聚脲基础知识

聚脲基础知识

发布时间：2009年4月21日 20时38分

1.1 聚脲涂料的化学原理

随着聚氨酯涂料及聚氨酯弹性体应用领域的不断扩大，传统的涂装工艺在实际应用中遇到不少困难，如一些建筑涂层，矿山机械的高耐磨涂层以及一些特殊场合，需要涂层厚度达几毫米甚至十几毫米，若采用手工刮涂，效率低而且外观差，遇到复杂结构更是难以施工。另外，由于人们对环保的日益重视，传统的溶剂型聚氨酯涂料的使用越来越受限制。正是在这种情况下，无溶剂喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术被开发成功。该工艺属快速反应喷涂体系，原料体系不含溶剂、固化速度快、工艺简单，可很方便地在立面、曲面上喷涂十几毫米厚的涂层而不流挂，因此可部分取代溶剂型聚氨酯涂料，在某些领域还可替代浇注弹性体工艺，是一种新型聚氨酯成型工艺。

14.1.1.1 聚氨酯弹性体知识简介

聚脲涂料又叫喷涂聚脲弹性体，属于聚氨酯弹性体的一种，因此这里对聚氨酯弹性体作一个简单介绍。

所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温，断裂伸长率＞50％，外力撒除后复原性比较好的高分子材料。

聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料品种繁多，配方多种多样，可调范围大。聚氨酯弹性体硬度范围宽，低至邵A10以下的低模量橡胶，高至邵D85的高抗冲击弹性材料。所以聚氨酯弹性体的性能范围很宽，是介于从橡胶到塑料的一类高分子材料。

聚氨酯化学结构的特性是其大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯链段。聚氨酯大分子主链是由玻璃化温度低于室温的柔性链段（亦称软链段或软链）和玻璃化温度高于室温的刚性链段（亦称硬链段或硬段）嵌段而成的。低聚物多元醇（如聚醚、聚酯等）构成软链段，二异氰酸酯和小分子扩链剂（如二胺和二醇）构成硬链段。在聚氨酯弹性体分子结构中，软链段占的比例比较大，约50％～90％，硬链段约占10％～50％。由于硬链段的极性强，相互间引力大，硬链段和软链段在热力学上具有自发分离的倾向，即不相容性。所以硬链段容易聚集一起，形成许多微区，分布于软段相中。这种现象叫微相分离。微相分离是聚氨酯弹性体物理结构的特征。

14.1.1.2 喷涂聚氨酯（脲）体系的化学原理

反应注射成型（Reaction Injection Molding, 简写为RIM）技术是在用聚氨酯硬脂泡沫塑料工艺制备家具等的基础上发展起来的。RIM是直接从低粘度的单体或齐聚物制造复杂制品的一种工艺技术。这些单体或齐聚物在注入模腔前瞬间碰撞混合，相互活化，在模腔中通过交联反应或相分离快速固化，形成固体聚合物制品。

喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术是在RIM技术的基础上发展起来的，正如聚氨酯(脲)RIM技术的发展经历了纯聚氨酯、聚氨酯（脲）到聚脲三个阶段一样，喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术也经历了三个阶段。见表14-1。

在聚氨酯体系中，为了提高反应活性，必须加入催化剂，聚脲体系则完全不同，它使用了端胺基聚醚和胺扩链剂作为活性氢组分，与异氰酸酯组分的反应活性极高，无须任何催化剂，即可在室温（甚至0℃以下）瞬间完成反应，从而有效地克服聚氨酯弹性体在施工过程中，因环境温度和湿度的影响而发泡，造成材料性能急剧下降的致命缺点。各反应的化学方程式如下：

聚氨酯反应： R-NCO + R′OH RHNCOOR′

聚脲反应： R-NCO + R′NH2 RNHCONHR′

异氰酸酯与水的反应：R-NCO + H2O RNHCOOH

RNHCOOH RNH2 + CO2↑(气体)

表14-1 喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术的发展阶段

阶段第一代第二代第三代

体系聚氨酯聚氨酯(脲) 聚脲

异氰酸酯组份 MDI基 MDI基 MDI基

活性氢组份伯羟基多元醇、二醇扩链剂、催化剂伯羟基多元醇、芳香族二胺扩链剂、催化剂端氨基聚醚、二胺扩链剂

主要优/缺点优点：价廉

缺点：对水敏感，极易发泡；力学性能差等优点：价格适中

缺点：发泡、力学性能一般优点：对温度及湿度不敏感，力学性能好，耐老化性能突出

缺点：成本高

14.1.1.3 聚氨酯、聚氨酯(脲) 、聚脲体系的划分

2002年美国成立的聚脲发展协会（简称PDA协会）对聚脲体系做了界定：凡聚醚树脂中胺或聚酰胺的组分含量达到80%或以上时，称为聚脲；凡聚醚树脂中多元醇含量达到80%或以上时，称为聚氨酯（有刚性和弹性两种）；凡在这个参数之间的涂料体系称为聚胺酯/聚脲混合体系。

14.1.1.4 聚脲体系的发展历程

喷涂聚氨酯弹性体早在20世纪60～70年代就已现雏形，主要用于喷砂室地面和大型钢管内衬。德国Beyer公司、美国Ujpjohn公司、Uniroyal公司等相继进行过开发研究。当时的工艺与现在有较大的不同，其异氰酸酯组分通常为液化MDI或粗MDI，羟基组分通常为聚醚或聚酯与扩链剂、催化剂的混合物，两组分的比例没有限制。使用双组分或三组分的低压柱塞泵或齿轮泵式的喷涂设备，采用静态或动态混合方式，原料贮罐需加热到100℃左右。由于设备复杂、造价高、混合效果不佳、工艺不稳定，一直未能得到重视。

80年代以后，随着RIM技术的发展、撞击混合式高压喷涂设备的出现，喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术开始发展。该技术最早在德国、美国开发，Bayer、BASF、Futura和Uniroyal等公司最早开发喷涂聚氨酯以及聚氨酯（脲）弹性体技术。

美国Texaco（现属Huntsman）公司Dudley J.PrimeauxⅡ率先研发成功喷涂聚脲弹性体技术，1989年首次发表研究论文。喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术在90年代发展较快。1991年该技术在北美地区投入商业应用，立即显示出其优异的综合性能，受到用户欢迎；经过不断的总结和提高，目前，北美地区已基本淘汰聚氨酯体系，推广聚脲体系。开发喷涂聚氨酯（脲）体系的公司还有Huntsman、Enviro Chem、Speciality Products Inc、Signature Lining、Mobile Enterprise和Madison Chemical Industries Inc等。澳大利亚于1993年引进该技术，日本于1995年引进该技术，韩国于1997年引进该技术，并相继投入商业应用。

喷涂聚氨酯（脲）技术在国内开发历史虽不长，但由于其成型快速、适应性