聚脲材料的特性、分類(lèi)及其應(yīng)用范圍
孫志恒 張會(huì)文
1 前 言
聚脲材料作為聚氨酯中的一種特殊材料，具有較高的抗沖耐磨性、良好的防滲效 果、耐腐蝕性強(qiáng)以及優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，在國(guó)防、工民建及水利水電工程中得到了廣泛應(yīng)用。聚脲材料分為雙組分噴涂聚脲和單組分涂刷聚脲。雙組分噴涂聚脲原料體系不含溶劑、固化速度快、工藝簡(jiǎn)單，可很方便的在立面 、曲面上噴涂幾十毫米厚的涂層而不流掛。但是，噴涂雙組分聚脲需要專(zhuān)門(mén)的噴涂設(shè)備，該設(shè)備尺寸較大 ，在水利水電工程中的應(yīng)用受到一定的限制，如果僅處理混凝土局部破壞或裂縫，采用雙組分噴涂聚脲修補(bǔ)也不經(jīng)濟(jì)。為了彌補(bǔ)這一缺陷，開(kāi)發(fā)了施工簡(jiǎn)單、不需要專(zhuān)用設(shè)備的單組分涂刷聚脲。
2 材料定義及原理
雙組分噴涂聚脲涂層是由異氰酸酯組分 (A料 )與端氨基化合物組分 (B料 )通過(guò)專(zhuān)用噴涂設(shè)備快速混合反應(yīng)形成的彈性涂層。單組分涂刷聚脲涂層是由異氰酸酯預(yù)聚體和封閉的胺類(lèi)化合物、助劑等構(gòu)成的液態(tài) 混合物，采用涂刷、輥涂或刮涂方法施工，在空氣中水分作用下，封閉的胺類(lèi)化合物產(chǎn)生端氨基并與預(yù)聚體產(chǎn)生交聯(lián)點(diǎn)而形成的彈性涂層。
雙組分聚脲是由兩個(gè)組份構(gòu)成的，其中A組份為含有多個(gè)一 NC0的小分子或高分子 ( 預(yù)聚體 )，R組份為含有二個(gè)或二個(gè)以上端氨基的高分子或低分子組合物。A組份和R組份混合后迅速反應(yīng)生成聚脲 (端一NC0基團(tuán)與端一NH2反應(yīng)非?？?，其反應(yīng)形成脲鍵 )，其作用時(shí)間通常只有幾秒。
—— NC0 + ——NH2 ———NHC0NH——
如果將R組份分子中的多氨基換成多羥基一OH(如聚醚多元醇，聚酯多元醇)，則反應(yīng)形成氨酯鍵 (氨基甲酸酯 )，即為雙組分聚氨酯。
一 NC0 十 一 0H 一一 NHCo0一
如果將R組份中端氨基進(jìn)行化學(xué)封閉 ，封閉后的中間體在隔絕空氣和水分的條件下不會(huì)與含一NC0的組份發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，能夠共存于同一體系中。其混合物一旦與空氣接觸，封端多元胺在水分作用下封閉解 除，釋放出端氨基一NH2或 一NH一 ，迅速與一NC0發(fā)生反應(yīng)形成脲鍵。這就是單組分聚脲的反應(yīng)原理。
單組分聚脲由含多異氰酸酯一NC0的高分子預(yù)聚體與經(jīng)封端的多元胺 (包括氨基聚醚 )混合，并加入其它功能性助劑所組成。在無(wú)水狀態(tài)下，體系穩(wěn)定，一旦開(kāi)桶施工，在空氣中水分的作用下，迅速產(chǎn)生多元胺，多元胺迅速與異氰酸酯一NCO反應(yīng)，形成單組分聚脲。
3 材料物理力學(xué)性能
雙組分噴涂聚脲與單組分涂刷聚脲均具有良好的物理力學(xué)性能。噴涂聚脲防水工程技術(shù)規(guī)程JGJ／T200—2010中要求的噴涂聚脲 指標(biāo)見(jiàn)表1； 單組分涂刷聚脲要求的指標(biāo)見(jiàn)表2。
上述表中的材料指標(biāo)是可以根據(jù)實(shí)際工程需要，通過(guò)調(diào)整配方來(lái)改變聚脲的物理力學(xué)性能。兩種聚脲的抗拉強(qiáng)度最大都可以調(diào)到 25MPa 以上、延伸率可以大于450％，但相應(yīng)的成本會(huì)增加。
4 兩種材料的優(yōu)缺點(diǎn)比較
4．1 雙組分噴涂聚脲的特點(diǎn)
(1)材料本體抗沖磨性能好、耐老化；
(2)與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度大于2．5MPa：
(3)機(jī)械化施工，表面噴涂聚脲涂層施工速度快，但基礎(chǔ)處理要求高；
(4)材料反應(yīng)速度極快，解決了以往噴涂工藝中易產(chǎn)生的流掛現(xiàn)象，可在任意曲面、斜面及垂直面上一次噴涂成型；
(5)低溫柔性較好，在一30℃下對(duì)折不產(chǎn)生裂紋。
(6)防滲、防凍效果好，耐化學(xué)腐蝕；
(7) 芳香族聚脲表面顏色會(huì)有變化，耐老化較脂肪族聚脲差，但脂肪族噴涂聚脲價(jià)格高。
(8) 噴涂聚脲對(duì)施工人員和噴涂設(shè)備要求極高，噴涂均勻性不易控制，可能出現(xiàn)局部強(qiáng)度偏低及厚度不均勻的情況 。施工質(zhì)量的好壞90％以上取決于施工人員的水平。
4．2 單組分涂刷聚脲的特點(diǎn)
(1)耐化學(xué)腐蝕，防滲效果及抗沖磨性能好；
(2)與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度大于3．OMPa；
(3)單組分材料就一種材料，避免了施工中配合比不當(dāng)造成質(zhì)量缺陷，不需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，分層施工，涂層厚度的均勻性及寬度可控，施工質(zhì)量有保證 ；
(4)低溫柔性好，在一45℃下仍保持50％以上的延伸率，能適應(yīng)高寒地區(qū)低溫環(huán)境的運(yùn)行要求：
(5)材料為脂肪族，耐老化性能好，不變色；
(6)由于固化時(shí)間長(zhǎng)，混凝土裂縫及伸縮縫表面封閉可以增設(shè)胎基布增強(qiáng)；
(7)局部缺陷修補(bǔ)使用同一種材料，施工方便；
(8)人工刮涂，一次涂刷厚度為lmm，需要分層涂刷。但施工工藝簡(jiǎn)單，只要施工場(chǎng)地容許，可以多個(gè)工作面同時(shí)施工 。
5 兩種材料適應(yīng)范圍
由于這兩種柔性材料本體抗沖磨性能及防滲性能均很優(yōu)越，對(duì)于迎水面大面積防滲的水工建筑物，只要施工場(chǎng)地能滿足吊裝和放置噴涂設(shè)備的要求，選用這兩種材料均可以。對(duì)于承受背水面及有抗沖磨要求的水工建筑物來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是提高柔性涂層與基礎(chǔ)混凝土之間的粘接強(qiáng)度，保證材料的均勻性和施工質(zhì)量 。對(duì)伸縮縫及裂縫表面封閉，需要保證涂刷或噴涂的涂層厚度及寬度。
經(jīng)過(guò)總結(jié)多年來(lái)在水利水電工程中應(yīng)用的實(shí)例及效果，可以歸納為：?jiǎn)谓M分涂刷聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防滲、裂縫和伸縮縫表層防滲，以及流速小于 30m／s 的過(guò)流面的抗沖磨防護(hù)與表面耐久性防護(hù)；雙組分噴涂聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防滲、流速小于 5m／s 的過(guò)水面保護(hù)及表面耐久性防護(hù)。
6 兩種材料在水利水電工程中的應(yīng)用實(shí)例
6．1 雙組分噴涂聚脲應(yīng)用實(shí)例
2003年將噴涂聚脲技術(shù)引入水利水電工程， 通過(guò)在引灤入津輸水和新安江水電站溢流壩面進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) ，取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和良好的效果。2004年8月在尼爾基水電站蝸殼中首次應(yīng)用， 噴涂面積為3000m，隨后在北京三家店攔河閘工作橋抗磨及防碳化、北京黃松峪水庫(kù)溢洪道抗沖磨、云南小灣水電站高拱壩上游面防滲及云南景洪水電站廠房頂防水等工程得到應(yīng)用。通過(guò)多年運(yùn)行的考驗(yàn)，雙組分噴涂聚脲 在迎水面或流速較小的泄洪建筑物表面應(yīng)用的效果較好，在流速較大的泄洪建筑物表面應(yīng)用 的效果較差。
6．2 單組分涂刷聚脲應(yīng)用實(shí)例
單組分涂刷聚脲從2006年開(kāi)發(fā)和在水利水電工程中使用至今，該材料已經(jīng)在深圳東江引水渡槽伸縮縫修復(fù)、京密引水輸水渠倒虹吸伸縮縫防滲 、北京南水北調(diào)PCCP管承插接口防滲、云南云橋上庫(kù)混凝土面板裂縫封閉、陜西安康水電站消力池伸縮縫抗沖磨防滲、寶泉抽水蓄能電站副壩迎水面大面積防滲及青海龍羊峽水電站左右表孔 溢洪道 抗 沖磨 防護(hù)等 水利水電工程得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好的效果。通過(guò)多年運(yùn)行的考驗(yàn)，證明單組分涂刷聚脲適用于處理混凝土伸縮縫、裂縫、大面積防滲及有抗沖磨要求的泄洪建筑物等水利水電工程以及防止海水腐蝕的海港工程。
7 小 結(jié)
(1)單組分涂刷聚脲和雙組分噴涂聚脲這兩種材料均具有較高的強(qiáng)度、良好的柔性、優(yōu)異的抗沖磨性和耐老化性，均適用于迎水面大面積防滲。
(2)單組分涂刷聚脲為脂肪族，耐老化性能好，表面不變色；噴涂聚脲有芳香族和脂肪族兩種，脂肪族噴涂聚脲耐老化，但成本很高。芳香族噴涂聚脲耐老化性差，表面會(huì)變色。
(3)單組分涂刷聚脲需要分層施工，可以保證涂層厚度 的均勻性，在凝土裂縫表面及伸縮縫表面能增設(shè)胎基布；噴涂聚脲快速固化，一次成型 ，立面不會(huì)流淌，但無(wú)法增設(shè)胎基布補(bǔ)強(qiáng)。
(4)單組分涂刷聚脲固化時(shí)間長(zhǎng)，可以與基礎(chǔ)混凝土很好的反應(yīng)，與基礎(chǔ)混凝土粘接強(qiáng)度大于噴涂聚脲，故更適用于有抗沖磨要求的部位 。
由于雙組分噴涂聚脲和單組分涂刷聚脲均具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能，已在水利水電工程中得到廣泛應(yīng)用。針對(duì)實(shí)際工程，根據(jù)這兩種材料各自的特點(diǎn)及適用范圍來(lái)選擇材料，并由專(zhuān)業(yè)的施工隊(duì)伍施工，聚脲材料在水利水電工程中的防滲、防凍、抗沖磨及提高混凝土耐久性等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
