喷涂型端氨基聚醚弹性体技术应用展望
刘水平
(青岛核工实业公司，青岛266601)
1 抗冲磨材料及现状
水工泄水消能建筑物如大坝的溢洪道、泄洪洞、泄水孔、溢流坝、消力池等表面遭受高速水流和含沙水流冲磨和气蚀破坏的问题，多年来一直未能得到较好的解决，国家每年都要投入大量的人力和财力对这些关键部位进行修补处理。
随着我国水利水电建设的大力开发，西南地区一批高水头、大流量高坝的建设，对于泄水消能建筑物表面抗高速含沙水流冲磨和气蚀破坏的问题越来越受到人们的重视，这其中除了水工设计方面的技术研究以外，采用性能优异的抗冲耐磨材料至关重要[1,2]。
传统的水工泄水消能建筑物表面的抗冲耐磨材料主要有：高强混凝土、钢板衬砌和贴附、纤维增强混凝土、环氧树脂砂浆和涂层、丙烯酸酯及其它类型乳液改性砂浆或混凝土、硅粉混凝土等，但是这些材料存在着各自的应用局限性[3]。
随着高强、高性能混凝土技术的发展，高强、高性能混凝土技术在水利工程中得到较多的应用，如二滩水电站水垫塘底板表面采用40cm厚的硅粉混凝土R28600、小浪底导流洞、排沙洞段及溢洪道采用了C70硅粉混凝土。
由于高强混凝土施工中容易产生裂缝及其它技术问题，影响到工程的使用效果，其抗冲磨防护能力依然未能达到理想的效果[4]。
为解决或减缓泄水消能建筑物的抗冲磨和气蚀破坏问题，目前主要从两个方面考虑：一方面继续研究高强度、高性能混凝土的应用技术；另一方面是采用新型有机高分子复合材料抗冲磨技术，利用特种高分子材料的高强度、高韧性特点来解决高速含沙水流的冲击磨损。
以往这方面的研究多是针对环氧树脂的改性，以改变其脆性、提高断裂韧性和抗冲耐磨性能。
西安交通大学材料科学与工程系研究了环氧树脂与聚氨酯互穿聚合物网络技术，使改性环氧树脂的抗冲磨和气蚀能力提高了10倍以上[5]，南京水利科学研究院采用呋喃树脂改性环氧亦提高了其抗冲磨性能[5]。
但是，由于环氧树脂分子量小，其固化物结构中存在大量的容易受紫外线氧化的C—O键，使得其抗老化能力很差；环氧树脂线胀系数较大，在环境气候和不断变化的荷载作用下容易发生龟裂、起翘和脱层，而且施工不方便，又有一定的污染性挥发物存在，所以工程的适用性差，未能在工程中得到大量的使用。
20世纪90年代，美国率先开发出喷涂聚脲弹性体技术，这种新型材料所具有的优异的抗磨蚀性能、耐老化性能、抗腐蚀及独特的施工性能为人们所关注，该技术已经在工民建、机械工业和民航机场跑道等方面得到了广泛应用。
国外称喷涂聚脲弹性体技术是喷涂工业技术的一次革新，其优异的物理力学性
能及适用性能将给多个行业带来全新的发展，创造巨大的社会和经济效益。
结合国电公司的重点研究项目“高速水流下新型抗冲磨材料的开发研究”，作者对聚脲弹性体喷涂技术的国内外研究状况进行了调研，并结合水工建筑物的特点积极开展喷涂聚脲弹性体抗冲磨技术的应用研究工作，希望能为水利水电工程泄水建筑物表面的抗冲磨和气蚀保护层提供一条新的有效的解决途径。
2 喷涂聚脲弹性体技术[7～10]
2.1 喷涂聚脲弹性体技术及其性能特点喷涂聚脲弹性体技术(Spraying Polyurea，SPUA）是美国Texaco化学公司于1991年开发的，它是在聚氨酯反应注射成型（RIM）技术的基础上发展起来的，结合了聚脲树脂的反应特性和RIM技术的快速混合、快速成型的特点，可以进行施工现场各类大面积形状复杂的表面涂层处理。
采用这种工艺技术，基于聚脲树脂的反应特点，通过调整反应体系中材料的配比得到不同性能和不同固化时间涂层，不同柔性、韧性到硬度较大的各类耐冲击磨损涂层，其固化时间可以调节，从几秒到很长时间。
SPUA喷涂的聚脲弹性体涂层的主要性能特点如下：（1）不含催化剂，可以实现所需要的快速固化时间；可在任意曲面、斜面及垂直面上喷涂成型，不产生流挂现象，可在5s左右达到凝胶（一般在30～50s左右)，1min即可达到步行强度，对水分和湿气不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响，可以在潮湿环境和界面上固化而不影响其性能，在0℃左右施工不影响其施用性。
(2)100％的高固含量，无任何溶剂和影响强度的助剂，无污染，对环境影响小，是真正的不含有机挥发物（Volatile Organic Conten）的绿色产品。
（3）具有非常优异的柔韧性、耐磨性、高黏接性能及本体拉伸强度等物理力学性能。
对钢材、铝、混凝土、沥青等底材有着非常良好的黏接强度，自身的耐老化性能也十分突出。
（4）优良的耐高、低温性能，在-25℃～150℃温度范围内能具有良好的热稳定性能，可以长期使用。
（5）可以根据配方调节，得到从软橡胶（邵A 硬度30）到硬质弹性体（邵D硬度65）的不同性能的材料。
（6）可以加入各种颜料制成不同颜色制品；可掺入其它填料如短玻璃丝纤维等对材料进行增强。
（7）采用专用施工设备，施工效率高。
2.2 聚脲弹性体材料的物理力学性能这种喷涂聚脲弹性体材料有着非常优越的物理力学性能，分别见表1、表2和表3所示。
其中用UVB-313灯进行抗紫外线连续耐老化试验，试验温度为50℃，试验时间为3871h。
表1 聚脲弹性体的综合物理力学性能
表2聚脲弹性体的低温物理力学
性能(-20℃)
表3聚脲弹性体涂层的耐老化性能
物理力学性能性能指标拉伸强度/MPa>10
撕裂强度
/(kN·m-1)
43.9～105.4伸长率(%)100～500
物理力学性
能
老化前性能指标拉伸强度
/MPa
13.513.5撕裂强度
/(kN·m-1)
76.484.4伸长率(%)137110
2.3 喷涂机具专用设备在水利部“948”项目的资助下，中国水利水电科学研究院结构材料研究所从美国购买了PUA专用喷涂机具，其主要性能特点如下：(1)主机。
主要功能为按一定配比供料，对材料加热保温(可从室温加热到77℃)，加压(高达20～30MPa)输出等。
空机重量175kg(机器工作时重333kg)；外型尺寸119cm×102cm×56cm；电源为45A、三相220Vk、50Hz；气源压力0.70～0.85MPa；物料输出量2～18kg/min；外接输出管线长度为
3.0～9
4.4m。
(2)喷枪系统。
Gusmer公司设计制作，它有一个尺寸很小的混合室，可以借助主机的高压，实施高温、高压、对撞式冲击混合，从而达到A、B两组分物料均匀混合后再喷射出去。
它的重量为1.5kg；外型尺寸为23cm×24cm×11cm；气源压力0.70～0.85MPa；物料输出量2～18kg/min。
3 应用研究现状及其在水利水电工程中的应用展望[11,12]
由于SPUA优异的物理力学性能，耐老化性，快速、方便的施用性能，在国外已经在防渗、防水、防腐和抗磨涂层等方面得到非常广泛的应用。
我国于20世纪末在引进国外技术的基础上进行了相关的研究和应用，已经应用于各类地坪、船体涂层、建筑防渗涂层等，并开始在机场跑道和矿山耐磨设备等方面的应用，但水利水电工程中尚未见应用研究报道。
海洋化工研究院在钢板上喷涂PUA涂层后进行了在15m/s流速的实海中实验，结果显示出了PUA涂层有非常好的抗水流冲磨和空蚀能力，而平行进行的普通钢板的冲磨和空蚀破坏则较严重，图3所示为涂层PUA和未加涂层的钢板在实验前后的对比情况。
未涂PUA的钢板冲磨试验前后情况(各两块)涂有PUA涂层的钢板冲磨试验前后情况(各两块)
图3 钢板抗海水冲磨试验前后照片
通过对聚脲喷涂弹性体技术的研究和应用，人们发现在拥有好的配方基础上，用好SPUA技术关键在于要解决好两个方面的问题：基底界面的底涂处理和喷涂机具操作工艺的掌握。
在水利水电混凝土工程中，由于多数混凝土工程的特点是混凝土表面不同程度的处于潮湿或有水状态，而喷涂聚脲涂层必须要在绝对干燥的界面上才有很好的粘结力，因此解决好潮湿界面的底涂是水利水电工程中应用的关键所在，为此，作者正在积极开展针对配套的SPUA潮湿界面的底涂材料的研究，预计很快可以在工程上得到应用。