摘要

        聚脲具有高的耐磨性、防渗、耐腐蚀性强、综合力学性能优异，在工程中得到了广泛应用。聚脲材料分为双组份喷涂聚脲和单组分聚脲。国内外对双组份喷涂聚脲研究较多，而对单组份聚脲研究较少。本文详细介绍了聚脲的相关知识，包括双组份聚脲与单组分聚脲的区别、半聚脲与纯聚脲的区别、聚脲的发展及现状，在广泛的查阅资料了解聚脲的反应原理的基础上，结合实际工程，如桥梁的养护工程，研发出了一种弹性暴力型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026。FH-FS4026具有防水、防腐性能突出、适用期长、操作方便以及环保等优点。本文最后介绍了FH-FS4026在桥梁养护上的几个应用。

关键词：聚脲；防水；单组分聚脲；异氰酸酯

1. 引言

        聚脲弹性体是继高固体份涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等低或无污染涂装技术之后为适应环保需求而研制开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术。

1.1 聚脲的定义

        聚脲是异氰酸酯组份与氨基化合物组份反应生成的一种弹性体物质。

        聚脲具有拉伸强度高、伸长率大、耐老化性能好、粘结牢固等优点。固化后具有良好的封闭和防渗效果，可以用作封闭涂层和防渗涂层，目前已在城市地铁、高速铁路、隧道桥梁、水利机电、石油化工、海洋钻探等多个领域应用。

        聚脲按组份可分为双组份和单组分两种。双组份聚脲喷涂施工，反应迅速，固化速度快，几十秒钟可以凝固成膜。单组分聚脲固化速度慢，其原理为封端的特殊叔胺类物质（或酮亚胺）与异氰酸酯的预聚体或半聚体，按一定比例混合储存。使用时，封端胺基或酮亚胺暴露于空气中，在水分子作用下，生成含有氨基化合物，然后与异氰酸酯反应生成脲键。单组份聚脲涂层不能太厚，否则下层固化时间会很长，单组分聚脲作为涂层一般使用厚度在2mm以内，最大厚度不大于4mm。使用单组份聚脲固化速率为1mm/24小时。在水利工程中，应用聚脲涂料在混凝土大面积薄层（厚度小于3mm）防护方面和覆盖细小裂缝加强防渗方面。

1.2 双组份喷涂聚脲与单组份聚脲的区别

        聚脲材料分为双组份喷涂聚脲和单组分刮涂聚脲。双组份喷涂聚脲原料体系不含溶剂、固化速度快、工艺简单，可很方便的在立面、曲面上喷涂几十毫米厚的涂层而不流挂。但是，喷涂双组份聚脲需要专门的喷涂设备，该设备尺寸较大，在水利水电工程中的应用受到一定的限制，如果仅处理混凝土局部破坏或裂缝，采用双组份喷涂聚脲修补也不经济。为了弥补这一缺陷，开发了施工简单、不需要专用设备的单组分刮涂聚脲。

1.2.1 双组份喷涂聚脲：涂层是由异氰酸酯组份（A料）与端氨基化合物组份（B料）通过专用喷涂设备快速混合反应形成的弹性涂层。

        双组份聚脲是由两个组份构成的，其中A组份为含有多个—NCO的小分子或高分子，B组份为含有两个以上的端氨基的高分子或低分子。A组份和B组份混合后迅速反应生成聚脲（—NCO基团与—NH2反应非常快，其反应形成脲键），其作用时间通常只有几秒。

        如果将B组份分子中的氨基全部换成羟基—OH(如聚醚多元醇，聚酯多元醇)，则反应形成聚氨酯，即为双组份聚氨酯。

        双组份喷涂聚脲与单组分涂刷聚脲具有良好的物理力学性能。喷涂聚脲防水工程技术规程JGJ/T200-2010中要求的喷涂聚脲指标：

1.2.2 单组分涂刷聚脲：涂层是由异氰酸酯预聚体和封闭的胺类化合物、助剂等构成的液态混合物，采用涂刷、辊涂或刮涂方法施工，在空气中水分作用下，封闭的胺类化合物产生端氨基并与预聚体产生交联反应而形成的弹性涂层。

        单组份涂刷聚脲要求的指标见表2。

        两种聚脲材料指标是可以根据实际工程需要，通过调整配方来改变聚脲的物理力学性能。的抗拉强度最大都可以调到25Mpa以上、延伸率可以大于450%，但相应成本会增加。

1.2.3 双组份聚脲与单组分聚脲优缺点

        双组份喷涂聚脲的特点：

        （1）材料本体抗冲磨性能好、耐老化；

        （2）与基础混凝土粘接强度大于2.5Mpa；

        （3）机械化施工，表面喷涂聚脲涂层施工速度快，但基础处理要求高；

        （4）材料反应速度极快，解决了以往喷涂工艺中易产生的流挂现象，可在任意曲面、斜面及垂直面上一次喷涂成型；

        （5）低温柔性较好，在-30℃下对折不产生裂纹。

        （6）防渗、防冻效果好，耐化学腐蚀；

        （7）芳香族聚脲表面颜色会有变化，耐老化较脂肪族聚脲差，但脂肪族喷涂聚脲价格高。

        （8）无毒，可用于引用水输水工程；

        （9）喷涂聚脲对施工人员和喷涂设备要求极高，喷涂均匀性不易控制，可能出现局部强度偏低及厚度不均匀的情况。施工质量好坏受施工人员水平影响较大。

        单组份聚脲的特点：

        （1）耐化学腐蚀，防渗效果及抗冲磨性能好；

        （2）与基础混凝土粘结强度大于3.0Mpa；

        （3）单组份材料就一种材料，避免了施工中配合比不当造成质量缺陷，不需要专门的设备，分层施工，涂层厚度的均匀性及宽度可控，施工质量有保证；

        （4）低温柔性好，在-45℃仍保持50%以上的延伸率，能适应高寒地区低温环境的运行要求：

        （5）材料为脂肪族，耐老化性能好，不变色；

        （6）无毒，可用于饮用水输水工程；

        （7）由于固化时间长，混凝土裂缝及伸缩缝表面封闭可以增设胎基布增强；

        （8）局部缺陷修补使用同一种材料，施工方便；

        （9）人工刮涂，一次涂刷厚度为1mm，需要分层涂刷。但施工工艺简单，只要施工场地容许，可以多个工作面同时施工。

        双组份聚脲与单组份聚脲比较：

        （1）单组分刮涂聚脲和双组份喷涂聚脲这两种材料均具有较高的强度、良好的柔性、优异的抗冲磨性和耐老化性，均使用于迎水面大面积防渗。

        （2）单组分涂刷聚脲需要分层施工，可以保证涂层厚度的均匀性，在混凝土裂缝表面及伸缩缝表面能增设胎基布；喷涂聚脲快速固化，一次成型，立面不会流淌，但无法增设胎基布补强。

        （3）单组分涂刷聚脲固化时间长，可以与基础混凝土很好的反应，与基础混凝土粘结强度大于喷涂聚脲，故更适用于有抗冲磨要求的部位。

        双组份聚脲与单组份聚脲适应范围：

        由于这两种柔性材料本体抗冲磨性能及防渗性能优越，对于迎水面大面积防渗的水工建筑物，只要施工场地能满足吊装和放置喷涂设备的要求，选用这两种材料均可以。对于承受背水面及有抗冲磨要求的水工建筑物来说，关键是提高柔性涂层与基础混凝土之间的粘结强度，保证材料的均匀性和施工质量。对伸缩缝及裂缝表面封闭，需要保证涂刷或喷涂的涂层厚度及宽度。

        单组份涂刷聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、裂缝和伸缩缝表层防渗，以及流速小于30m/s的过流面的抗冲磨防护与表面耐久性防护；双组份喷涂聚脲宜用于水工混凝土建筑物的迎水面防渗、流速小于5m/s的过水面保护及表面耐久性防护。

1.3 纯聚脲与半聚脲的区别

        2000年美国成立了聚脲发展协会。聚氨酯家族有喷涂聚氨酯、喷涂半聚脲和喷涂聚脲3个分类。按照PDA的定义，喷涂聚氨酯、喷涂半聚脲、喷涂聚脲都是异氰酸酯组份（A组份）与树脂成分（R组份）反应生成的弹性体物质。它们的区别是：喷涂聚氨酯的A组份是由端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的预聚体和半预聚体；R组份是由端羟基树脂和端羟基扩链剂组成，必须含有提高反应活性的催化剂。喷涂半聚脲的A组份是有端氨基或端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的预聚体和半预聚体；R组份既可以是端羟基树脂，也可以有端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，可以含有提高反应活性的催化剂。喷涂聚脲A组份是由端氨基或端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的预聚体和半预聚体；R组份必须由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，不得含有任何羟基组份和催化剂。

        聚脲技术两大学派

        聚脲学派:

        以美国聚脲发展协会为代表，力推“纯聚脲”认为“纯聚脲”反应活性高，无发泡倾向，涂层质量高；不含催化剂，耐久性好；反应速度快，对温度和湿度不敏感，可在0℃以下及高湿度条件下施工；是性能完美的涂料。

        聚氨酯学派:

        以欧洲聚氨酯巨头为代表，他们更青睐聚氨酯，半半聚脲称为改性聚氨酯。认为半聚脲和聚脲是聚氨酯家族成员。聚氨酯、半聚脲和聚脲各有其技术特点。

        实际上不存在“100%纯聚脲”在聚脲A组份异氰酸酯预聚体与半预聚体中含有约40%的端羟基聚醚。即使R组份中全部是端氨基聚醚和端氨基扩链剂，在聚脲涂膜中有只有80%的氨基成分，还有20%的羟基成分，此外还有一定百分比的助剂。“纯聚脲并不纯”，只不过是氨基成分略多一些而已。聚脲和半聚脲在化学成分上没有质的差别，只有量的差异。

        而且并不是越纯性能越好。100%氨基成分的“纯聚脲”刚性过大，柔韧性不足，没有多大使用价值。通过对半聚脲配方的合理设计，调节氨基和羟基成分的配比，可得到氨基成分50%~80%的刚柔相济的高档半聚脲，其技术性能完全可以与聚脲媲美，特别是在水泥基材防护领域，其性能略由于聚脲。聚脲并非性能完美的“万能涂料”，它在物理性能、耐久性、施工性、环保非常有优势，但是在耐高温、耐强酸、溶剂腐蚀性、阻燃性等方面不良。需将它与高分子家族其他材料进行改性。聚脲类涂料中的异氰酸酯多官能团，决定了它可与多种树脂，如聚酯、聚醚、环氧、有机硅、丙烯酸等树脂改性，满足不同的使用要求。通过采用特殊功能树脂改性半聚脲，可获得性能优异、用途广泛、高性价比的高档半聚脲。如通过有机硅改性半聚脲，可提高耐热性和耐候性；酚醛树脂改性半聚脲可提高耐热性、耐强酸性、耐溶剂腐蚀性和阻燃性；聚硫橡胶改性半聚脲，可提高其耐化学性及水蒸气透过性等。而纯聚脲在配方设计中只能有少数几种端氨基聚醚和端氨基扩链剂，调节范围窄，难于适应多样化要求，同样它也失去了改性的可能，因为用于改性的树脂不含氨基成分，改性后就不是“纯聚脲”。此外，聚脲的价格较高，性能相当的聚脲比半聚脲价格高10%~20%。聚脲在性价比上失去了优势。

        “纯聚脲”和“半聚脲”性能比较

        物理性能比较：

        聚脲的脲键极性强，具有较高的拉伸强度、硬度和刚性，以及良好的耐热性，但它的弹性、柔韧性较差，断裂伸长率较低。聚脲固化速度快，无化学发泡倾向，涂层物理性能略好。 在相同的强度和硬度条件下，半聚脲具有较好的弹性，较高的断裂伸长率和低温柔韧性。

        聚脲固化速度快，对基材的浸润时间短，粘结强度低。半聚脲固化时间适中，对基材的浸润性好，具有较高的粘结强度。

        其中断裂伸长率和粘结强度是混凝土基材防护，特别是京沪高铁聚脲防护材料的最关键指标。高铁桥面的高速重载、振动负荷，加剧了混凝土裂缝的扩展，故要求聚脲涂层具有优异的抗混凝土桥面开裂性，要求聚脲抗拉强度高，断裂伸长率大，粘结强度高。

        耐久性比较：

        （1）聚脲不含催化剂，不存在催化剂降解失效。从这方面考虑，聚脲的耐腐性及耐久性优于半聚脲。

        （2）聚脲的弹性和断裂伸长率比半聚脲低，而断裂伸长率是耐久性的重要指标。从这方面看，聚脲的耐久性不如半聚脲。

        （3）半聚脲的耐紫外线能力高于聚脲。

        施工性能比较：

        （1）端氨基聚醚和异氰酸酯的反应速度比水和异氰酸酯的反应速度快的多，故聚脲不会发生异氰酸酯与水反应生成CO2,从而发生化学发泡，施工性能好，涂层质量也较好。而端羟基聚醚与水的反应速度和它与异氰酸酯的反应速度在一个数量级上，存在涂层发泡的倾向。故在半聚脲施工中应采取有效措施（如采用潮湿基面施工的底漆，控制环境湿度和基材含水量等），以解决发泡的难题。

        （2）聚脲快速固化导致集中放热，在涂层中产生较大应力及较大收缩量，造成涂层卷曲，甚至鼓泡和脱层；附着力下降，易产生分层。半聚脲反应速度适中，放热及收缩率较小。

        （3）聚脲反应速度快，流平性差，表观质量差，易产生橘皮状。半聚脲反应速度适中，流平性较好，表观质量好，平整、光洁，易充满边缘、角落。

        （4）聚脲快速固化本身不受环境湿度的影响，对湿度不敏感，可在有明水的基面上固化成膜，但其在潮湿基面上的粘结强度低，易大面积脱层和鼓泡。混凝土是一种多孔材料，具有“呼吸性”，高湿度下（湿度大于90%），其表面及微孔和缝中就会形成一层水膜，对聚脲的粘结力有致密影响。聚脲在喷涂过程中，潮湿基材上的水被反应的高温气化、膨胀产生物理发泡。聚脲在高湿度环境下形成的涂膜密度较低，性能下降。

        （5）聚脲虽然可以在0℃以下应用，但是低温形成的涂膜物理性能低于正常条件下的性能。

        综上，聚脲和半聚脲施工都要遵守3条基本原则：1、在施工和固化期间，基材温度等于或大于3℃；2、环境平均温度必须在5℃以上；3、基材表面不得有水。

1.4 聚脲的发展及现状

        上世纪80年代中期，在美国的Texaco公司的化学家Dudley J.Primeaux先生团队率先研发成功鹏图聚脲技术，并于1989年发表论文。1991年该技术在北美地区投入商业应用。澳大利亚、日本和韩国分别于1993年、1995年和1997年引进该技术并相继投入商业应用。我国的海洋化工研究院于1995年开展可早期研究工作，1997年从美国当时的GUSMER公司引进了关键的喷涂设备，研发出了自主知识产权的材料和施工工艺，于1997年7月，我国第一个户外聚脲防护工程——青岛海豚表演室外水池防渗漏工程投入使用。2000年以后聚脲开始在我国投入商业应用，海洋化工研究院聚脲产品的商品牌号为SPUA，系列产品涉及防腐、防水、耐磨、耐酸、耐碱、耐老化、防滑、装饰、道具、抗冲击等众多领域，并陆续发表了大量文章，同时申请了发明专利。之后国内外许多科研院所、公司相继参与聚脲技术的研究中，促进了该技术的发展。

        2000年美国人Michael在上海成立了易捷空调系统公司，该公司获得了美国SPI公司聚脲产品在中国及东南亚的代理权，以英文NUKOTE作为其聚脲的商品名，在中国和东南亚市场推广聚脲产品：2000年江苏化工研究所郁维铭等人开始半聚脲的探索，商品牌号为JSU，应用领域涉及隧道防水、水闸防腐；2000年韩国一山聚氨酯公司朴成浩等人在上海闵行区建立生成基地，开始销售聚脲产品；2001年湖南湘江涂料基团有限公司廖有为等人，开展了喷涂聚脲技术在皮卡车耐磨衬里的研制和应用；2001年烟台华特聚氨酯公司李洪剑等人开展了喷涂半聚脲、刚性聚氨酯技术在管道防腐、屋面防水的应用；2001年美国联合涂料公司与国内某公司合作，在上海洋山深水港一期钢桩防腐工程上应用聚脲技术；2002年广州秀柏化工有限公司颜再荣等人开展了聚脲防水涂料的研制，并将产品应用到建筑防水， 2005年10月制定中国第一个聚脲行标，2008年制定世界第一个聚脲国家标准。2010年3月 中国建筑防水协会聚脲分会成立 。

        喷涂聚脲技术在我国研究、开发成功以来，发展迅速。特别是2007年完成了京津城际高速铁路、奥运场馆、国家大剧院和毛主席纪念堂等防水防腐工程，引起了全世界聚脲同行的关注。

        我国聚脲涂料的发展方向：未来几年，喷涂聚脲最具潜力是高速铁路、石油、天然气管道的防腐领域。未来数十年正是我国高速铁路高速发展的时期，相关部门已经制出相关的技术要求，在高铁防护材料中使用聚脲弹性体。而且在部分高速铁路路段已经成功应用，未来聚脲在高速铁路的应用将继续扩大。我国已有7万千米的油气管道，55%以上的管线存在穿孔和腐蚀、超龄使用等问题。我国原先采用的“PE”防腐技术施工质量差，易脱落，野外施工困难，异型管件防腐效果无法保证，特别是管件接头部分无法保证防腐效果，给喷涂聚脲提供了巨大商机。据统计，仅用于石油管线的接头部分防腐处理所需的喷涂聚脲材料就在1000吨以上，市场容量十分客观。我国喷涂聚脲行业还处于早期，产品品种、规格单一，各公司和单位专业化程度参差不齐，与国外发达国家还有相当大的差距。我们要努力实现主导产品的系列化、规模化，实现市场的规范化，切实提高售后服务的专业水平。

1.5 聚脲的分类

        目前，聚脲家族有三个分支，即芳香族、脂肪族、和天冬氨酸酯，在应用领域分别占70%、5%和25%市场份额。

1.5.1 芳香族聚脲
        历史上曾将一类从植物胶中取得的具有芳香气味的物质称为芳香族化合物。现在指分子中至少含有一个苯环，具有与开链化合物或脂环烃不同的独特性质的一类化合物　 Ａ组分是芳香族异氰酸酯，如MDI, LMDI等NCO直接与苯环相连，B组分含芳香胺扩链剂，如E-100,E-300,Unilink4200

图1. 芳香族异氰酸酯

        在世界大量应用，京沪高铁、津秦、宁杭等使用 ，优点：优异的物理性能；价格低；  缺点：在光照下黄变，易老化， 在紫外线下自氧化分解 。

图2. 芳香族异氰酸酯老化过程

        脂肪族聚脲
        开链烃及除芳香族化合物以外的环状烃类及其衍生物的总称。Ａ组分是脂肪族异氰酸酯，如二环己基甲烷二异氰酸酯 HMDI,四甲基苯二亚甲基二异氰酸酯 TMXDI等
B组分含脂肪胺扩链剂，如IPDA, CLEARLINK1000等

图3. 脂肪族异氰酸酯

         优点：突出的耐候性能；优异的耐低温性能
         缺点：物理性能稍差；耐高温和耐腐蚀差；价格贵

        聚天门冬氨酸酯聚脲
        Ａ组分是脂肪族异氰酸酯，如HDI三聚体，B组分是聚天门冬氨酸酯（仲胺），由二烷基马来酸酯与脂肪族伯二胺经过Michael加成反应而成。

图4. 聚天门冬氨酸酯聚脲反应

        优点: 1．固化速度可调至15分钟以上；

                2．高拉伸强度、高光泽度、优异的耐磨性能；

                3．优异的附着力(DTM, Direct to Metal)；

                4．优异的防腐性能及耐紫外光性能；

                5．可以刷涂也可以常规高压无气喷涂机施工。

        缺点：价格昂贵

                弹性稍差

                原料品种少

1.6 聚脲的应用

        1、聚脲可应用于防水涂料领域，如地下防水、游泳馆、隧道、污水处理池等防水、防渗透、桥梁、发电厂、建筑屋面等。2、聚脲可应用于防腐耐磨涂料领域，如卡车衬里、矿用滚筒、水泥砂浆处理设备等。3、聚脲应用于铺面领域，聚脲铺面涂料与底漆、面漆涂层配合，构成坚固具有装饰性的地面保护体系，如体育场、车间、停车场、工地、天桥等。4、工业重防腐涂料，用于储罐、管道防腐、酸洗槽、电镀槽等领域，脱硫设备。最后还有其他领域，例如：军事领域、影视道具、路面标线等。

1.7 我国聚脲行业面临的问题

        虽然我国聚脲事业取得了突飞猛进的发展，但是在实际应用中也暴露出不少问题，具体表现在：缺乏行业组织规范、缺乏高性能研究、缺乏正规的培训。我国聚脲市场价格、质量良莠不齐，非常混乱。

1.8单组分聚脲树脂的研究背景

        聚脲弹性体自20时间80年代发明后，成为一种新型无溶剂、无污染的绿色环保技术广泛应用与防腐蚀、防水涂层以及灌封等技术领域。目前广泛应用的双组份聚脲，凝胶、固化太快，且需要特殊的喷涂设备，施工成本较高，喷涂的效果受施工人员经验水平影响大，双组份聚脲喷涂设备需占据一定空间。单组分聚脲的固化时间慢，可以用传统方法施工，可以作为快速固化聚脲的一种补充，同时解决了喷涂双组份聚脲施工成本高且某些地方施工不够方便的问题，如果仅处理混凝土局部破坏或裂缝，采用双组份喷涂聚脲修补也不经济。

2. 单组分聚脲

2.1 单组分聚脲的定义

        单组分聚脲是相对于传统双组份聚脲而言的，由于胺与异氰酸酯反应速度特别快，接触即刻反应，因此传统的聚脲成膜都是双组份喷涂固化，由于这个原因造成聚脲某些性能的缺陷和施工的不方便性，从而制备了单组份聚脲成了一个发展的方向。单组分聚脲是指只有一个组份，胺与异氰酸酯稳定存储不反应，施工时不需要临时复配，不需要专门的喷涂设备，涂膜时遇到空气中湿气即可反应固化。

        单组份聚脲为异氰酸酯封端物质与特殊叔胺基类封端物质或者酮亚胺混合的组合物。封端叔胺基或酮亚胺暴露于空气中后，在水分子作用下，形成仲胺基团物质，仲胺基团与异氰酸酯形成脲基，反应过程无需催化剂，也没有羟基物质与—NCO反应。尽管其可涂刷也可喷涂，但其机理完全不同于（双组份）喷涂聚脲弹性体。

2.2 单组分聚脲的种类及发展

        单组分聚脲从固化方式看主要是湿气固化型，目前研究的大约有三种：第一是是酮亚胺/醛亚胺，第二是噁唑烷湿气固化型，第三种是有机硅湿气固化型。前两种湿气固化原理相似，通过湿气释放出含质子的伯胺或者仲胺与异氰酸酯固化成膜，第三种主要是硅氧烷遇湿气交联固化。

        酮亚胺/醛亚胺的研究现状：

        酮亚胺/醛亚胺是利用脂肪族多元伯胺与酮或醛的聚合物进行迈克尔加成反应值得的，酮亚胺/醛亚胺的结构特点对异氰酸酯反应生成的聚脲的性能有很大影响。

        噁唑烷应用与单组分涂料树脂固化剂始于近些年，包括日本油墨化学工业株式会社、阿克苏诺贝尔公司、陶氏环球技术公司、以及拜耳公司等。

2.3 单组份聚脲树脂的研究

        单组份聚脲是聚脲领域一个新的分支，相对于喷涂双组份聚脲，单组份聚脲树脂具有施工方便、低成本、慢固化等特点，可以广泛应用于很多涂料防护领域。

        本文以异氟尔酮二异氰酸酯单体（IPDI）和聚醚多元醇类羟基物质合成弹性异氰酸酯预聚物，以双官能团端氨基聚醚、乙二胺等伯胺类物质和苯甲醛、甲基异丁基酮等醛/酮类物质为原料进行迈克尔加成反应，合成一种封端胺类物质醛亚胺/酮亚胺潜固化剂，与异氰酸酯预聚物混合制备出一种单组分聚脲树脂。

        异氰酸酯的研究现状

        氰酸酯（R-NCO）是合成聚脲的主要原料。20世纪50年代以来，异氰酸酯在德国、美国、日本等国家获得了很大发展。

        异氰酸酯的发展历史

        1848年，Wultz首先用硫酸二乙酯和氰酸钾合成氰酸酯。1869年Genter初步确定了异氰酸酯的结构。1884年W.Hentschel发现光气和胺反应可制成异氰酸酯。1937年德国化学家Bayer等人合成了可以抽丝的聚氨酯。第二次世界大战期间拜耳公司以及法本公司在德国采用聚氨酯制备塑料、粘合剂、涂料工作，奠定了异氰酸酯的工业发展基础。1950年在美国实现异氰酸酯的工业化生产。当前世界聚氨酯及其原料异氰酸酯的生产和消费主要集中在美国、欧洲、日本和韩国。世界最大的二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）生产厂为亨斯迈内门有限公司的子公司，其生产能力为25万吨/年。

        我国异氰酸酯的发展

        我国异氰酸酯生产长期处在规模小、成本高的地位。20世纪50年代中期在大连建成第一套100吨/年MDI光气合成装置，1962年又建成了500吨/年MDI装置。上世纪80年代我国MDI工业出现新局面；80年代初山东烟台引进日本技术兴建1万吨/年MDI装置；1989年甘肃银光化工公司从德国引进2万吨/年甲苯二异氰酸酯（TDI）装置；气候我国又引进了3套TDI装置；上海吴淞化工厂、山西太化基团和河北沧州大化公司各1套。烟台的万华公司与青岛化工学院联合进行MDI制造技术的攻关，相继开发成功1.5万吨/年、2万吨/年和4万吨/年的MDI制造技术，并掌握了8万吨/年以上的MDI核心制造技术，使我国成为继德国、美国、日本之后第4个拥有MDI制造技术自主知识产权的国家。我国目前依然大量进口异氰酸酯。

2.4 本文主要研究内容

        单组分聚脲由含多异氰酸酯—NCO的高分子预聚体与经封端的多元胺混合，并加入其他功能性助剂所构成。在无水状态下，体系稳定，一旦开桶施工，在空气中水分的作用下，迅速产生多元胺，多元胺迅速与异氰酸酯—NCO反应，整个过程没有二氧化碳产生。

3. 暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026的制备

        单组分聚脲由含多异氰酸酯—NCO的高分子预聚体与经封端的多元胺混合，并加入其他功能性助剂所构成。分别制备了异氰酸酯—NCO的高分子预聚体，封端的多元胺等组分。

3.1 弹性异氰酸酯预聚物的合成研究

        根据目前单组份聚脲树脂的研究现状发现，弹性单组份聚脲树脂是单组分聚脲领域一个新的发展方向，因为非弹性单组份聚脲树脂柔韧性差，容易在外力作用下发生应力断裂，失去或降低对基材的防护作用。弹性单组份聚脲树脂的一个必备原料就是弹性异氰酸酯预聚体。

        弹性异氰酸酯预聚体和合成反应原理

        弹性异氰酸酯预聚体主要是由异氰酸酯单体和聚醚多元醇反应，属于加成反应，反应产物是以异氰酸根封端的一种聚合物，反应化学式如下：

图5 弹性异氰酸酯预聚体加成反应

3.1.1 合成单体的选择

        异氰酸酯单体的选择

        异氰酸酯单体的分子结构式可表示为：

        其中R可为烷基、环烷基、苯基等

        合成弹性异氰酸酯的合成单体有甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、异氟尔酮二异氰酸酯（IPDI）等。

表3.异氰酸酯类单体的各种性能指标

        其中IPDI反应容易控制，粘度低、强度高，毒性小，因此本文选择IPDI合成聚醚型异氰酸酯预聚体。

3.1.2 多元醇的选择

        合成弹性异氰酸酯预聚物的多元醇主要有两类，一类是聚酯多元醇，另一类是聚醚多元醇，利用羟基与异氰酸酯反应生成胺酯键，得到弹性性能良好的弹性异氰酸酯预聚物。

        聚酯多元醇强度高但是不耐酸碱，在强度要求较高、防腐要求低的场合使用较多，聚醚多元醇弹性性能非常好、耐酸碱性良好，是非常优良的防腐弹性涂料的原料产品，但是聚醚多元醇的强度没有聚酯多元醇强，在强度要求比较高，弹性性能要求高、防腐要求高的场合一般可以用聚醚多元醇和聚酯多元醇复配制备。

3.1.3 弹性异氰酸酯预聚物的合成

        在反应容器中加入IPDI单体，升温到60℃，然后将一定量的多元醇滴加到反应容器中。保温反应6小时，升温到80℃，保温6小时，出料，得到透明粘稠液体。

3.2 潜固化剂的合成

        本文选用酮亚胺/醛亚胺作为潜固化剂，本实验采用：异氟尔酮二胺、己二胺、聚醚胺、甲醛、丙酮等材料合成酮亚胺固化剂。

3.3 单组分聚脲树脂的制备

        单组分聚脲的制备主要通过利用潜固化剂和异氰酸酯组份在密封条件下稳定存储制备的，将两个组份均匀混合，密封保存，使用时开通涂膜即可。本文单组分聚脲树脂的组成主要包括弹性异氰酸酯预聚物和醛亚胺/酮亚胺潜固化剂。

4. 暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026的特点

        在包装物中为浓稠液体状。一旦遇到空气则发生化学交联而固化。固化后形成一种聚脲弹性橡胶膜。该材料对混凝土砂浆、大理石、陶瓷、铝合金、聚氨酯发泡剂、PVC等有较好的粘附力。一般情况下，建议使用合适的底涂剂，以使其对基材有更好的粘结性能。在PU保温层平整面上可不用底涂剂。材料固化后，其可直接暴露于室外空气中作用，颜色不发生改变，无须保护层。其具有优异的防水性能和耐磨性能。其可承受车辆的磨压，可供行人，车辆通行。

5. 暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026的应用

        上人、上车的暴露屋面或桥面、平台、站台、停车坪的防水耐磨工程；

        其它需调色的暴露防水工程；

        上人、上车的室内外地坪工程；

        体育场看台表面防水耐磨工程；

        阳台表面的防水耐磨工程；

        本文介绍了暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026在混凝土缺陷处理中的应用。

        a、单组分聚脲FH-FS4026在伸缩缝混凝土表面止水

        工程建筑、公路、桥梁等由于施工、温度、不均匀沉降等需要设置伸缩缝，伸缩缝内设止水带或橡胶。在运行过程经常发现因内部止水材料损坏而导致伸缩缝漏水。在处理伸缩缝为了不影响结果整体性，可以采用单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026符合胎基布，在伸缩缝混凝土表面重新设置一道柔性止水是简单、可靠的方案之一。该方案如图所示，图中涂层厚度及柔性填料的尺寸与伸缩缝变形量有关。涂层厚度4mm可以承受迎水面10Mpa以上的水压。

图6伸缩缝混凝土表面设置柔性防水结构示意图

        施工工艺(1)沿伸缩缝表层开槽，槽内填充聚氨酯密封胶或类似柔性填料；（2）涂刷潮湿型界面剂；（3）刮涂第一层单组分聚脲，并在伸缩缝部分15~20cm范围内粘贴胎基布；（4）固化后再涂刷3~4遍聚脲，直至伸缩缝部位聚脲涂层厚度达设计要求（3~4mm），宽度20~30cm；

        b、单组分聚脲FH-FS4026在伸缩缝混凝土裂缝表面柔性密闭

        混凝土裂缝是常见的病害之一，采用单组分聚脲复合胎基布对混凝土裂缝表面进行柔性封闭，具有对原结构无损失、能适应裂缝的变化、施工简单等优点。

        施工工艺：（1）裂缝表面打磨，在15~20cm范围内的边缘打磨成图2所示的三角形；涂刷潮湿型界面剂；（3）界面剂表面干后刮涂第一遍单组分聚脲，粘贴胎基布；（4）聚脲表干后再涂2~4遍聚脲，保证裂缝部位聚脲涂层厚度大于3mm，将胎基布全部覆盖；（5）如果裂缝渗水，必须先进行化学灌浆，再进行表面封闭。施工工艺图2

图7.裂缝表面涂刷单组分聚脲封闭方案

        c、单组分聚脲FH-FS4026在混凝土表面大面积防护处理

        混凝土坝、闸等建筑物迎水面将长期遭受低温、频繁的冻融循环导致混凝土发生冻融剥离、裂缝、碳化等破坏。选用单组分聚脲对混凝土表面进行全断面防护，可以起到防渗、防碳化、抗冻融破坏以及提高混凝土耐久性的综合效果。

        施工工艺：（1）混凝土基面进行打磨；（2）混凝土剥蚀的部位，先用聚合物水泥砂浆或环氧砂浆进行找平处理，对小孔洞采用专用腻子封堵，要求混凝土表面平整、坚固、无孔洞；（3）用高压水枪冲洗表面；（4）涂刷潮湿型界面剂；（5）涂刷单组分聚脲，涂刷厚度2mm以上，涂刷2~3遍。

图8.聚脲在混凝土表面大面积处理应用

6．暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026的参数

        颜色：透明和红灰黄蓝等

        状态：浓稠液体

        表干时间，0.3-2h

        比重，1.0g/cm3

        拉伸强度DIN53504:15-22Mpa

        断裂伸长率GB/T528，%：100-200

        低温柔性：-35.0℃

        耐紫外线：良好

        干燥时间：24h

        耐稀酸、强碱、饱和食盐水：良好

        耐磨性能/(750g/500r)/mg：小于等于30

        硬度：大于80

        固化后使用温度：-35℃—+100℃

7．暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026的注意事项

        不得掺入水泥砂浆中混合使用；

        不建议在基层和环境温度低于+5℃以下或高于+40℃以上情况下施工；

        不得在相对湿度高于96%以上的环境下施工。

        包装及储存：

        包装：5升或20升桶包装。

        储存：在+5℃—+27℃环境下可储存6个月。

8. 结论

        目前广泛应用的双组份聚脲，凝胶、固化太快，且需要特殊的喷涂设备，施工成本较高，喷涂的效果受施工人员经验水平影响大。单组分聚脲研究与应用的较少，而单组分聚脲应用也越来越广泛，例如：混凝土局部破坏或裂缝，采用双组份喷涂聚脲修补不经济，采用单组分聚脲较好。

        上海法赫研发的暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026是一种是一种以端异氰酸酯与特殊固化剂物质所构成的组合物。其开桶于现场成膜固化后形成聚脲弹性体（也可称为一种特殊的聚氨酯或高力学性能聚氨酯弹性体）。其具有优异的耐紫外线、高力学性能和高弹性，优秀的防水性能和耐磨性能，并可调成多种颜色，长时间于室外暴露，颜色不发生根本改变，并有良好的自洁性能。

        本文较详细的介绍了聚脲的定义、单组分与双组分聚脲的区别、纯聚脲与半聚脲的区别、聚脲的分类、聚脲的发展概况，然后介绍了上海法赫研发的暴露型单组分聚脲防水耐磨涂料FH-FS4026,说明了该聚脲的制备原理与方法。并说明了单组分聚脲的应用范围，结合3个实例说明了单组分聚脲在混凝土结构上的应用，分别是：单组分聚脲在混凝土结构中伸缩缝防水的应用、单组分聚脲在修补混凝土裂缝的应用、单组分聚脲在混凝土表面防护性涂装的应用。

参考文献

[1]黄微波.中国聚脲技术十年发展[C]，中国聚氨酯工业协会.中国聚氨酯工业协会第十四次年会论文集.北京：2008

[2]余建平.单组分聚脲液体防水涂膜[J]，新型建筑材料，2007，11（10-12）

[3]聚氨酯弹性体手册[M].北京：化学工业出版社，2001

[3]洪啸吟.涂料化学[M].北京：科学出版社，2000