(jié)力更強(qiáng)、吸水率低、抗陰極剝離。當(dāng)然涂層需耐植物根莖穿透，化學(xué)穩(wěn)定性好。

(4) 施工設(shè)計

管道經(jīng)拋丸除銹設(shè)備噴砂處理后刷涂底漆，后采用彈性防腐聚脲材料進(jìn)行自動化噴涂。噴砂處理和刷涂底漆都為聚脲附著提供保障。

(5) 施工圖片

圖4~圖6為聚脲在埋地管道防護(hù)的施工應(yīng)用現(xiàn)場。

圖4 管道正進(jìn)入拋丸除銹設(shè)備

圖5 工廠自動噴涂生產(chǎn)線

圖6 現(xiàn)場焊接后涂刷手工聚脲后埋地

5 結(jié)語

聚脲作為一種特殊的涂膜材料有著廣闊的應(yīng)用前景。目前聚脲已在國內(nèi)高鐵防水、屋面防水領(lǐng)域、火力發(fā)電、城市供排水、化工、海岸工程及礦產(chǎn)等行業(yè)中，獲得了日益廣泛的應(yīng)用。涉及的基材多是混凝土和鋼質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛，應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜，也使客戶越來越希望聚脲材料系統(tǒng)化、功能細(xì)化，以更有針對性地滿足實(shí)際應(yīng)用中多變的要求。研制的剛性防腐聚脲和彈性防腐聚脲，相比傳統(tǒng)防水聚脲具有更優(yōu)良的抗?jié)B性和耐腐蝕性，可為客戶提供更多的選擇。三分材料，七分施工，施工設(shè)計和施工工藝合理化和規(guī)范化對工程效果影響更大。因此，在應(yīng)用中關(guān)注工程的概況，摸清腐蝕機(jī)理、性能要求，以提出合理的設(shè)計方案，進(jìn)行規(guī)范化施工。