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噴涂聚脲彈性體技術的現狀和應用
發布時間：2014-08-09
摘要：介紹了噴涂聚脲彈性體 (Spray Polyurea Elastomer, 簡稱 SPUA) 技術及其現狀、應用情況 , 指出了這項技術目前還存在的問題以及發展趨勢。 關鍵詞：噴涂聚脲；現狀；應用；存在問題；發展趨勢
0 前 言
噴涂聚脲彈性體技術是國外近十幾年來 , 繼高固體分涂料、水性涂料、輻射固化涂料、粉末涂料等低 ( 無 ) 污染涂裝技術之后 , 開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色環保施工技術 [1] 。該工藝屬快速反應噴涂體系 , 原料體系綠色環保、固化速度快、工藝簡單 , 可方便地在立面、曲面上噴涂十幾毫米厚的涂層而不流掛 [2] 。 S P U A 技術全面突破了傳統環保型涂裝技術的局限。因此 , 該技術一問世 , 便在許多領域得到迅猛的發展。
1 聚脲的概況
1.1 聚脲的定義 [3]
隨著噴涂聚脲彈性體技術的發展 , 聚脲的定義也越來越清晰。根據最近美國聚脲發展協會 (Polyurea Development Association 簡稱 PDA) 對聚脲的定義是：噴涂聚脲是由異氰酸酯組分 ( 簡稱 A 組分 ) 與氨基化合物組分 ( 簡稱 R 組分 ) 反應生成的一種彈性體物質。異氰酸酯既可以是芳香族的 , 也可以是脂肪族的。其中的 A 組分可以是單體、聚合體、異氰酸酯的衍生物、預聚物和半預聚物。預聚物和半預聚物是由端氨基或者端羥基化合物與異氰酸酯反應制得。其中的 R 組分必須是由端氨基樹脂和端氨基擴鏈劑組成 , 在端氨基樹脂中 , 不得含有任何羥基成分和催化劑 , 但可以含有便于顏料分散的助劑。
1.2 聚脲產品的優點
與傳統環保涂裝技術相比 ( 見表 1), 噴涂聚脲彈性體技術具有很多優點。
聚脲材料性能優越 , 其拉伸強度可達到 2 000 MPa 左右 , 伸長率可達 1 000%, 硬度可以任意調整 , 手感從軟橡皮 ( 邵 A30) 到硬彈性體 ( 邵 D65) ；耐介質性能突出 , 耐候性好 , 耐冷、耐熱沖擊 , 對濕度、溫度不敏感 , 施工溫度范圍為 -40 ～ 150 ℃ , 可以承受 400 ℃ 的短時熱沖擊 , 在戶外長期使用不粉化、不開裂、不脫落；可以加入各種顏料、短玻璃纖維等填料制成不同顏色、性能要求的涂料產品；不含催化劑 , 快速固化 , 可以在任意曲面、斜面及垂直面上噴涂成型 , 不產生流掛現象 ,5 s 凝膠 , 1 m i n 即可達到步行強度。
2 聚脲技術國內外發展現狀
總體來講 , 聚脲的發明地—— 美國是世界 S P U A 材料的消費中心 , 而且主要成熟、先進的技術還是美國占主導地位；其他國家從事聚脲研究的人員和公司也越來越多。我國從 1997 年引進聚脲技術以來也有了長足的發展 [4] 。
2.1 聚脲在世界范圍的發展狀況
美國是目前世界 S P U A 材料的消費中心 , 據美國聚脲發展協會 (P D A) 統計 ,2002 年全球 S P U A 材料銷售額約 7 500 萬美元 , 消費量約 1.13 萬 t, 其中美國消費量為 9 600 t, 占全球總消費量的 85% ；亞洲消費 1 130 t, 占 10% ；歐洲 450 t, 約占 4% 。 2004 年 , 全球 S P U A 材料消費量達到約 1.5 萬 t, 銷售額突破 2 億美元。在美國 , 混凝土保護領域占 S P U A 消費量的 55%, 其次為皮卡耐磨襯里、鋼結構防腐、屋面防水 , 分別占 12.8% 、 8.5% 、 4.3% 。在北美 S P U A 已逐步淘汰 S P U 、 S P U[A] 體系。澳大利亞、日本、韓國以及我國先后在 20 世紀 90 年代引進 S P U A 技術 [3] , 并投入商業應用 , 歐洲則是最近幾年才引進聚脲技術 , 發展相對比較晚。目前國外從事 S P U A 材料生產的廠商主要有美國的 SPI 、 NCS 、 Elastomer Specialties 等。 SPI 是世界最大的 S P U A 涂料生產商 , 其在美國的市場占有率達 50% 以上 , 并擁有最大的 S P U A 材料實驗室。在專用噴涂設備領域 ,G r a c o 、 G u s m er( 已并入 Graco) 、 Binks 、 Glass-Craft 等公司制造的主機和噴槍壟斷了 SPUA 施工機械市場。由于聚脲彈性體技術比其他環保涂裝技術有許多非常明顯的優勢 , 在很多領域都有很快的發展 , 聚脲技術必將引起越來越多的國家關注。
2.2 聚脲技術在國內的發展狀況
我國從事 S P U A 研究開發和商業推廣的單位越來越多 , 現在已有幾十家 , 其中主要有青島海洋化工研究院、煙臺華特聚氨酯有限公司、江蘇省化工研究所有限公司、湘江涂料化工集團有限公司等。青島海洋化工研究院在 1995 年最早引入 S P U A 技術并展開研究 , 目前已開發出十幾個牌號的 S P U A 系列產品 , 并配套生產底漆、面漆、清洗劑等系列產品；江蘇化工研究所 2000 年進行 S P U[A] 的研究開發 , 其利用原有的 R I M 技術開發的 J S U 系列噴涂彈性體及專用端氨基聚醚已批量生產 , 應用領域涉及隧道防水、水閘防腐；湖南湘江涂料化工集團有限公司 2000 年從美國引進 S P U A 技術 , 并于 2001 年將其運用于皮卡車耐磨襯里的研制 , 商品牌號為“優力”； 2001 年煙臺華特聚氨酯公司開展了噴涂剛性 S P U 技術在屋面防水、管道防腐的應用 , 目前已有 8 個牌號的品種； 2004 年 10 月 , 煙臺萬華股份有限公司北京研究院開發了 S P U A 技術及其基礎原料 ; 美國的紐科公司和聯合涂料公司、加拿大麥迪遜公司、德國巴斯夫公司、韓國一山聚氨酯公司和國都化學公司、臺灣環聚公司等也已陸續進入我國市場。美國固瑞克 - 卡士馬公司 (G r a c o-G u s m e r) 于 2007 年 11 月推出其新一代聚脲施工設備 H X P3 主機和 T2 抽料泵。 2005 年初 , 中石油管道局頒布了我國第一個有關聚脲的技術規范——《鋼制管道聚脲涂層技術規范》。這些年在全社會的大力支持和推動下 ,S P U A 這一高新技術在我國運動、娛樂和影視界得到健康、迅猛的發展 [5] 。我國開發的 S P U A 系列材料已在北京、上海、青島、無錫、西安、大連、廣州、昆明、沈陽等地區成功應用 [6] 。聚脲材料在國內引起了材料界和工程界的極大關注 , 市場需求旺盛 , 這表明我國已具備全面推廣、普及 S P U A 技術所需的技術儲備和市場潛力 , 聚脲技術在我國投入大規模商業應用的時機業已成熟。
3 聚脲彈性體技術的應用
3.1 防水涂料領域
聚脲防水涂料已經成功應用于地下防水、防水圍堰以及污水處理池、游泳館、隧道、巷道等的防水、防滲透、工業廠房、大型建筑屋面、冷庫隔氣、橋梁、發電廠等多種建筑上 [7] 。 2007 年 , 毛主席紀念堂修葺工程采用此技術后 , 解決了多年的雨水滲漏問題；國家大劇院 35 000 m 2 人工湖采用噴涂聚脲技術 , 成功攻克了“湖中明珠”防水阻滲的技術難關； 2007 年 11 月聚脲彈性體在加拿大的“ On e P a r kTower ”公園的獅像滴水嘴上成功應用。
3.2 防腐耐磨涂料的應用
聚脲防腐耐磨涂料主要應用于襯膠管道、礦山設備、卡車襯里、洗礦滾筒、水泥砂漿處理設備等。
3.3 聚脲鋪面涂料的應用
聚脲鋪面涂料與底漆、面漆涂層配合 , 構成堅韌牢固且裝飾性好的地面保護體系 , 這類涂料在網球場、籃球場、游泳館、醫院、幼兒園、電子超凈車間、健美館、停車場、工地地面等都有應用。據了解 , 青島海洋化工研究院的室外籃球場的應用就非常成功。
3.4 工業重防腐涂料
用于儲罐襯里、圍堰、管道防腐、酸洗槽、電鍍槽等的防護、防腐、防滲漏領域 , 這是目前我國 S P U A 消費最大的領域。目前以出口鑄鐵管和儲罐防腐為主 , 僅出口鑄鐵管防腐領域的年消費量就在 700 t 以上 , 約占我國年消費量的 1/3 。
3.5 脫硫專用涂料
這類涂料具有對二氧化硫、三氧化硫氮氧化合物等酸性化學腐蝕介質更好的耐受性 , 耐磨性好 , 有較低的表面能 , 疏水性強 , 短時耐沖擊溫度可達 280 ℃ 。這類涂料主要用于電廠脫硫煙風道、脫硫系統中管道及設備防腐、海水法脫硫設備防腐脫硫后煙囪內壁防腐。
3.6 其他領域
聚脲彈性體在冶金電鍍、路面標線 [8] 、軍事領域、影視道具、反應罐、高溫爐等諸多領域發揮越來越重要的作用。
4 聚脲彈性體涂料存在的問題
雖然聚脲有很多的優點 , 但是在應用和推廣過程中還存在一些人為或技術方面的問題。
4.1 聚脲彈性體涂料在應用中的問題
聚脲的應用存在的問題中 , 部分問題可能由于在這種技術引入時缺乏經驗 ; 部分由于缺乏足夠的施工設備及這種新技術不能像已有涂料體系同樣方式施工的事實。因為它看起來幾乎不太容易施工 , 聚脲是快干涂料 , 可以在施工后立即投入使用 , 只要幾個小時涂層就可以達到最好性能 , 它對水或溫度不敏感 , 易于配制和生產。以下列出了一些不成功試驗及其解決方案。
4.1.1 體系干得太快 , 層間附著力差 [9-10]
市場上引入的第一個體系確實干得很快 , 膠化時間最大為 2 s, 涂層在實驗室測試時層間附著力非常好。但發生層間附著力問題時 , 往往相關聯的問題回到采用的原材料、體系的制備或噴涂設備上。噴涂設備問題或一種組分或二種組分混合模式的加料可能混合不好 , 噴涂的機器設定的調整可以解決這個問題。
4.1.2 表面質量很差
由于體系的高活性 , 涂膜的表面質量最初很差。噴涂設備細調是解決這個問題的第一個改進。采用無 V O C 的活性稀料、開發具有 2,4 異構體含量高的新的 M D I 預聚物 , 可以完善表面質量而不多消耗施工時間。
4.1.3 涂層厚度增加太快
聚脲噴涂涂料的最初施工產生的涂膜太厚 , 噴涂設備進一步改進可使施工的膜厚達到所需的幾百個微米 , 不久將來可以實現 100 ～ 150 μ m 。
4.1.4 底材潤濕性很差
這又是一個與采用極快速噴涂體系的聚脲的開發階段有關的問題 , 開發程序集中在對混凝土的附著力 , 采用膠化時間 3 ～ 4 s 聚脲體系使得在混凝土上內聚附著力差 , 實際應用中 , 為降低野外的可變風險 , 采用一種由底漆和面漆組成的多層體系。
4.2 聚脲彈性體在實際推廣中的問題
由于聚脲是很先進的技術 , 所以在原材料、設備等方面的投資還很大 , 況且其市場認知度還有待提高 , 施工人員的素質有限等多方面的因素導致在推廣方面還存不少的問題。
4.2.1 原材料和設備投資大
當考慮原材料成本時 , “純”聚脲體系更貴 , 而且設備的初期投資相當大。在我國這種情況更突出 , 因為主要原料及專用的噴涂設備依賴進口。
4.2.2 市場認知度有待提高
市場對 S P U A 材料的優異性能認識不夠 , 加之價格較普通涂料高 , 大規模推廣仍然存在困難。但從長期效益看 ,S P U A 材料施工質量和使用壽命都較傳統涂料優勢明顯 , 后期投入明顯降低 , 很容易彌補原料成本差距 , 對于大型工程的維護 , 這一點更加突出。必須加強 S P U A 材料的市場推廣手段 , 使社會認識到 S P U A 材料在經濟性方面的“長期”優勢。
4.2.3 豐富經驗的施工者
受過良好訓練的施工隊伍的經驗和動力與噴涂設備、原材料選擇、足夠的人身保護設備及合適體系的配方同樣重要。
5 我國聚脲涂料的發展方向
未來幾年 ,S P U A 材料最具潛力的市場將是石油、天然氣管道的防腐領域。我國已有 7 萬 k m 的油氣管道 ,55% 以上的管線存在穿孔和腐蝕、超齡使用等問題。由于我國原先采用的“三 P E ”防腐技術施工質量差 , 易脫落 , 野外施工困難 , 異型管件防腐效果無法保證 , 特別是管件接頭部分無法保證防腐效果 , 為 S P U A 防腐技術提供了巨大的推廣商機。據統計 , 僅用于石油管線的接頭部分防腐處理所需的 S P U A 材料就在 1 000 t 以上 , 如果加上管路修補和即將投建的大批油氣管路的防腐蝕需求 , 市場容量將十分驚人。我國的 S P U A 行業仍處于幼稚期 , 產品品種、規格單一 , 尚未形成規模效應 , 各公司和單位專業化程度參差不齊 , 與國外發達國家還有相當大的差距。要努力實現主導產品的系列化、規模化 , 實現市場的規范化 , 切實提高售后服務的專業化水平。要加快聚脲彈性體原材料和設備的國產化進程 , 使產品系統化 , 擴大聚脲彈性體的應用范圍。使聚脲彈性體的干燥范圍擴大 , 簡化其施工的難度 , 一方面繼續研究快干聚脲彈性體技術以及相關設備；另一方面加快研究聚門天冬氨酸酯聚脲的進程 [11] , 使這項技術在國內盡快成熟 , 這樣才能加快聚脲彈性體的推廣范圍和這項技術的進一步成熟。
6 結 論
聚脲在涂料工業及聚氨酯涂料工業中的地位獨特 , 經過這些年的努力 , 原材料和施工設備的新進展均相應擴大了其應用領域。但是聚脲涂料仍不能替代所有其他涂料體系 , 但在涂料市場中具有重要的地位 , 盡管原料成本高 , 但由于聚脲彈性體材料自身的獨特性能 , 如果滿足一個或更多獨特性能要求 , 取決于要求最終性能和施工條件 , 聚脲涂料仍可能是最好甚至惟一合適的途徑 , 這就使其仍是目前最受人們關注的涂料 , 而且有很大的空間有待人們去開發利用。
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