聚脲

喷涂聚脲弹性体技术及其在石油天然气行业的应用与展望

摘要：本文首先从国内外发展简史、化学反应原理、性能特点、喷涂设备、施工工艺几个方面简单介绍了喷涂聚脲弹性体技术，然后介绍了喷涂聚脲弹性体技术在石油天然气行业的应用现状，并对其在石油天然气行业的发展前景进行了展望。

关键词：喷涂聚脲弹性体技术石油天然气展望

前言

20世纪80年代中期，在化学家Dudley J. Primeaux.Ⅱ的带领下率先研发成功喷涂聚脲弹性体(spray polyurea elastomer简称SPUA)技术，并于1989年首次发表了研究论文，引起轰动[1]。经过二十几年的发展，目前喷涂聚脲弹性体技术已经在国内外很多地区相继投入商业应用，在建筑、舰船、水利、交通、机械、化工、矿业等行业得到广阔的应用。在石油天然气行业目前聚脲材料主要是用在管道涂层防腐，然而从喷涂聚脲弹性体技术的技术特点和石油天然气行业的相关应用材料要求及技术应用要求的分析，可以看出，喷涂聚脲弹性体技术在石油天然气行业还将有更广阔的应用空间。

1.喷涂聚脲弹性体技术

1.1喷涂聚脲弹性体技术的国内外发展简史

喷涂弹性体技术是在20世纪70年代在聚氨酯反应注射成型技术的基础上发展起来的。喷涂弹性体包括聚氨酯、聚氨酯/聚脲、聚脲。喷涂聚脲弹性体技术按其体系的发展经历了三个阶段：第一代体系是聚氨酯，第二代体系是聚氨酯/聚脲，第三代体系是聚脲。德国、美国是喷涂弹性体技术的发源地，最早开发喷涂聚氨酯（SPU）以及聚氨酯/聚脲（SPU/SPUA）弹性体技术的是Bayer、BASF、Futura和U-niroyal公司。进入20世纪80年代中期，Texaco(即现在的Huntsman)公司在化学家Dudley J.Primeaur II先生的带领下，在其Austin的实验室，率先研发成功喷涂聚脲弹性体（SPUA）技术，并于1989年首次发表研究论文，引起轰动。1991年该技术在北美地区投入商业应用，澳大利亚于1993年引进该技术，日本和韩国也分别于1995年和1997年引进该技术。目前，北美地区已逐步淘汰SPU/SPUA体系，正全国推广SPUA体系[2-3]。由于研发SPUA配方和工艺的难度很大，澳大利亚及东南亚国家基本上采取了从设备到原材料全盘进口或者与美方合资建厂的做法。

在我国，海洋化工研究院于1995年开展SPUA技术的前期探索研究，1996年出国赴美国考察，1997年-1999年引进设备阶段，1999年SPUA技术在我国投入商业应用，海洋化工研究院先后为青岛海豚表演馆水池、上海沪东造船厂等用户进行了施工。SPUA技术优异的性能和工艺，得到了我国材料界和工程界的高度评价。我国虽然聚脲研究的起步较晚，但在黄微波等人的努力下近十几年间也取得了不小的成就[4-7]。

1.2 喷涂聚脲弹性体的化学反应原理

聚脲化学是以异氰酸酯的化学反应为基础，包括异氰酸酯与羟基化合物（半预聚物的合成）及氨基化合物的反应。这两种反应的反应方程式分别如图1和图2所示，它们均属于氢转移的逐步加成聚合反应，是由活泼氢化合物的亲核中心

攻击异氰酸酯的正碳离子而引起的。反应在比较活泼的-N=C=双键上进行。活泼氢化合物中的氢原子转移到-NCO基中的N原子上，余下的基团与羰基C原子结合，生成氨基甲酸酯基、脲基等[8]。

图1异氰酸酯与羟基化合物的反应（聚氨酯反应）

图2异氰酸酯与氨基化合物的反应（聚脲反应）SPUA材料是由含异氰酸酯封端的预聚物（A组份）与伯胺或仲胺（B组份）反应生成的高聚物，其中A组份由软段聚醚和硬段异氰酸酯合成。目前，在SPUA 材料家族中有三个分支，即芳香族、脂肪族和天冬氨酸酯。

1.3喷涂聚脲弹性体的性能特点

喷涂聚脲弹性体(SPUA)材料在20世纪80年代中期被美国Texaco（即现在的Huntsman）公司开发出来时，就因为从根本上解决了施工体系容易与周围环境中的水分、湿气反应，产生二氧化碳，使材料发泡的问题而受到人们的关注。SPUA材料的出现，打破了以往环氧树脂、丙烯酸树脂、聚氨酯统领天下的局面，为施工界提供了一种非常先进、实用的技术。与传统环保型涂装技术相比，SPUA 技术主要具有以下优点[9]：

⑴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，5s凝胶，1min即可达到步行强度。

⑵对水分、湿气不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响。

⑶100%固含量，不含任何挥发性有机物（VOC），对环境友好。

⑷可按1：1体积比进行喷涂或浇注，一次施工的厚度范围可以从数百微米到数厘米，克服了以往多次施工的弊病。

⑸优异的理化性能，如拉伸强度、伸长率、柔韧性、耐磨性、耐老化、防腐蚀等。

⑹具有良好的热稳定性，可在120℃下长期使用，可承受350℃的短时热冲击。

⑺可以像普通涂料一样，加入各种颜料、染料，制成不同颜色的制品。

⑻配方体系任意可调，手感从软橡胶（邵氏A30）到硬弹性体（邵氏D65）。

⑼原形再现性好，涂层连续、致密、无接缝、无针孔，美观实用。

⑽使用成套设备，施工方便，效率极高；一次施工即可达到设计厚度要求，克服了以往多层施工的弊病。

⑾耐候性好，耐冷、耐热，可在-40℃—100℃温度范围内长期保持良好的力学性能、紫外光照射稳定。

由此可见SPUA技术集塑料、橡胶、涂料、玻璃钢多种功能于一身，全面突

破了传统环保型涂装技术的局限。正因为如此SPUA技术被形象的称为“万能”涂装技术。

1.4喷涂设备

由于聚脲合成中A、B两组分的化学活性极高，混合后粘度会迅速增大，如果没有适当的混合及成型设备，这一反应是不可控制的，所以喷涂聚脲工艺需要有专业的喷涂设备，这一点完全不同于以往的普通涂料施工。对聚脲喷涂所需要的专业化设备的基本要求有:①平稳的物料输送系统;②精确的物料计量系统;③均匀的物料混合系统;④良好的物料雾化系统;⑤方便的物料清洗系统[10]。这样一来，喷涂设备自然也就成了喷涂聚脲技术的基础，同时也是喷涂聚脲技术推广应用的难点。

20世纪70年代末期，随着RIM技术的不断发展，供料、混合、注射、模塑等环节的不断完善，使得RIM型聚脲材料投入商业应用，这为SPUA技术的研究和开发奠定了“硬件”基础。根据以上聚脲喷涂设备的要求并结合聚脲RIM （reaction injection molding）技术的设备工作原理，国外厂家陆续开发出用于SPUA技术的物料输送、计量设备以及用于喷涂的混合、雾化和清洗设备[11]。我国在1997年首次引进美国Gusmer公司在20世纪90年代中期开发的最为先进的成套喷涂设备，进过多年试验与工程实践，已完全掌握了该类型设备的正确使用方法，为国内的技术发展提供了基础。Gusmer公司H系列喷涂设备安装连接图见图3。

图3 喷涂设备安装连接图

如图所示，A料与B料分别经由各自的抽料泵从料桶输送至主机进行计量、加压、升温，然后输送至喷枪，经喷枪混合后喷出。其中计量和混合系统是喷涂设备的两个主要系统[12]。

目前，能够提供喷涂聚氨酯（脲）设备的厂家主要有美国Graco Gusmer公司和Glas-Craft公司。其中，Graco Gusmer公司的产品使用最为普遍。

1.5 施工工艺