0 引言

聚脲喷涂涂料技术是聚氨酯（ PU ）涂料领域的最新发展，聚氨酯化学有近 60 年历史，自 20 世纪 70 年代就诞生了弹性 PU 涂料，约 10 年之后引入聚脲弹性体技术，它们 2 个主要应用领域是反应性注模成型（ RIM ）和喷涂涂料。

聚脲涂料综合了优良施工性能如迅速固化（甚至低于 0 ℃ ）和对湿度的不敏感性，具有优异的物理性能如高硬度、柔韧性、撕拉强度，以及耐化学性和耐水性，因而耐候且耐磨，体系是 100% 固体，使之符合严格 VOC 法规。由于其特殊的固化特征和优异的涂膜性能， PU 聚脲喷涂涂料技术已开发应用于各个领域包括腐蚀保护、防污、膜、衬里和堵缝。

1 定义

“聚脲”一词过去一度使用不当，聚氨酯化学可以分成 3 个分支： PU 涂料、聚脲涂料和 PU/ 聚脲混合涂料，均与不同的异氰酸酯反应相联系（见图 1 ）。每种类型均可能涉及芳香、脂族或芳香族和脂族的混合物的体系，均可以引入颜料、填料、溶剂或助剂。

单纯 PU 涂料是异氰酸酯组分与只含羟基树脂制得的树脂拼混物之间反应的结果，最终涂料可能含不想要的脲基团。聚氨酯体系含一种或多种催化剂。

聚脲涂料是异氰酸酯组分与树脂拼混组分之间的一步反应的结果。异氰酸酯可以是单体型、一种预聚物、一种聚合物或一种拼混物。对于预聚物，可以采用胺和 / 或羟基终端树脂。树脂拼混物只应含胺终端树脂和 / 或扩链剂，无羟基活性聚合物成分。本文中提到的所有聚脲涂料都满足这个要求。

聚氨酯 / 聚脲杂化体涂料由这二种涂料体系结合组成，异氰酸酯成分可以与“纯”聚脲体系相同。树脂拼混物是一种胺终端和羟基终端聚合物树脂和 / 或扩链剂的拼混物。树脂拼混物也可以含助剂或非主要成分。为了使含羟基的树脂活性处于与胺基终端树脂同样的水平，必须加入一种或多种催化剂。

在工艺的最后，水 / 异氰酸酯反应也产生脲基，然而，这个反应不应被认为是聚脲反应，因为这个机理是 2 步过程，受慢得多的 NCO/H 2 O 反应控制，并产生 CO 2 。

聚脲应用领域为：屋顶涂料、公寓房顶修补、管道保护、管内壁修补、二次污染、箱槽涂料、货车箱底板衬里、货船衬里、集装运输车衬里、海上平台、传送带、停车甲板、桥梁。

2 聚氨酯前景展望

根据不同的参数来进行不同 PU 技术之间的选择（图 2 ）， PU 在成本和质量之间具有最佳平衡点，但受施工性能限制。当底材湿度 >5% 时 PU 体系易起泡，这是由于羟基多元醇和水与异氰酸酯竞争反应。环境湿度和施工温度是 PU 和其它化学反应体系的制约因素。

杂化体系已具有较大范围的施工条件，但在杂化体中催化剂的存在使之对湿度比在“纯”聚脲体系中更敏感。而且，因为催化的多元醇 / 异氰酸酯反应与胺 / 异氰酸酯反应对变动的施工温度的表现各不相同，体系更加不稳定。

与聚醚胺的反应

与多元醇的反应

与水的反应

图 1 异氰酸酯反应

聚脲可以用于极限条件下。当其用于几乎水饱和的底材时聚脲不会起泡，当空气中湿度高时也不会起泡。即使在低温（如低于 - 20 ℃ ）条件下聚脲涂料仍会固化。聚脲涂料将高柔韧性与高硬度结合在一起，当要求下列性能时，它们最合适：

图 2 不同的 PU 化学原理的应用

• 高固化速度；

• 在高湿度和 / 或低温下施工

• 极好的耐擦伤性；

• 渗透性；

• 高膜厚；

• 耐化学性。

3 聚脲涂料的施工

为了正确施工，需要很好地理解聚脲喷涂涂料的性能。

表 1 对可望获得的聚脲喷涂产品的物理性能进行了概述，聚脲体系非常坚韧，结合了高表面硬度与弹性，具有很好的耐擦伤性。

市场开发始于美国，之后是亚洲，在 20 世纪 90 年代后半期强劲增长。在初始阶段，聚脲涂料用作屋顶 PU 绝缘泡沫的保护层。在欧洲，聚脲涂料市场在最近几年才开发。

由于聚脲对无论来源于环境还是底材的湿度都具高耐性并具耐温性，适合于涂装建筑领域构件混凝土如屋顶修补、容器衬里、膜、汽车停车场、桥梁和海上平台。其高度耐擦伤性使之可以用于卡车的衬里、集装运输车、货船和输送带。

4 原材料

聚脲涂料配方含如下 5 种成分；异氰酸酯、 ( 活性 ) 稀料、聚醚胺、扩链剂、助剂和颜料。

4.1 异氰酸酯

因为大多数使用的异氰酸酯是二苯甲烷二异氰酸酯（ MDI ），所以本文重点讨论 MDI 产品。脂族体系可以在解决 UV 稳定性问题时采用。

标准聚脲喷涂料采用带 NCO 含量 15% ～ 16% 的 MDI 预聚物，在此 NCO 范围内，材料的粘度和体系的活性可以良好平衡。较低 NCO 预聚物具有较高粘度，但弹性更高、活性更慢。较高 NCO 预聚物粘度更低对双组分的有效混合有利，然而活性大得多，内应力风险更大。如果需要较高的表面硬度，可能要采用较高 NCO 预聚物，表 2 列出了欧洲聚脲喷涂涂料采用的 MDI 预聚物的主要性能综述。

4.2 稀料

碳酸丙烯酯是聚脲的一种稀料，它闪点高、活性低，不是 VOC ，以下是碳酸丙烯酯的主要优点：

• 提高了异氰酸酯预聚物的贮存期；

• 喷枪混合室中双组分混合的相容剂；

• 异氰酸酯的降粘剂；

• 改进施工涂膜的流平性。

表 3 聚醚胺性能

表 4 几种扩链剂的性能

图 3 温度对异氰酸酯的粘度的影响

碳酸丙烯酯与胺反应形成一种含仲羟基的氨基甲酸酯结构，由于 NCO 与胺之间的反应快，仲羟基没有与 NCO 基反应的机会，因而碳酸丙烯酯分子应认为是一种单官能分子。

在不可避免与水接触的应用场合，应限制使用碳酸丙烯酯，因为碳酸烯丙酯与水完全混溶，可能萃取出未反应的碳酸烯丙酯，增加涂膜的水敏感性。

4.3 聚醚胺

用于聚脲喷涂涂料中的胺混和物是一种聚醚胺与扩链剂的混合物，树脂拼混物的主要成分是胺终端氧化乙烯和 / 或分子量 2 000 ～ 5 000 g /mol 的氧化丙烯聚醚。伯胺基具有与异氰酸酯组分非常快且可靠的反应，表 3 表示常用于聚脲中聚醚胺的性能。

4.4 扩链剂

二乙基甲苯二胺 (DETDA) 是一种用于芳香聚脲喷涂涂料中的标准扩链剂， DETDA 对硬嵌段起作用改进固化膜的耐热性，它是树脂拼混物中最活泼的胺，但由于固化时的相分离，它控制反应机理使之有可能喷涂聚脲涂膜。

其它扩链剂如二甲基硫代 - 二甲苯二胺 (DMTDA) ， N ， N ' - 二 ( 仲丁基 ) - 胺基二苯基甲烷 (DBMDA) 或 4 ， 4' - 亚甲基双 (3 - 氯， 2 ， 6 - 二乙基 ) - 苯胺 (MCDEA) 使反应速度大大减慢，表 4 列出了各种扩链剂及其特性。

反应被减慢也意味着与水的竞争反应更重要，需采取预防措施。

4.5 助剂和颜料

取决于应用领域，配方中加入相应的助剂、颜料和 / 或填料，颜填料的加入受限制，因为在施工温度下双组分的粘度必须控制，加到体系中的填料和增强填料较高时，可能要作为第三组分。

5 产品施工专业化

处理聚脲涂料的最重要环节是混合，良好的混合将通过用机械净化撞击这种合适的混合模式来获得。产品的操作压力和温度也有助于优化混合效率。

由于聚脲的固化速率高和混合时间短，产品通过在高压下的撞击混合，以固定的 1 ∶ 1 体积混合比配制产品较好。压力为 150 ～ 250 bar ，在施工温度下理想的产品粘度需 <100 mPa · s ，而双组分的粘度需处于同样的粘度水平，图 3 表示在不同温度下 MDI 预聚物的粘度，表 2 列出了这些预聚物的性能。

树脂拼混物在 25 ℃ 时的粘度约 900 mPa · s ，在施工温度时降到 100 mPa · s 以下。

实验已证明聚脲于 65 ℃ 、 70 ℃ 和 80 ℃ 下形成的涂 膜性能不同，随温度升高而提高。新的喷涂设备可以对 2 个组分设 定不同的温度以保证在喷头上有最优的混合。

喷涂设备已经大为改进，新特征包括：

• 为二种组分分别设定；

• 更容易设定温度可变比例；

• 易于输出控制；

• 易于监测施工参数。

典型的聚脲体系的指数保持略高于 NCO 为 1.05 ～ 1.10 。因 NCO 基与潮气反应，在贮存和 / 或施工时的 NCO 的“损失”由这些过量 NCO 基弥补。对 1 ∶ 1 体积比喷涂体系经测试涂膜性能指数变化在 0.9 ～ 1.5 ，测试结果表明指数在 1.05 或更高时性能最好，低于 1.05( 即使只改变 0.2) 结果可能也变化很大，不可预测，。

6 错觉 / 过去的问题

聚脲的应用在初始阶段就已有些问题，关于聚脲技术仍然有如以前那样的错觉，这些问题中，部分可能由于在这种技术引入时缺乏经验，也存在部分由于缺乏足够的施工设备及这种新技术不能如已有涂料体系同样方式施工的事实。

当最初提出聚脲时，就开始误解，因为它看起来几乎不太容易施工，聚脲是快干涂料，涂料可以在施工后立即投入使用，只要几个小时涂层就可以达到最好性能，它对水或温度不敏感，易于配制和生产，以下列出了一些普遍关心的不成功试验及其解决方案。

6.1 体系干太快：层间附着力差

市场上引入的第一个体系确实干很快，胶化时间最大为 2 s ，几周的涂层间实验室测试时间表明用于这些非常快干的体系，层间附着力非常好。当层间附着力问题发生时，往往相关联的问题回到采用的原材料、体系的制备或喷涂设备上，喷涂设备问题或一种组分或二种组分混合模式的加料可能混合不好，喷涂的机器设定的调整可以解决这个问题。

6.2 表面质量很差

由于体系的高活性，涂膜的表面质量最初很差。喷涂设备细调是解决这个问题的第一个改进。采用无 VOC 的活性稀料、开发具有 2,4 异构体含量高的新的 MDI 预聚物，可以完善表面质量而不多消耗施工时间。

6.3 涂层厚度增加太快

聚脲喷涂涂料的最初施工产生的涂膜太厚，喷涂设备进一步改进可使施工的膜厚达到所需的几百个微米，不久将来可以实现 100 ～ 150 μm 。

6.4 底材润湿性很差

这又是一个与采用极快速喷涂料体系的聚脲的开发阶段有关的问题，开发程序集中在对混凝土的附着力，采用胶化时间 3 ～ 4 s 聚脲体系使得在混凝土上内聚附着力差，实际应用中，为降低野外的可变风险，采用一种由底漆和面漆组成的多层体系。

6.5 体系成本（原料成本对项目成本和产品生命循环的成本）

当仅考虑原材料成本时，“纯”聚脲体系更贵，但可以用于其它任何体系不适应的领域。评估项目的投资，在涂装的底材投入使用前，将加工时间和等待时间包括在内时，聚脲更具竞争力。

6.6 设备投资

设备的初期投资相当大，正如上面强调的，项目的成功很大程度取决于设备和施工装置，只有专业化和熟练操作者才能保证服务质量。

6.7 丰富经验的施工者

受过良好训练的施工队伍的经验和动力与喷涂设备、原材料选择、足够的人身保护设备及合适体系的配方同样重要。

7 最新进展

7.1 体系官能度的影响 ( 表 5)

聚脲涂料具有理想的耐化学性和硬度，对某些应用领域如容器的底漆及管内壁涂层，需要耐化学性很好。提高耐化学性的一个途径是增加交联密度，从试验程序可以作出如下结论：