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喷涂聚脲防水涂料的技术及其应用现状

    1聚脲防水材料介绍
    聚脲涂料(polyureacoatings)技术是国外近20年来,为适应环保要求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术,其主要特点如下:
    (1)涂料不含催化剂,快速固化,可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型,无流挂现象,5s凝胶,1min即可达到步行强度。
    (2)涂料对水分、湿气不敏感,施工时不受环境温度、湿度的影响。
    (3)涂料100%固含量,不含任何挥发性有机物(VOC),对环境友好。
    (4)具有优异的理化性能,如抗拉强度、伸长率、柔韧性、耐磨性、耐老化、防腐蚀等。
    (5)具有良好的热稳定性,可在120℃下长期使用,可承受150℃的短时热作用。
    在早期,喷涂聚氨酯弹性体没有很好解决体系的发泡问题,在室外应用中经常出现一些缺陷。20世纪80年代中期,美国Texaco公司在世界上率先开发出喷涂聚脲弹性体材料。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,并相继投入商业应用;欧洲地区2000年开始也逐渐接受该技术并推广应用。1995年,青岛海洋化工研究院黄微波等人在国内率先开展SPUA技术的研究与开发,获得了很好的商业应用业绩,所研发的系列产品应用涉及防腐、防水、防滑、装饰、布景、道具、耐磨、耐酸、耐碱、耐老化、抗冲击等众多领域,并陆续发表了大量论文和申请了发明专利。2000年起,江苏化工研究所郁维铭等人开始SPUA的探索,应用领域涉及隧道防水、水闸防腐;湖南湘江涂料集团有限公司廖有为等人开展了SPUA技术在皮卡车耐磨衬里方面的研究与应用;烟台华特聚氨酯公司李洪剑等人开展了喷涂刚性SPU技术管道防腐应用。与此同时,美国SPI公司和联合涂料、德国巴斯夫、韩国一山聚氨酯公司等企业也陆续将它们的产品销往中国市场,自此,聚脲技术在我国蓬勃发展起来。据2002年美国聚脲发展协会的初步统计,全球纯聚脲材料的产量为1.13万t,销售额为7500万美元。其中北美地区占85%,亚太地区占10%,欧洲占4%,其它国家和地区占1%。聚脲在我国发展也非常快,产量从2000年的100t,迅速增长到2007年的6000t左右。
    2聚脲涂料体系的发展阶段与国内外现状
    聚脲涂料体系的发展经历了以下5个阶段:第一阶段:纯聚氨酯;第二阶段:聚氨酯-聚脲;第三阶段:纯聚脲/芳香族;第四阶段:脂肪族/聚天冬氨酸防腐装饰体系;第五阶段:各种改性高性能防腐防水体系。前三个阶段比较容易混淆,因此将其特点作一对比,列于表1。
    表1聚氨酯、聚氨酯/聚脲、纯聚脲体系比较
    为了更好地推动聚脲技术在世界各地的蓬勃发展,及时交流信息、开发市场,实现资源共享,2000年美国成立了“聚脲发展协会”。协会的宗旨是:发展新的营销策略,促进聚脲及PDA的成长;为会员构建一个讨论聚脲问题的专门场所;为聚脲产品建立相关的标准;明确聚脲的定义;每年定期召开讨论会(目前已召开9届年会并出版了论文集);定期举办聚脲操作培训课程。欧洲聚脲发展协会于2007年末成立并召开了首届年会,这标志着聚脲技术正式向全世界大规模发展。2005年7月25~27日,在烟台万华北京研究院举行了“首届中国聚脲弹性体应用论坛”。中美两国的聚脲专家做了精彩演讲及演示活动,交流了聚脲弹性体应用技术,大大推动了该技术在我国的发展。由于价格及化学合成工艺不同,市场上出现许多不同配方的喷涂聚氨酯(脲)。在喷涂聚氨酯(脲)弹性体配方设计中,排除水分对材料力学性能的影响是最为关键的考虑因素。为了使体系中A组分与R组分的混合更加充分、完善,两者的粘度应尽量接近。由于纯聚脲部分原料价格昂贵,使得纯聚脲技术难以在短期内大规模普及。在一些用户要求不高、环境比较干燥的场合,喷涂聚氨酯或者聚氨酯(脲)弹性体也是一种较为经济实用的办法。但是,杂合体系统对施工人员的操作水平及现场技术质量保证体系提出了更高的要求,因此,美国PDA至今未把杂合体列入聚脲定义范围内。聚脲行业国内与国外产品档次差距较大,主要与我们国家的产品价位、市场接受能力、经济消费水平较低有关。北美地区经济发达,用的基本是纯聚脲,性能方面都能保证。而在我国,为降低材料成本,一般都用杂合体,特别是在户外/野外现场施工时可能更复杂。杂合体中如果掺入了聚氨酯,就会出现发泡、起皮现象,影响聚脲的施工质量和应用效果。特别是有些设计人员及现场施工操作人员并未真正理解杂合体体系的特点,忽视杂合体配方体系现场施工需要更高的技术要求这一特点,造成涂层质量未能达到设计要求,严重影响了聚脲的应用效果,也为聚脲涂料的进一步发展及应用带来了负面影响。聚脲涂料技术经过20年的应用,目前在世界范围已基本成熟,成功案例比比皆是。但同时在应用过程中也出现了不少问题,造成返工现象,主要是由于材料性能选择、项目/体系设计、现场施工及质量保证体系过程等方面的不完善造成的。喷涂聚脲涂料技术的特点和优点十分明显,但在实际应用时,底材及底漆是关键。当用于混凝土表面时,就特别需要注意基面的处理;基面处理的好坏,直接影响到施工质量。聚脲的固化速度极快,通常在尚未充分浸润混凝土表面时就已经固化,影响了涂层与混凝土的粘结力;聚脲固化时的发热量很大,混凝土表面毛细孔里含有的空气或水分受热后便会膨胀或蒸发,造成涂层表面出现针眼和气泡。因此,聚脲喷涂施工前混凝土基面一定要涂布底漆,以增加粘结力和封闭毛细孔洞。目前新近开发的专用底漆,系水乳化的聚氨酯体系,其特点是可在潮湿混凝土基面上直接涂布,渗透力强、固化快,底漆施工后3h即可喷涂聚脲;涂层与混凝土的粘结力大于5MPa;可有效解决喷涂聚脲在混凝土表面施工的基面处理问题。聚脲防水施工大多数在应用现场进行,而现场施工环境一般较为复杂,同时聚脲涂料反应速度较快,施工要求相对于普通油漆喷涂难度更大。国内目前还没有专门的培训机构,合格的施工技术人员比较短缺。应该说,聚脲施工行业的门槛较高,即使是聚脲理论知识丰富的人,如果在施工技术(如:项目管理、材料选择、底材处理、设备操作等)方面没有3年以上时间的锻炼,操作时是很难达到设计质量要__求的。
    3聚脲防水涂料标准及相关技术规程的制定
    2008年9月,具有里程碑意义的中国《喷涂聚脲防水涂料》国家标准历经4次工作会议,经过来自全国32个单位、38名代表以及12名标准审查专家的热烈讨论和认真审查,形成了我国(也是世界上)第一部聚脲防水涂料标准的报批稿。标准规定了喷涂聚脲防水涂料的术语和定义、分类和标记、一般要求、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输与贮存。标准将适用于建设工程、基础设施防水用喷涂聚脲涂料。该标准在对聚脲科学定义的同时,结合我国国情,将聚氨酯(脲)(又称半聚脲)也纳入标准控制范围。但该标准没有对“半聚脲”的设计使用及应用范围(特别是户外/野外施工)作出限制,因此设计单位、总包商以及业主出于价格方面的考虑,可能将更多地设计、采用半聚脲体系,这就对施工提出了更高的要求,特别是在底材处理、现场喷涂操作、质量保证体系等方面。
2008年8月1日,《喷涂聚脲防水技术规程》标准编制组成立,来自全国21家单位的代表参加了第一次工作会议,就工程设计、喷涂设备、施工、工程质量及验收,以及施工安全和环境保护方面做了初步探讨,确定了编制大纲、任务分工及编制进度。该规程预计于2009年形成最终报批稿。《喷涂聚脲防水技术规程》将有助于科学地评判现场操作人员的技术水平,指导喷涂聚脲防水工程的设计,规范现场施工程序,完善现场检测方法与技术。
    4喷涂聚脲设备
    20世纪80年代中期,Gusmer公司(即现今的Huntsman公司)为配合Texaco开发聚脲技术,对其原有的聚氨酯RIM设备进行了相应的设计改进,在继承其计量、混合原理的基础上,推出了第1代喷涂设备组合——H-2000主机和GX7-100喷枪。由于该设备混合压力偏低,结果并没有使聚脲技术实现产业化,但却在聚氨酯泡沫领域取得了大量应用。随着对聚脲技术的深入研究和开发,该公司又于90年代中期,推出了其第2代喷涂设备组合——H-3500主机和GX7-400喷枪;2000年又推出了性能更加卓越的H-20/35主机和GX7DI喷枪。2002年,Glas-Graft公司推出专门用于聚脲喷涂的设备组合:MXⅡ主机和LS喷枪;2003年,Graco公司推出了极具竞争力的ReactorE-XP2主机和FUSION喷枪,减轻了聚脲行业施工人员的操作强度,使聚脲技术进入快速发展阶段。Reactor主机摒弃了Gusmer公司H系列主机采用液压驱动的设计理念,选用电机驱动作为动力源,通过对电机和控制元器件的有机组合,实现对开、关枪操作的瞬间控制,不再需要上百公斤的液压油,大大减少了设备体积和质量,整机质量180kg,仅为H-20/35主机的一半,极大地方便了运输和现场施工。该主机配备有新颖的数据下载装置,能够对喷涂过程中A料、B料和管道的温度、压力进行实时监控和记录,有利于施工结束后的数据分析和查找事故原因。Reactor主机控制面板可根据用户的需要,加装长度可达91m的延长线,实现施工人员对设备参数的零距离控制,减少了以往施工设备在远距离操作时的联络不畅和控制失灵,极大地改善了现场监控能力,提高了工程质量。该主机还设计有方便的回流系统,在A料、B料出现压力不平衡时,能自动停机,防止将不合乎比例要求的原料喷涂到施工现场,保证了施工质量。操作时,旋转相应的阀门,即可使压力快速平衡,不必像以往的主机那样必须经过拆卸喷枪后才能调整压力,方便了施工人员的现场操作。Fusion喷枪有2种,即空气自清洁枪(air-purge,简称AP枪)和机械自清洁枪(mechanical-purge,简称MP枪),其最突出的特点是:混合室耐磨损、拆卸简单、零配件少、维护方便。AP枪的工作原理与Gusmer公司的GAP枪、Glas-Craft公司的Probler枪相同,但拆卸和维护过程非常简单、方便,不需要使用任何工具就可将枪头打开;短时间停机不需要洗枪,只要加注专用油脂即可;独特的金属混合室流动力学设计使得混合、雾化效果更好。MP枪的工作原理与Gusmer公司的GX7-400枪,GX-DI枪相同,除了具有AP枪的所有优点外,它的混合室采用聚碳酸酯材料,比采__用尼龙混合室的喷枪更加耐磨;同时,喷枪阀杆调整更加便捷、方便,型号简化,使用成本更低。自1987年第1代Graco-Gusmer聚脲喷涂设备问世以来,Graco-Gusmer为适应市场及原料的发展,不断更新并推出新型可靠的主机及喷枪;2007/2008年为满足聚脲涂料快速发展的需要,美国Graco公司在全球隆重发布第5代聚脲喷涂设备——ReactorH-XP3及FusionCS喷射自清洁喷枪。2007年12月,美国Graco公司成功收购美国Glas-Craft公司,二者于2008年10月正式合并,从而实现了喷涂设备领域3G(Graco/Gusmer/Glas-Craft)合一的局面。目前的设备操作培训,都是设备代理商在设备安装、调试时给最终客户进行1~2天的现场简单培训,包括设备连接、参数设定、开关程序以及基本的喷涂操作要领。由于客户方操作人员接受程度及代理商/原料商技术培训能力的局限,往往会出现最终客户在相当长一段时间内(如第1年内)都还不能独立、完整、正确地使用设备,完成高质量的喷涂聚脲工程,更多地依赖所购买设备或原料的代理商或生产商提供日常的设备使用技术支持。为了满足日益增长的聚脲市场的发展需要,2009年起,Graco公司将联合聚脲原料商/设备代理商定期举办第5代聚脲喷涂系统ReactorH-XP3/FUSIONCS系统操作认证培训课程,这将有助于提升中国喷涂设备操作人员的基本技能。目前大部分聚脲涂料的混合比例(体积比)是1:1,因此相关喷涂设备的首要作用是保证比例;由于A、B组分粘度不同,因此需要设定不同的主加热器温度,要能快速加热原料,并保持可以雾化的温度;又由于材料在数秒钟内就固化,最好采用直接对撞式混合喷枪,如:MP(机械自清洁)、AP(空气自清洁)以及全新的CS(喷射自清洁)。在确保两组分比例的前提下,喷涂聚脲涂层的物理性能技术指标将随着压力的增大而明显提高。不同的设备配置(气动、电动、液压主机计量系统)及喷枪(混合室及喷嘴组合),保证了现场施工的效率及涂层质量的稳定。同时,设备都具有比例误差过大报警装置以及数据下载功能,以保证合格的材料能达到材料商所设定的物理指标及涂层效果。比例误差超过10%~15%以上,喷涂材料的物理性能技术指标将大大降低。
    5聚脲在国内外大型基础设施工程中的应用
    聚脲材料的出现,打破了以往涂层保护领域环氧、丙烯酸、聚氨酯一统天下的局面,为工程界提供了一种非常先进、实用的技术。特别是它对高水分、高湿度环境的容忍度,深受户外施工者的称道,因此得以在国内外大型基础设施工程中广泛应用。近年来,国内不少重点基础设施工程选用了聚脲涂料:
    ●京津城际高速铁路作为我国第一条设计时速350km的客运专线,采用了大量的新技术、新工艺,包括聚脲材料的全线应用。防水处理面积超过100万m2,聚脲用量在2000t以上,用量之大,在铁路防水工程中首屈一指,在世界上也是着名的聚脲工程之一。
    ●国家大剧院景观水池防水工程全部采用聚脲涂料。
    ●部分奥运场馆看台及屋顶采用聚脲涂料,大大加快了施工进度,如:北京丰台垒球中心、曲棍球馆、奥林匹克中心、奥林匹克水上公园等奥运场馆的混凝土看台表面保护,累计达到10万m2。
    ●全运会场馆的聚脲防水施工正在进行中。其他成功案例:
    ●美国波士顿地铁隧道以及中国香港地铁隧道都成功采用纯聚脲作为防水材料,大大加快了施工进程并提高了质保年限。
    ●中国台湾的高铁路基也成功采用纯聚脲涂料,缩短工期,延长防水防腐涂层寿命。
    ●美国五角大楼停车场修复项目,采用纯聚脲涂料作为地面及屋顶防水材料。该涂层同时具有防冲击的防护作用。
    尽管国内聚脲行业发展目前还存在一些现场应用问题,但随着相关材料标准的制修订(化工行业标准的修订和防水国家标准的制定)、工程技术规范的编制与发布实施、施工技术的人员培训与认证以及将来中国聚脲行业协会的建立等,我们有理由相信,聚脲技术在中国将得到更为广泛、规范、快速健康的发展与应用。

  

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