喷涂聚脲弹性体在防水工程中的应用

喷涂聚脲弹性体在防水工程中的应用

                                 王宝柱  刘培礼  胡松霞

（青岛佳联化工新材料有限公司，山东 青岛  266100）

 

摘  要　着重从喷涂聚脲体系性能特点、体系的选择、施工质量的控制、在防水工程中的应用等方面进

行了详细的论述。

关键词：聚脲；防水；施工；应用

 

前言

聚脲弹性体是由异氰酸酯与氨基聚醚及氨基扩链剂反应生成的一种具有脲基重复结构单元的聚合物。在国外，喷涂聚脲材料被称为可常温施工的液体防水卷材。该材料100%固含量、固化速度快、对温度/湿度不敏感、物理强度高等特点。因此自1985年诞生以来，在防水领域获得了巨大的商业应用^[1-3]。20世纪末我国也开始将该产品应用于各类地坪、建筑防水、地铁车站防水等工程中。

一、.喷涂聚脲材料应用于防水工程的优点

喷涂聚脲材料是国外近10年来继高固体份涂料、水性涂料、辐射固化涂料、粉末涂料等低（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。

喷涂聚脲材料被国外称之为液体防水卷材。与传统的防水材料相比具有以下优点：

1）100%固含量，无挥发性有机物，符合环保要求；

2）不含催化剂，快速固化，可在曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，对于凹凸、拐角、边角具有很强的保持性；

3）快速却可控的固化速度保证了工程能够快速的重新投入使用；

4）对水气、湿气不敏感，施工不受环境湿度、温度的影响；

5）可进行喷涂或浇注，一次施工的厚度可从数百微米到数厘米，克服了以往多次施工的诸多不便，缩短了施工周期；

6）优异的物理性能，如抗拉强度、撕裂强度、延伸率、耐磨性、耐刺穿、耐磕破、防湿滑等。高伸长率使其具有很强的裂缝弥合能力，对混凝土开裂的防护性非常优异；

7）优异的防腐性能，可耐大部分腐蚀介质，酸、碱、盐、海水、氯离子等的长期浸泡；

8）整体无缝、组织致密、坚韧，可用于迎水面防水，亦可应用于背水面防水；

9）对各种底材附着力高且持久，不会因为冷热交替出现脱落现象。

美国PDA协会曾做过一个调查，喷涂聚脲材料中的60%应用于混凝土保护，5%应用于屋面防水工程中。而混凝土保护工程中大部分应用是混凝土防水，包括高速公路防水、隧道防水、建筑防水、储水池应用等，也包括一些含有腐蚀介质的混凝土底材的防水应用，如废水处理池等^[4]。

由于聚脲具有优异的弹性，因此非常适合于作为底材如混凝土的防护材料。因为混凝土材料容易脆裂，而聚脲具有非常好的裂缝延伸性。曾经一个实验对其延伸性做了检测。将涂有SPUA材料的砼样品从1.8米高处自由落下，砼自身被震裂，但SPUA材料毫无损伤，并将砼的碎块牢牢地聚集在一起。由于SPUA材料自身优异的柔韧性和力学强度，即使在混凝土开裂的情况下，聚脲材料不但自身不会断裂，而且还能将混凝土材料紧紧“抓住”，起到防水和保护作用。

二、喷涂聚脲体系的选择

聚脲是由异氰酸酯组分（简称A组分）与氨基化合物组分（简称R组分）反应生成的一种弹性体物质。异氰酸酯既可以是芳香族的也可以是脂肪族的。其中的A组分可以是单体、聚合物、异氰酸酯的衍生物、预聚物和半预聚物。预聚物和半预聚物是由端氨基或者端羟基化合物与异氰酸酯反应制得。其中的R组分必须是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，在端氨基树脂中，不得含有任何羟基组分和催化剂，但可以含有便于颜料分散的助剂。

选择喷涂聚脲首先要考虑是采用脂肪族聚脲体系还是芳香族聚脲体系，因为这两种体系的耐老化性能有很大的差别。芳香族体系的聚脲具有非常优异的物理机械性能，较高的性/价比，但芳香族二异氰酸酯特别是二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）容易受到紫外线照射而变色、降解。脂肪族聚脲的成本相对昂贵，但它们的耐紫外线性能和颜色稳定性是非常优异的。芳香族聚脲颜色泛黄归结于两个原因^[5]：一是在波长约340纳米的范围内，刺激芳香发色团生成Photo-Fries反应产物，如初级芳族胺。另一种是在波长为330～400纳米的范围内，进一步将初始的Photo-Fries反应产物进行感光氧化作用生成含有过氧化氢的苯醌二酰亚胺新型物质（如图1）。因此，芳香族聚脲在曝露场合下应用时，随着时间的延长，会出现不同程度的黄变、粉化、力学强度降低等现象。这种现象对于薄的聚脲涂层更为明显，这是由于涂层厚度减薄后，其表面对体积的比例增加，紫外线照射可深入涂层内部，从而使聚脲的老化扩展到整个涂层，因此力学强度降低明显。添加合适的紫外光稳定剂可以适当延长芳香族聚脲涂层的使用寿命。但若应用于曝露场合，一定要喷涂脂肪族聚氨酯或聚脲面漆，并且面漆应该是弹性的，否则会因底、面的膨胀系数不匹配而造成面漆开裂、龟裂等不良后果。

                (单醌-亚胺)                                 (双醌-亚胺)

图1　芳香族聚脲的发色机理

 

其次要考虑刚性和弹性配方的选择。一般说刚性材料硬度高，内部化学交联密度高，使得材料具有较好的耐化学腐蚀和耐水性渗透率，且对基材的粘结力比较好。因此刚性的聚脲弹性体使用于金属结构的重防腐，如金属管道内衬、化工储罐的内衬等存在化学介质的场合。弹性的聚脲以线性分子结构为主，交联密度低，但产品的弹性和柔韧性较好，具有较高的延伸率和耐冲击性，非常适合混凝土结构的防护工程中。若是在腐蚀强度不是太高的条件下，如海水，也可应用弹性体系作为金属表面防腐。

在防水工程中，聚脲应用于长期浸泡条件，水蒸汽透过率及湿态附着力是十分重要的技术指标。众所周知，电化学腐蚀发生的基本条件是水、氧和离子的存在，如果降低了水蒸汽透过率，也相应降低了底材的腐蚀速度。在浸润条件下，国外一般按ASTM E96进行测试，要求潮气透过率值低于0.02 perms^[6]。另外一个重要技术指标是湿态附着力，涂层的防腐蚀功效是在湿态下(产生电化腐蚀)发挥作用。因此，干态附着力并不能保证涂层的耐腐蚀性，涂层浸渍在溶液或在水中浸泡，与大气中的状态完全不同。所有的涂层都是半透膜，其湿态附着力与干态附着力有很大区别，在水渗透入底层后若涂层仍保持好的附着力，则不会发生起泡、脱落等涂层破坏现象；涂层被机械外力破坏后，腐蚀也不会很快蔓延。

三、喷涂聚脲施工质量控制

1、底材处理

聚脲产品有着非常快的反应速度和固化速度，因此表面处理对于能否成功应用聚脲具有很大的影响。据不完全统计，聚脲工程的失败大约80%与底材表面处理不当有关。

（1）金属底材的处理

对于金属底材，喷涂前表面处理的方法很多，如酸洗磷化、机械打磨、喷砂抛丸等。而喷砂迄今为止仍是最佳的选择。原因有二：其一，喷砂后钢材表面清洁度有保证（≥Sa2.5）；其二，喷砂后表面粗糙度有保证（Rz 40-75µm）。而且涂装前底材具有一定的表面粗糙度不仅可大幅度增加聚脲与底材接触的表面积，还为附着提供了合适的表面几何形状，有利于聚脲与底材之间的粘接和涂层厚度分布的均匀一致；刚喷砂后的钢材，表面能增大，处于活化态，3小时之内喷涂配套底漆，是涂料分子与金属表面极性基团之间相互吸引与粘接的最佳时期。涂装前表面处理除了喷砂除锈外，还应包括喷砂前除油和除去可溶性盐等污染物。而一般施工者认为喷砂可以把它们清除，但实际上喷砂只是把大部分的污染物深深嵌入钢材的表面，形成更加隐蔽、危险性更大的污染。

（2）混凝土底材的处理

混凝土底材的情况十分复杂，是最难施工的底材之一，它多孔、透气、透水并且表面强度低。这种多孔性会使很多污染物渗透进来，如果这些污染物没有清理掉，就会对聚脲工程造成极大的破坏。表面强度低，呈现出一个脆弱的粘合界面。这些问题会潜在地造成聚脲体系与底材分层或起泡。所以，混凝土上层的浮浆以及混凝土上的污染物必须要清理掉，混凝土表面的凹陷一定要预先填平。处理的主要目的是除去表面浮尘和杂物以利封闭底漆渗透。

混凝土基材的处理，首先要抛丸或打磨，增加粗糙度，保证附着力。然后修补表面的孔洞和裂缝。最后清除灰尘，施工一道封闭底漆。混凝土基材要采用表干慢、渗透时间长的底漆，让其充分渗进底材、反应固化后锚固底材。底漆渗得越多，工程质量越有保障。另一个对混凝土非常重要的要考虑的是，潮气透过混凝土的散发以及渗透压，这会潜在地造成所用涂层的分层和起泡。

有许多的标准可以用来检测混凝土表面的处理情况。一个比较常用的标准是：SSPC-SP13“混凝土表面处理”。该标准引用了混凝土表面处理方面的其他的标准和检测方法。一些主要的标准和检测方法如表2所示。

 

表2 常用混凝土标准和检测方法

 

2、喷涂设备及喷枪

聚脲体系是由两个化学活性极高的组分组成，混合后快速反应造成粘度迅速增大，如果没有适当的输送、计量、雾化和清洗设备，这一反应将是无法控制的，所以喷涂聚脲工艺需要有专业的喷涂，这一点完全不同于以往的普通涂料施工。喷涂设备是喷涂聚脲技术的的基础，也是喷涂技术推广应用的难点。对喷涂设备的基本要求是1）能够产生高压；2）能够对原料预热；3）设备的供料能力要大于喷枪的输出量。实际喷涂的配置对材料的物理性能产生重要影响。表3、4为聚脲的物理性能与工作压力和工作温度的关系^[7]。

 

表3 物理性能与工作压力的关系（工作温度均为71℃）

 

表4 物理性能与工作温度的关系（工作压力均为2000psi）

3、原料的搅拌及预热

喷涂聚脲体系的R组分通常是加入颜料的。加入颜料的主要作用是用来增加聚脲产品的装饰性、耐紫外线性能、物理性能等。但是由于颜料的密度、界面状态与纯树脂均存在差异，经过一段时间后都有沉积到底部的趋势。即使加工时使用高剪切分散技术，仍难避免这种情况。在喷涂之前，没有搅拌原料，颜料将沉积。而喷涂设备仍然按1:1的体积比进行计量。毋庸质疑，在输送高颜料部分时将有一部分反应性的树脂被颜料所取代，出现比例失调。这将带来一系列的问题：发泡、鼓泡、雾化效果差、涂层颜色不均匀、涂层物理性能差等。

4、喷涂环境的控制

大量文献介绍喷涂聚脲弹性体施工时不受施工温度、湿度的影响，这是相当片面的。相对于聚氨酯类的涂料，由于胺基聚醚与异氰酸酯反应速度很快，体系中不存在催化剂，因此聚脲受施工温度、湿度的影响较小，但并不代表温度、湿度不对其产生负面影响。

（1）温度对聚脲性能的影响

化学反应速度及反应程度受温度的影响很大，一般化学反应，当温度每升高10℃时，反应速度大约增大2～4倍，聚脲也不例外。同时，聚脲反应过程是一个玻璃化温度逐步升高的过程，当其玻璃化温度接近固化温度（通常是室温）时，链段被冻结，反应速度变得异常缓慢，甚至停止。因此，低温固化聚脲的物理强度通常较高温固化的低10～20%。

（2）湿度对聚脲性能的影响

如果湿度很大（如大于90%），底材表面会形成一层薄薄的水膜，这可能对聚脲本身的物理性能不会产生太大的影响，但对附着力会产生致命的影响。湿度很大时，喷涂聚脲弹性体容易形成微泡。聚氨酯或聚脲涂层发泡存在两种机理1）异氰酸酯与水反应，生成CO₂，这属于化学发泡；2）水分在喷涂过程中被裹进涂层中，而聚氨酯或聚脲的化学反应是一个放热反应，水遇热汽化、膨胀，这属于物理发泡。由于胺基聚醚或胺基扩链剂反应速度很快，一般不会产生化学发泡，但物理发泡是难以避免的。在高湿度下施工的聚脲涂层较干燥状态下施工的涂层密度下降10%左右，物理强度下降20%左右。

（3）聚脲的后固化对其性能的影响

喷涂聚脲是一种瞬间反应、快速固化的新涂层体系，但这并不代表聚脲喷涂完毕后就达到较好的力学强度。原因之一，由于聚脲反应速度很快并释放出大量的热，导致涂层在交联初期产生较大的内应力，而内应力的释放通常需要一定时间，因此材料的物理性能不会很快达到最高值。原因之二，从化学原理上来讲，聚脲反应是逐步加成反应，这不同于自由基聚合，分子量是逐步增长的，只有分子量达到一定数值，才能宏观表现出一定的力学强度。这与实际喷涂状况是完全一致的：聚脲在最初的几个小时内呈现的是一种乳酪状状态，没有什么强度。因此，聚脲施工完毕后至少要在24小时到48小时甚至更长的时间之后才能投入使用，否则很容易造成前期损坏。图2为聚脲产品的强度随时间的变化曲线^[8]。

图2 聚脲产品的强度随时间的变化曲线

 

（4）聚脲的收缩率

聚脲产品是一种热固性材料，所有的热固性材料在固化时都有收缩现象。热收缩率与所选择的聚脲配方体系和操作条件是有直接关系的。大多数工业应用的聚脲体系的收缩率都在0.5%左右，而配方设计不当的聚脲体系收缩率高达5%，这对于实际应用是完全不可接受的。聚脲的收缩大多出现在最初的24小时内，然而有些在72小时后也有进一步的收缩，这主要取决于工艺和施工设备。一般固化速度在3～10秒的聚脲体系，具有较高的拉伸强度和较低的伸长率（100～300%），并且具有较高的收缩率。而凝胶速度在15～45秒的喷涂体系中收缩率相对较低，且其伸长率都大于400%。聚脲的线性收缩率也受施工条件的影响。快速固化聚脲体系在施工过程中需要加热，如果施工过程中不加热，或者加热温度达不到要求，虽然它能够固化，但是会导致产品具有比较大的收缩率。在许多情况下，收缩产生的力量可能大于聚脲产品初始的拉伸强度，并且在纤维底材上的产品会发生断裂。

（5）聚脲涂层的厚度

首先，聚脲不是一个薄涂层施工技术，由于100%固含量，粘度低，所采用的树脂分子量较小，成膜能力差，喷涂必须达到一定的厚度才能形成连续的涂膜，从实践经验来看，聚脲涂层总体厚度不能低于0.8mm。同时，每道聚脲施工的厚度也不要太薄，聚脲反应是放热反应，涂层需要集中放热来加强固化，这样才能达到很好的力学强度。对于防水工程来说我们一般推荐喷涂厚度为1~2 mm比较适宜，这样既节约了成本又达到了很好的防水效果。

四、喷涂聚脲材料在防水工程中的应用

1、高速公路和隧道防水

目前，隧道防水的方法之一是在混凝土沉管外施工一道柔性防水层。喷涂聚脲比传统的防水涂料及橡胶卷材（高 分子片材）更适合在隧道等高难度工程中应用，为新建隧道提供了一种方便可靠的防水技术。

京津高速铁路就采用了聚脲作为防水材料。与传统的铁路不同，高铁采用无渣轨道，要求防水层不仅具有防渗、抗裂的基本性能，还要能经常经受高速、重载、交变冲击等火车告诉行使带来的冲击。喷涂聚脲层因没有接缝、粘结能力强，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外线及耐高低温性能，满足了高铁的特殊要求。此外，喷涂聚脲技术对表面凹凸、拐角等不规则断面有很好的适应性，是不规则断面较多的无渣轨道防水处理的良好选择。该工程是当时全球最大的聚脲防水工程，聚脲材料的防护面积达到95万平方米，聚脲用量超过2000吨。

著名的美国波士顿地铁隧道和中国香港地铁隧道，均使用了聚脲作为防 水层。美国北卡罗来纳州的高速公路隧道是聚脲防水工程的又—成功实例。该隧道墙面为修筑在岩石上的混凝土，由于存在渗漏问题，导致基础结构逐渐老化、电气 泄露、容易短路以及长时间的腐蚀，甚至会导致岩石滑塌的危险。通过广泛的调研，决定使用聚脲对隧道进行修复，这主要基于聚脲具有耐腐蚀、耐老化、附着力、 好可低温施工等优点。施工后的聚脲弹性好，混凝土接缝处不易渗漏。

2、建筑防水

目前，市场上高档防水涂料以聚氨酯和水性丙烯酸为主。水性丙烯酸涂料耐候性好，缺点是低温和高湿的条件下不能施工，透气性高、不能封闭水汽。聚氨酯防水涂料色彩艳丽，防水性能好，但施工时受湿度的影响易发泡，立面易流淌，而且易褪色，耐老化性能欠佳，施工进度较慢。

喷涂聚脲则不同，因为其自身柔韧性好、耐老化、强度高，即使在混凝土开裂的情况下，不但自身不会断裂，而且还能将混凝土紧紧抓住，起到防水和保护作用，特别适用于高档建筑的屋面防水处理。由于采用专用设备喷涂成膜工艺，聚脲防水结构整体性好、无接缝，避免了卷材接缝可能造成的渗漏，施工效率极高。如毛主席纪念堂就采用了聚脲/聚氨酯复合防水保温工艺。近年来美国在高档大型公共建筑外墙结构中采用了EPS保温、聚脲防水和表面装饰一体复合体系，使外墙立面造型千变万化，绚丽多彩。

3、水池防水

喷涂聚脲材料施工速度快、维修时间短，作为防水衬里具有柔韧性好、不开裂等优点且对水下生物无毒害作用。著名的迈阿密水族馆、辛辛那提水族馆、国家大剧院景观水池等都采用了聚脲作为水池衬里材料。应用证明，聚脲防水材料具有优异的防湿滑性能，管理人员可在水池底清理污物而不担心摔倒。此外，聚脲体系耐化学性能较好，可很好的耐受除藻剂多次擦洗后不腐蚀。此外聚脲弹性体还可应用于污水处理池、二级围堰防腐、化工地沟、排水沟、地面防渗层中，兼具防水和防腐的作用。Chrysler’s Belvedere，IL工厂的一个面积约为810平方米的污水处理池使用了喷涂聚脲材料，该污水池从1993年12月施工完毕至今仍然完好无损。

4、水工工程应用

中国水科院在尼尔基水利枢纽电站水轮机蜗壳的侧墙混凝土进行了大面积的喷涂聚脲混凝土的施工。该材料对于混凝土的防渗和抗冲磨的起到了很好的保护。

江苏省新洋港闸钢闸门的防腐。该闸门原防腐蚀设计标准为：一级喷砂除锈，喷涂150um厚Ac铝，面涂氯化橡胶厚150um。在该闸除险加固过程中，闸门防腐涂层系统出现了大面积鼓泡破坏现象，被迫中断施工。对于涂层病害的处理，新洋钢闸除险加固工程建设处委托南京水利科学院做了涂层系统加速腐蚀试验，实验表明，在9个实验方案中，聚脲防腐弹性体防腐效果最好。该工程采用喷涂聚脲材料后完全达到了设计要求。

5、桥梁防护

    美国加利福尼亚州旧金山市的圣马特（San Mateo）混凝土大桥，横跨旧金山海湾， 原建于1929年，1999年进行拓宽大修工程，桥长8600米，选用聚脲做防护层，对柱子、梁和桥面板进行防护。该大桥总长8600米，防护总面积 29.7万平米，2003年5月完工。 美国华盛顿州PASCO水泥高架桥，建于20世纪30年代，经过几十年的使用，桥梁混凝土结构开裂、剥落、腐蚀严重，已属危桥。经过多方面考证，最后决定用聚脲涂层进行防护和补强，采用不停用的情况下分段修复，既大大减低了建桥费用，也减少了停用的损失。

美国肯塔基州在1995年～1997年间和采用聚脲对17座桥梁进行了修复。

美国宾法尼亚州在1998年～2001年间用聚脲共修复17座桥梁。美国俄亥俄州、马里兰州和弗吉尼亚也用聚脲对水泥高架桥进行了修复。

结论

    喷涂聚脲材料以其优异的物理性能、防水性能，良好的施工性能已得到了众多防水工程的认可，随着喷涂聚脲材料在京津高速、京沪高速防水中的应用，必将带动聚脲材料在防水工程中更广泛的运用。

参考文献：

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[2]黄微波, 杨宇润, 王宝柱，等. 喷涂聚脲弹性体技术.聚氨酯工业, 1999, 14(4):7~11.

[3]王宝柱, 黄微波, 杨宇润，等. 喷涂聚脲弹性体技术的应用.聚氨酯工业,2000,15(1):39~43.

[4]PDA 2002 Industry Report

[5]Hoyle C E, Kim J  Effect of Crystallinity and Flexibility on the Photodegradation of Polyurethanes.January of Polym Sci Part A:Polym Chem Ed，1987，25(10)：2631~2642.

[6]Aureliano P J., Calvin C. S. Performance enhancements of aromatic polyurea spray coatings by the use of conventional primer systems. Polyurea Development Association in New Orleans, Louisiana, U.S.A., November 29 –December 1rst, 2000.

[7]Robert M. L. The Influence of Processing Pressure Differential and Mixing Module Configuration on Volumetric Ratio and Physical Properties. 3rd Annual polyurea Development Association Conference, December 9~11, 2002.

[8]Primeaux II D.,J. J. P. Courier Equipment and Organization for Application of Polyurea Elastomer Systems Polyurea, The Future is Now, PDA 2nd Annual Meeting, Orlando, Florida, November, 2001, pp. 1~20.

 

spray polyurea elastomers in waterproofing application

 (Qingdao Jialian New Chemical Materials Co,Ltd  266100)

Abstract: The paper discussed the properties of polyurea, the choice of spray systems, the quality control of application and application in waterproofing etc.

 

Keywords: spray polyurea; waterproofing; construction; application