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聚脲基础知识

发布时间：2009年4月21日 20时38分

1.1 聚脲涂料的化学原理
　　随着聚氨酯涂料及聚氨酯弹性体应用领域的不断扩大，传统的涂装工艺在实际应用中遇到不少困难，如一些建筑涂层，矿山机械的高耐磨涂层以及一些特殊场合，需要涂层厚度达几毫米甚至十几毫米，若采用手工刮涂，效率低而且外观差，遇到复杂结构更是难以施工。另外，由于人们对环保的日益重视，传统的溶剂型聚氨酯涂料的使用越来越受限制。正是在这种情况下，无溶剂喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术被开发成功。该工艺属快速反应喷涂体系，原料体系不含溶剂、固化速度快、工艺简单，可很方便地在立面、曲面上喷涂十几毫米厚的涂层而不流挂，因此可部分取代溶剂型聚氨酯涂料，在某些领域还可替代浇注弹性体工艺，是一种新型聚氨酯成型工艺。
　　14.1.1.1 聚氨酯弹性体知识简介
　　 聚脲涂料又叫喷涂聚脲弹性体，属于聚氨酯弹性体的一种，因此这里对聚氨酯弹性体作一个简单介绍。
　　 所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温，断裂伸长率＞50％，外力撒除后复原性比较好的高分子材料。
　　 聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料品种繁多，配方多种多样，可调范围大。聚氨酯弹性体硬度范围宽，低至邵A10以下的低模量橡胶，高至邵D85的高抗冲击弹性材料。所以聚氨酯弹性体的性能范围很宽，是介于从橡胶到塑料的一类高分子材料。
　　 聚氨酯化学结构的特性是其大分子主链中含有重复的氨基甲酸酯链段。聚氨酯大分子主链是由玻璃化温度低于室温的柔性链段（亦称软链段或软链）和玻璃化温度高于室温的刚性链段（亦称硬链段或硬段）嵌段而成的。低聚物多元醇（如聚醚、聚酯等）构成软链段，二异氰酸酯和小分子扩链剂（如二胺和二醇）构成硬链段。在聚氨酯弹性体分子结构中，软链段占的比例比较大，约50％～90％，硬链段约占10％～50％。由于硬链段的极性强，相互间引力大，硬链段和软链段在热力学上具有自发分离的倾向，即不相容性。所以硬链段容易聚集一起，形成许多微区，分布于软段相中。这种现象叫微相分离。微相分离是聚氨酯弹性体物理结构的特征。
　　14.1.1.2 喷涂聚氨酯（脲）体系的化学原理
　　 反应注射成型（Reaction Injection Molding, 简写为RIM）技术是在用聚氨酯硬脂泡沫塑料工艺制备家具等的基础上发展起来的。RIM是直接从低粘度的单体或齐聚物制造复杂制品的一种工艺技术。这些单体或齐聚物在注入模腔前瞬间碰撞混合，相互活化，在模腔中通过交联反应或相分离快速固化，形成固体聚合物制品。
　　喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术是在RIM技术的基础上发展起来的，正如聚氨酯(脲)RIM技术的发展经历了纯聚氨酯、聚氨酯（脲）到聚脲三个阶段一样，喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术也经历了三个阶段。见表14-1。
　　在聚氨酯体系中，为了提高反应活性，必须加入催化剂，聚脲体系则完全不同，它使用了端胺基聚醚和胺扩链剂作为活性氢组分，与异氰酸酯组分的反应活性极高，无须任何催化剂，即可在室温（甚至0℃以下）瞬间完成反应，从而有效地克服聚氨酯弹性体在施工过程中，因环境温度和湿度的影响而发泡，造成材料性能急剧下降的致命缺点。各反应的化学方程式如下：
　　聚氨酯反应： R-NCO + R′OH RHNCOOR′
　　聚脲反应： R-NCO + R′NH2 RNHCONHR′
　　异氰酸酯与水的反应：R-NCO + H2O RNHCOOH
　　 RNHCOOH RNH2 + CO2↑(气体)

　　 表14-1 喷涂聚氨酯(脲)弹性体技术的发展阶段
　　阶段 第一代 第二代 第三代
　　体系 聚氨酯 聚氨酯(脲) 聚脲
　　异氰酸酯组份 MDI基 MDI基 MDI基

　　活性氢组份 伯羟基多元醇、二醇扩链剂、催化剂 伯羟基多元醇、芳香族二胺扩链剂、催化剂 端氨基聚醚、二胺扩链剂

　　主要优/缺点 优 点：价廉
　　 缺点：对水敏感，极易发泡；力学性能差等 优点：价格适中
　　 缺点：发泡、力学性能一般 优点：对温度及湿度不敏感，力学性能好，耐老化性能突出
　　 缺点：成本高
　　14.1.1.3 聚氨酯、聚氨酯(脲) 、聚脲体系的划分
　　2002年美国成立的聚脲发展协会（简称PDA协会）对聚脲体系做了界定：凡聚醚树脂中胺或聚酰胺的组分含量达到80%或以上时，称为聚脲；凡聚醚树脂中多元醇含量达到80%或以上时，称为聚氨酯（有刚性和弹性两种）；凡在这个参数之间的涂料体系称为聚胺酯/聚脲混合体系。
　　14.1.1.4 聚脲体系的发展历程
　　喷涂聚氨酯弹性体早在20世纪60～70年代就已现雏形，主要用于喷砂室地面和大型钢管内衬。德国Beyer公司、美国Ujpjohn公司、Uniroyal公司等相继进行过开发研究。当时的工艺与现在有较大的不同，其异氰酸酯组分通常为液化MDI或粗MDI，羟基组分通常为聚醚或聚酯与扩链剂、催化剂的混合物，两组分的比例没有限制。使用双组分或三组分的低压柱塞泵或齿轮泵式的喷涂设备，采用静态或动态混合方式，原料贮罐需加热到100℃左右。由于设备复杂、造价高、混合效果不佳、工艺不稳定，一直未能得到重视。
　　80年代以后，随着RIM技术的发展、撞击混合式高压喷涂设备的出现，喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术开始发展。该技术最早在德国、美国开发，Bayer、BASF、Futura和Uniroyal等公司最早开发喷涂聚氨酯以及聚氨酯（脲）弹性体技术。
　　美国Texaco（现属Huntsman）公司Dudley J.PrimeauxⅡ率先研发成功喷涂聚脲弹性体技术，1989年首次发表研究论文。喷涂聚氨酯（脲）弹性体技术在90年代发展较快。1991年该技术在北美地区投入商业应用，立即显示出其优异的综合性能，受到用户欢迎；经过不断的总结和提高，目前，北美地区已基本淘汰聚氨酯体系，推广聚脲体系。开发喷涂聚氨酯（脲）体系的公司还有Huntsman、Enviro Chem、Speciality Products Inc、Signature Lining、Mobile Enterprise和Madison Chemical Industries Inc等。澳大利亚于1993年引进该技术，日本于1995年引进该技术，韩国于1997年引进该技术，并相继投入商业应用。
　　喷涂聚氨酯（脲）技术在国内开发历史虽不长，但由于其成型快速、适应性强、可喷涂厚涂层等优点，受到业界的重视，发展较快，在化工防腐、军事工程、农业、矿业等部门得到了应用。
　　在我国，青岛海洋化工研究院于1995年开发喷涂聚氨酯技术的前期探索应用，1997年从国外购进了最新的喷涂设备。湖南湘江涂料集团2000年从美国引进该技术，经过消化吸收，从2002年开始已在皮卡车厢耐磨、石油、石化防腐、建筑防水等领域大规模的推广应用。
　　1.2 聚脲涂料的特点
　　 聚脲涂料通常具有以下特点：
　　（1）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，不产生流挂现象，5秒钟凝胶，10分钟即可达到步行强度。
　　（2）对水分、湿气不敏感，施工时不受温度、湿度的影响。
　　（3）双组分，100％固含量，对环境友好，可以以1：1的体积比进行喷涂和浇注，一次施工达到厚度要求，克服了以往多层施工的弊病。
　　（4）优异的物理性能，如抗张强度、柔韧性、耐磨性等。
　　（5）具有良好的热稳定性，可在150℃下长期使用，可承受350℃的短时热冲击。
　　（6）可加入各种颜填料，制成不同颜色的制品。
　　（7）配方体系任意可调，手感从软橡皮（邵A30）到硬弹性体（邵D65）。
　　（8）可以引入短切玻璃纤维对材料进行增强。
　　（9）使用成套喷涂、浇注设备，施工方便，效率高。
　　（10）设备配有多种切换模式，既可喷涂，也可浇注。
　　 近年来，喷涂成型（或称喷射成型）也已成为弹性体一种重要成型方法。聚氨酯(脲)弹性体无溶剂喷涂成型主要是利用压力将聚氨酯（脲）原料由计量泵输送至喷枪，经过快速混合后，喷至物体表面进行成型。喷涂设备体积小，重量轻，易于搬运，操作灵活，施工方便，效率高，特别适用于大面积范围的施工以及容器管道的耐磨、防腐内衬保护层的施工。喷涂成型的弹性体无需预热和热硫化。
　　 无溶剂喷涂聚氨酯（脲）技术的原料体系一般具有以下基本条件。
　　（1） 无溶剂、双组分、室温或加热（70℃）为低粘度液体。
　　（2） 各组分粘度差异尽量小，一般不要超过300厘泊。
　　（3） 异氰酸酯组分一般为MDI预聚体。
　　（4） 各组分有良好相容性，反应组分混合体积比为1：1，一般不要超过3：1。
　　（5） 固化速度尽量快，但凝胶时间大于5s，以免撞击混合时凝胶，一般凝胶时间在60s以内，立面喷涂时凝胶时间应短一些，以免流挂。
　　（6） 需用专门设计的高压无气喷涂设备。
　　1.3 聚脲涂料的原料及制备工艺
　　聚氨酯弹性体的性能由于化学组成的不同可以在很宽的范围内调节。用于喷涂聚氨酯（脲）的主要原料有异氰酸酯、低聚物多元醇(多元胺)、扩链剂、助剂等。
　　14.1.3.1 原料
　　14.1.3.1.1 异氰酸酯
　　喷涂聚脲弹性体体系最常用的二异氰酸酯是MDI和液化MDI（如碳化二亚胺改性MDI），对性能要求不高的体系也可使用少量聚合MDI（PAPI）。用高2，2’-MDI含量的MDI半预聚体，由于减慢了反应性，可改善弹性体的操作性能，弹性体的物理性能也较大地改善。
　　14.1.3.1.2 低聚物多元醇（胺）
　　在喷涂聚胺酯（脲）体系中，采用的低聚物多元醇(胺)有：端伯羟基的低聚物多元醇如聚醚多元醇、聚酯多元醇以及端胺基聚醚。
　　 多元醇需选用以伯羟基为主的产品，以满足高速反应的要求。聚醚多元醇一般采用聚氧化丙烯二醇（PPG）,高活性的端伯羟基为主的聚氧化丙烯－氧化乙烯多元醇，聚四氢呋喃二醇（PTMEG）等，其中分子量600～2000的PPG多用于合成预聚体，高活性聚醚（分子量在5000左右，官能度为3）既可用于预聚体，也用于活性氢组分。
　　 端胺基聚醚与异氰酸酯反应速度极快，不需要任何催化剂。聚脲涂料体系可适用于立面喷涂，而且力学强度较以聚醚多元醇为主要原料的产品高。这种端氨基聚氧化丙烯可使涂层具有较低的湿气透过率。Huntsman公司的伯胺基聚氧化丙烯产品（商品牌号为Jeffamine）有两个系列：其中三官能度的T系列品种有T－5000及T－3000，其分子量分别是5000及3000；二官能度的D系列品种有D-4000、 D-2000, 它们的分子量分别是4000、2000。Jeffamine聚醚多胺在喷涂聚脲的技术发展中起了很大的作用。
　　14.1.3.1.3 扩链剂
　　常用的小分子二醇及二胺类扩链剂都可用于喷涂聚氨酯（脲）体系。但目前主要采用芳香族二胺。
　　采用二胺作为扩链剂，主要原因如下：①二胺扩链剂固化的涂层的力学强度明显高于二元醇扩链的；②胺类扩链剂反应速度远较醇类高，可以少用甚至不用催化剂；③胺类扩链剂具有优异的抗潮气敏感性，这一性能极为重要，因为在露天对潮气过于敏感而引起涂层发泡，涂层性能将大大下降。胺基的反应活性远高于羟基和水，因此可有效抑制发泡。
　　 不同的胺类扩链剂反应活性不同，芳香族伯胺类扩链剂如二乙基甲苯二胺（DETDA，美国Albemarle公司牌号Ethacure100），大量用于快速反应喷涂技术，其反应速度快，一般混合后凝胶时间小于5s。反应速度相对较慢的二胺扩链剂是含吸电子基团的空间位阻型芳香族伯胺如二甲硫基甲苯二胺（DMTDA, 美国Albemarle公司牌号Ethacure300），芳香族仲胺扩链剂如4，4´－双仲丁胺基二苯甲烷（美国UOP公司牌号Unilink4200），低分子量聚氧化丙烯二胺如Jeffamine D230（M＝230，f＝2）等。
　　 14.1.3.1.4 助剂
　　 为提高涂层的耐候性及其它性能，在配方设计时，应考虑添加适当的助剂。
　　 在喷涂聚氨酯配方中，为了加速羟基与异氰酸酯的反应，必须加入催化剂，如二月桂酸丁基锡、辛酸亚锡、三亚乙基二胺。
　　 在配方中可添加有机硅偶联剂，以提高涂层与基材的附着力。实验表明，添加适当的硅氧烷助剂可使附着力成倍提高。典型的有机硅偶联剂如氨乙基胺丙基三甲氧基硅烷，用量一般为配方总量的0.1％～1.0％。
　　 用于露天的涂层容易受到光和氧气的作用而发生降解，加入适当的抗氧剂和紫外光吸收剂，可显著提高材料的抗粉化变色能力。通常采用受阻酚类或亚磷酸酯类抗氧剂，如抗氧剂1010、抗氧剂246、抗氧剂1076等。紫外光吸收剂通常采用苯并三唑类，如Ciba公司的Tinuvin327、Tinuvin328、Tinuvin P等。
　　 用于某些场合要求材料有阻燃性能，在配方中可添加阻燃剂。一般，含较多磷或溴元素的液体阻燃剂阻燃效果较好，可与固体阻燃剂如氢氧化铝、硼酸锌结合使用。
　　 为了使涂层具有美观的颜色，可加入各种色料。
　　 14.1.3.1.5 原料对喷涂工艺及涂膜性能的影响
　　 14.1.3.1.5.1 半预聚体的NCO值及硬段含量
　　 半预聚体的NCO值影响凝胶时间，也影响弹性体中的硬段含量，表14－2列出了硬段含量对体系凝胶时间和物理性能的影响。聚氨酯（脲）弹性体是嵌段聚合物，其硬段是由A组分中的多异氰酸酯和R组分中的扩链剂组成，软段则来自预聚体中的聚醚多元醇和R组分中的端胺基聚醚。通过在制备半预聚体时改变异氰酸酯的用量，或得不同NCO含量的预聚体，以及调节软硬段的相对含量，可以获得不同硬度，性能各异的弹性体。

　　表14－2 预聚体NCO含量及硬段含量对弹性体性能的影响

　　A组分 NCO% 10.0 12.5 14.0 16.4
　　R组分配方
　　D-2000 37.2 26.6 24.2 17.3
　　T-5000 31.4 29.7 25.7 19.7
　　Unilink4200 31.4 43.7 50.1 63.0
　　硬段质量分数％ 35.7 46.9 52.1 61.5
　　凝胶时间s 95 70 45 35.0
　　不粘时间min 10 8 3 2.5
　　邵氏A硬度 57 69 84 94
　　拉伸强度MPa 6.7 8.4 10.0 11.6
　　断裂伸长率％ 320 270 290 270
　　撕裂强度KN/m 41.0 47.5 47.0 57.0
　　注：预聚体由液化MDI与聚醚三醇合成。
　　从表14－2可以看出，随着长链聚醚含量的增加，体系的硬度明显下降，可以获得柔韧性好的弹性体；随异氰酸酯及扩链剂Unilink4200用量的增加，反应体系的凝胶时间和不粘时间明显缩短，弹性体的拉伸强度、撕裂强度和硬度增大，伸长率下降。有研究表明，以由液化MDI与聚醚三醇330N制成的半预聚体为A组分，由聚醚三胺T－5000、聚醚二胺D－2000及扩链剂DETDA混合制得R组分，当NCO质量分数为16.4％时，喷涂涂层硬度为邵D55，NCO质量分数为22％时，涂层为脆性。
　　14.1.3.1.5.2 扩链剂类型
　　在喷涂聚脲弹性体体系中，芳香族二胺类扩链剂的类型对聚脲体系的反应速度影响很大。最常用的液体扩链剂是DETDA，它的反应活性很高，在某些要求喷涂时凝胶不宜太快的场合不能单独使用。若体系的凝胶时间短，雾滴喷到物体表面时来不及扩散就已凝胶，就很难得到光滑的涂层。表14－3为三种芳香族二胺类扩链剂对凝胶时间及弹性体性能的影响，其中A组分为液化MDI与聚醚三醇合成的半预聚体，NCO％＝14.0％。

　　表14－3 三种常用二胺类扩链剂的反应性能比
　　扩链剂类型 DETDA Unilink4200 DMTDA
　　凝胶时间s 3 45 70
　　不粘时间min 0.2 3 8
　　邵A硬度 91 84 88
　　拉伸强度MPa 11.7 10.0 10.9
　　断裂伸长率％ 190 290 210
　　撕裂强度KN/m 62 47 56
　　从表14－3可以看出，扩链剂对体系的反应速度影响很大。与DETDA相比，Unilink4200和DMTDA作扩链剂时体系的凝胶时间大大延长，甚至可以得到凝胶时间大于1min的聚脲体系。
　　扩链剂的类型对体系的力学性能也有很大影响。其中采用DETDA作扩链剂时，弹性体的拉伸强度最好，硬度也较好；采用DMTDA时弹性体具有较高的拉伸强度以及适中的硬度；而采用Unilink4200作扩链剂时，制得的弹性体硬度低，柔韧性好。实际配方设计时，可以通过几种扩链剂的混合使用，以获得具有合适的喷涂凝胶时间及涂层物性的配方。
　　14.1.3.1.5.2 端胺基聚醚
　　一般来说，官能度增加，体系的凝胶速度加快。调节两种常用的二官能度及三官能度端胺基聚醚的用量，也可调节喷涂体系的反应速度，同时调节材料的性能。随着D－2000的增加，T－5000用量的减少，凝胶时间延长，弹性体的断裂伸长率增加，拉伸强度略有增加，撕裂强度下降。
　　14.1.3.2 聚脲涂料的制备工艺
　　14.1.3.2.1 配方原则
　　喷涂配方原料一般采用双组分体系，由异氰酸酯基组分（A组分）和活性氢组分（R组分）组成。A组分多为MDI与低聚物多元醇合成的半预聚体（MDI大大过量）。R组分是低聚物多元醇（多元胺）与扩链剂及色浆等助剂的混合物。
　　在喷涂聚氨酯（脲）的配方设计时，应尽可能满足以下三个条件：①各组分粘度要低。在喷涂弹性体体系，为了利于快速撞击混合，各组分的粘度最好控制在2000厘泊以内，并且要求两个组分的粘度差异尽可能小。原则上各组分粘度越低，混合效果越好。②两个组分的体积比尽可能设计为1：1。尽管目前已有适合于不同组合比的喷涂设备面世，但体积比为1：1时混合效果最好，而且体积比为1：1时操作方便。③异氰酸酯指数。双组分配合时的异氰酸酯指数应设计为1.05～1.10，尽管试验证明由于聚脲有极好的潮气不敏感性，当异氰酸酯指数高达1.5时，仍无明显发泡现象，但过高的异氰酸酯指数对性能不利。
　　14.1.3.2.2 异氰酸酯组分的合成
　　A组分是由MDI或液化MDI与聚醚多元醇反应生成的半预聚体。在预聚物合成时使NCO与OH基团的摩尔比远大于2，这样制成的半预聚体实际上是端NCO基预聚物与游离异氰酸酯的混合物。低粘度游离的异氰酸酯的存在，降低了组分的粘度。NCO与活性氢的摩尔比一般为5～15。与一步法相比，由于游离的异氰酸酯要少得多，因此可以克服一步法的湿气敏感性，制品力学强度较好。
　　通常的生产工艺为：将计量的聚醚加入到配有搅拌器，温度计，真空系统和蒸汽加热套的反应釜中，升温至100～140℃，高真空下脱水1～2h，直至水含量低于500ppm，然后冷却至40～60℃，解除真空，然后加入到多异氰酸酯中，反应放热，体系自然升温30～40min后，缓慢加热到60～80℃，保温反应，取样分析NCO含量，当与设计值基本相符时，冷却过滤出料包装。
　　14.1.3.2.3 R组分的制备工艺
　　将干燥的颜填料用适量的氨基聚醚在三辊机上研磨。将研磨好的浆料投入反应釜中，加入端胺基聚醚、扩链剂、助剂，在100～110℃高真空下脱水，当水份含量低于500ppm时，降温用200目筛网过滤后包装待用。
　　1.4 聚脲涂料的喷涂设备
　　与传统的聚氨酯相比，喷涂聚脲弹性体技术是一门新技术，对温度，湿度不像聚氨酯那样敏感。另外一个重要的区别是喷涂聚脲体系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，尤其是混合设备，这一反应是无法控制的。喷涂设备是喷涂聚脲技术的基础，也是喷涂技术推广应用的难点之一。
　　14.1.4.1 喷涂工艺的发展
　　聚氨酯喷涂成型设备有低压有空气和高压无空气两类。
　　低压有空气喷涂是利用压缩空气将物料雾化，喷射到物件表面进行成型。气压可根据物料流量，物料粘度的不同而变化，一般控制在0.7～1.2MPa。气压太低，物料混合不佳，雾化效果差，表面不平整。气压太高，吹力大，容易造成物料吹散，损失严重。
　　低压有空气喷涂设备分别由A组分与R组分的物料桶、溶剂桶、低压计量泵、喷枪以及空压机等组成。
　　喷涂前，首先将喷涂机两个组分的原料桶升温至所需温度，例如A组分60～70℃，R组分80℃，在设备上定好工艺参数，将原料装入原料桶中。调节两个组分体积比在规定误差范围内，并再重复两次，从而保证原料配比的准确性。喷涂时，将原料管连接到喷枪上，调节系统压力至平衡状态，启动喷枪控制开关，试喷几次，即可开始喷涂。喷涂结束后，应先停泵，让空气和溶剂将喷枪内残留物料吹净，迅速打开喷枪，用二氯甲烷等清洗剂清洗。
　　高压无空气喷涂是对低压有空气喷涂工艺的一种改进，喷涂压力一般大于10MPa。它是将处于高压下的物料突然减压雾化喷射到施工表面，雾化粒子细，飞散物料损失少，环境污染大大减少。但高压喷涂设备价格较高，而且要求物料粘度低，两组分物料粘度差别要小。而低压有空气喷涂无此严格要求。
　　14.1.4.2 喷涂聚脲设备工作原理
　　喷涂聚脲设备的工作原理为A(异氰酸酯组分)、R（活性氢组分）两种物料分别经由各自的抽料泵从料桶输送至主机进行计量，加压，升温，然后输送至喷枪，在喷枪混合后喷出。计量输送和混合系统是喷涂设备的两个主要系统。因此，喷涂聚脲设备必须具有：平稳的物料输送系统，精确的物料计量系统，均匀的物料混合系统，良好的物料雾化系统及方便的物料清洗系统。
　　按设备动力源可分为：气动设备、液动设备、电动设备。气动设备的能源来自空气压缩机，它的结构和控制系统简单，体积小，重量轻，移动方便，成本低廉。适用于中压和高压小流量的喷涂设备。例如现场施工（特别是管道现场补口和修理），建筑雕塑和实验室等进行小型工件喷涂。液动设备由液压油来驱动设备。它的系统压力波动小，工艺压力稳定，原料混合和雾化好；压力流量比率特性刚性大，高压下能保持较大的输出流量；压力动态响应快；开关枪及调压时油压回流，A和R料不回流，涂层质量高，性能稳定，质量可靠。但成本较高，仅适用于流量大的聚脲喷涂。现场施工时重量大，移动不方便。电动设备由电力驱动。它的结构和控制系统较简单，重量较轻，移动方便，适用于经济型的中小设备。但其压力流量比率特性刚性差，高压下流量大幅度降低，流量不足；设备动态响应慢，开关枪时压力建立和消失慢，在开关枪及调压时靠原料回流，原料分别回到各自的料桶中，易形成气泡，使涂层易出现针眼和气孔。原料反复加热，冷却，不利于原料性能的保持。

　　GUSMER公司H20/35喷涂主机
　　14.1.4.3 物料输送系统
　　提料泵是最常用的物料输送系统，其作用是为主机供应充足的原料。提料泵还必须满足双向送料等工作特点。例如Gusmer公司专门为H系列主机配备的是2:1气动提料泵，该泵既可用于200L工业大桶，也可用于各种小包装物料的输送。提料泵与主机之间都有严格的要求，否则会导致供料不足。
　　聚脲原料尤其是A料遇潮气会变质甚至结晶，因此必须对原料桶进行干燥处理。Gusmer公司配备了空气干燥器与提料泵一起连接在200L工业大桶上。通往两个料桶的干燥气体是连通的，这样也同时使得两个料桶具有相同的初使压力。Graco公司也采用了类似的干燥措施。
　　R料桶需要配备专门搅拌装置，因为R料中通常含有固态颜料，填料，储存时间长后会导致沉降。有些施工公司是通过在中间开孔的原料桶插入一台工作着的搅拌器来克服喷涂时的沉降问题的。该类型的气动或电动搅拌器的供应商有Graco、Binks等公司。
　　在寒冷的季节施工时，为防止因原料粘度增大或结晶影响供料，对原料桶必须加上保温装置使其达到涂料指定的温度；另外为保证供料，也可以在提料泵与主机之间安装“管线加热器”，ECT公司生产的TCVR装置和SPI公司生产的ABP装置等，都可满足上述要求。
　　14.1.4.4 物料计量系统
　　计量系统通常称之为主机，喷涂聚脲多采用往复卧式高压机，主要由液压或气压驱动系统，两个组分的比例泵，控温系统等组成。A、R物料经抽料泵抽出后进入主机进行计量，控温和加压。它们必须满足如下的特点：可为物料进行精确的计量和温度控制，并为均匀混合和良好的雾化产生高压，维护和保养简单易行。
　　其中较常用的液压驱动机型有Gusmer公司的H系列主机和Glas－Craft公司的MH主机等。下面以Gusmer公司的H系列主机为例分别从比例泵、主加热系统、长管加热系统三方面加以介绍。
　　14.1.4.4.1 比例泵
　　由于比例泵的工作与液压驱动系统等密切相关，在此一并介绍。该设备的液压驱动系统是通用型的，合上电源，打开液压马达开关，很快就可以产生液压，该液压由液压油传递至一个缸体（称之为液压缸）中，该缸再通过活塞轴把液压传递给A、R两个比例泵，使它们同时获得相同的高压力。在抽料泵与比例泵之间有球密封装置（称之为泵座），用于保证比例泵活塞在左右往复运动时有等量的物料输出。为了维修拆卸的方便，泵座与比例泵之间是靠管路来连接的。
　　比例泵泵缸，活塞轴都是由经过特殊耐磨处理的材料制成，但是泵座和比例泵的密封损坏后，因有物料或气体压力泄漏，往往会使压力失去平衡进而导致混合不匀，因此要定期维护。
　　比例泵输送的异氰酸酯组分对潮气敏感，必须防止潮气进入，因此保护比例泵缸体密封外部环境免受潮气是至关重要的。例如Gusmer公司为此采取了两项措施，其一是在A比例泵与液压泵之间有一循环油封系统，通过定期换油，可有效的防止潮气进入A比例泵缸内；另外，在每次关机时把控制面板上的保护按钮按下，使异氰酸酯泵的活塞轴完全缩回泵缸内，以免接触潮气。
　　Glas－Craft公司生产的MH主机的比例泵活塞的冲程为12.5cm，比Gusmer公司的H－2000主机长5cm，最大输出量为20.4kg/min，比H-2000的多6.4kg/min。这说明在相同输出量的情况下，MH活塞的往复循环的次数较小，这对于保护活塞密封和比例泵泵缸，减少磨损，有一定帮助。从混合压力上来讲，MH可产生的最高液压比H－2000大7MPa，更有利于高粘度物料的混合。
　　14.1.4.4.2 主加热器
　　物料经过比例泵精确计量后变成高压高速液流，流经主加热器。为保证高速运动的高粘度物料均匀混合，主加热器必须升温高效、平稳而且完全自动化控制，把室温或经预热后抽入的物料瞬间加热到设定温度。主加热器一般经过特殊设计，可有效避免液流局部温度太高产生灼热。H系列主机配备了各6000W的A、R料加热单元，物料最大加热温度为77℃，MH主机配备了7000W的加热单元，物料最大加热温度可达88℃，对原料的粘度要求可进一步放宽。
　　14.1.4.4.3 长管加热器
　　为方便施工，通常在主加热器与接枪管之间配备有长管。物料经主加热器加热升温后，流进长管输送。长管的长度可随用户的需要而定（最长达93m），为防止主加热器加热后的物料在流经长管时冷却，长管一般具有保温和温度补偿功能。通过使用变压器调节电压，可使不同长度的长管获得相应的加热功率。与主加热器相同，长管加热器的温度控制也是完全自动的，不必考虑环境温度，只要在喷涂之前设定所需温度即可。其核心部分是温度传感器单元。温度传感器放置在喷枪附近的液流内，通过准确的温度反馈，随时对温度进行补偿，从而保证物料到达设定温度。由于长管直接连接在喷枪上，所以长管的加热系统一般采用安全可靠的低压电源。
　　14.1.4.5 物料混合、雾化系统
　　在喷涂聚脲技术中应用较多的是撞击型、单阀杆、无气雾化、机械自清洁喷枪，例如Gusmer公司的GX－7喷枪、Graco公司的Foam－Cat喷枪等。物料在混合室内瞬间可达到理想混合，对于凝胶时间通常低于5s的聚脲体系来讲是较为适合的，以下就此类喷枪着重介绍。
　　在扣动扳机时，气缸拉动阀杆，A、R两股高压高温液流在喷枪头部一个很小的混合室内撞击产生高速湍流区，瞬间就能产生均匀的混合，几乎在同时就被喷涂到底材上；在松开扳机停止喷涂时，阀杆立即复位，进入混合室，将两种原料完全隔绝，并且把混合室内残余的混合料完全推出。
　　对聚脲体系来说，由于在混合室内就已混合均匀，其雾化的目的主要是为了获得均匀平整的涂层。该类喷枪的雾化系统主要是通过主机产生的高压来实现的，在混合物料喷出模式控制盘（PCD）时，必须开启气帽阀辅助雾化，已获得均匀的涂层。
　　Graco公司的Foam－Cat喷枪的最大工作压力为21MPa，低于Gusmer公司的GX－7喷枪的24.5MPa。

　　常 用 喷 枪
　　14.1.4.6 物料清洗系统
　　在停止喷涂时，整个系统是全封闭体系，A、R两股物料是各自独立的。只有在开枪时，才能在枪混合室内相互接触，因此在喷涂结束时，抽料泵和主机一般不需要清洗，只需清洗混合雾化系统即可。
　　撞击型、单阀杆、无气雾化喷枪的混合室和阀杆的有机结合，把机械自清洗变成了现实。从上述的混合特点不难看出：这种设计不需要传统的喷枪那样在暂停喷涂时必须用有机溶剂或高压空气来清洗枪头，大大减少了维护和保养的工作量；较长时间的停枪（如周末、过夜等），只需用专门的洗枪罐，用小量有机溶剂进行彻底清洗，而不必拆卸枪体。例如在使用GX－7枪连续施工时，每周拆枪清洗一次就足够了，拆卸、安装比较简单。
　　在喷涂聚脲领域应用的喷枪还有Glas-Craft公司的Probler枪、Bink公司的Purge Master枪、Gusmer公司的GAP枪等。该类喷枪属于气净式喷枪，同样在暂停喷涂时不需要有机溶剂清洗，但由于混合室的容积较大，物料在混合室的停留时间相对较长，在一定程度上限制了在聚脲体系的应用。
　　14.1.4.7 喷涂聚脲设备工作参数
　　在使用喷涂聚脲设备时，有一些操作参数必须加以注意，以下就工作温度、压力、喷枪的混合室、PCD选择等参数分别加以介绍。
　　14.1.4.7.1 工作压力
　　表14－4为在物料温度65℃、不同工作压力下得到的涂层物性。
　　表14－4 物理性能与工作压力的关系
　　压力MPa 7.8 10.0 12.7 14.0 17.0
　　拉伸强度MPa 12.4 2.8 14.8 15.9 17.2
　　伸长率％ 75 89 150 180 220
　　邵D硬度 49 53 55 59 58
　　由于A、R物料的反应速度极快，因此，采用高温高压撞击式混合是十分必要的。由表14－4可见，喷涂聚脲材料的物理性能将随着压力的增大而明显提高，同时，雾化效果更好，涂层表面的粗糙、桔皮现象也明显消失。
　　14.1.4.7.2 工作温度
　　除提高工作压力外，升高温度对改善喷涂效果也是十分有利的。在喷涂聚氨酯弹性体技术中，给物料加热容易出现涂层发泡倾向增大、放热过分集中、粘度增大明显、反应速度加快、影响混合效果等弊病。而在喷涂聚脲弹性体技术中则不然。由于聚脲反应速度常数的温度敏感性低，因此升温不会引起反应速度的急剧加快，反而会由于物料粘度的明显下降，使A、R组分的混合及流动性得以改善。表14－5是材料性能与工作温度的关系，可以看出：升温对改善材料的性能极为有利，同时使物料的雾化和流平性能改善。
　　表14－5 物理性能与工作温度的关系
　　温度℃ 50 55 60 65 70
　　拉伸强度MPa 11.2 11.1 12.1 13.5 13.2
　　伸长率％ 142 150 176 226 250
　　邵D硬度 47 54 56 53 53
　　14.1.4.7.3 混合室、PCD
　　通过简单地更换混合室、PCD，该类喷枪可用于不同聚氨酯（脲）体系的喷涂。同一个混合室通过更换不同的PCD不仅可以改变喷涂雾化直径的形状、大小，并可获得不同的输出量。混合室、PCD是混合的核心部分，所以选择合适的混合室和PCD的组合尤其重要。由于不同的体系粘度差别不同，所以单凭推断无法断定使用多大孔径、多少孔数的混合室及对应的PCD。使用不合适的组合，带来的绝不只是力学强度较低的问题，可能会导致雾化呈五指状、局部粘手等严重混合不匀的现象。通常设备制造商根据不同体系粘度的差异为用户选择了一系列的组合，但是大多是基于聚氨酯体系而言的，而对于聚脲体系必须通过大量的实验来确定。选择的原则是：两种物料的混合压力相近（一般要求压力差低于2MPa），若二者压力相差较大，可采用给混合室压力高的一侧进行机械钻孔的办法来解决，假设A料的压力过高，则需对A端的孔径进行扩大，使孔径与压力成正比。
　　喷涂聚脲技术的关键之一在于选择合适的设备，并能正确地安装、调试、维护保养以及通过实验选择适当的操作参数。此类设备的设计精密，作为设备管理人员必须具备化工原理、聚氨酯基础、电路电器、液压原理等综合知识。作为高性能材料的聚脲弹性体，对于混合精度要求非常高，聚氨酯泡沫喷涂机的混合精度远不能达到要求。而目前国内制造和应用较多的是泡沫喷涂机，对聚脲弹性体设备的熟练掌握还需时日。
　　1.5 喷涂聚脲涂料的施工工艺
　　喷涂聚脲涂料具有极快的反应速度，一次喷涂厚度可达数毫米，涂层外观均匀、美观可广泛应用于各种场合。
　　14.1.5.1 聚脲涂料的施工条件
　　1. 施工应在各种设备、柱子、管路、贯穿件的安装以及面漆施工之前进行。
　　2. 底材表面的温度应高于露点温度3℃以上，环境相对湿度应低于75％。
　　3. A、R两组分在进入抽料泵之前应保持在21℃以上。
　　14.1.5.2 施工设备、保障条件及防护用品
　　高压喷涂设备、设备清洗液、设备保护液、塑料薄膜、胶带、刮刀、和料板、环氧腻子，油漆刷或辊子、便携式电源插座、密封胶枪、施工防护用品、搅拌设备（600W冲击电钻一把，配套搅拌杆2个）、氮气、电源（380V、50A）。
　　14.1.5.3 施工细则
　　喷涂聚脲涂料的施工分为：底材处理、聚脲涂料喷涂、后处理、密封胶施工、面漆施工（非必选项）。
　　14.1.5.3.1 底材处理
　　底材处理是保证施工质量的关键，可分为金属底材和混凝土底材。
　　14.1.5.3.1.1 金属底材处理
　　首先将底材喷砂处理至Sa2.5级，对于焊缝等缺陷部位，用环氧腻子找平，使整个底材能够平滑过渡，待环氧腻子固化后用角磨机磨平。然后清洁底材，辊涂或刷涂两道配套底漆。底漆重涂间隔最长为24小时，最短为3小时。
　　14.1.5.3.1.2 混凝土底材处理
　　对混凝土预制件进行喷砂处理，或者用角磨机、高压水枪等清除表面的灰尘、浮渣。待底材完全干燥后，用堵缝料进行表面找平，需堵缝部位待堵缝料固化后用角磨机磨平。然后清除掉表面的污物，刷涂或辊涂一道配套底漆，待用。
　　14.1.5.3.2 聚脲涂料喷涂
　　聚脲涂层的喷涂应在底漆施工后24～48小时内进行，如果间隔超过48小时，在喷涂聚脲涂层前一天应重新施工一道底漆，然后再施工弹性层。在喷涂之前，应用干燥的高压空气吹掉表面的浮尘。
　　喷涂前应考虑周围环境情况，用塑料薄膜将周围可能被污染的物品遮蔽，做好周围环境的保护工作。
　　喷涂前按照规定佩带防护用品。
　　14.1.5.3.2.1 喷涂前设备的准备
　　严格按设备说明书进行设备及附属设备的检查，尤其应注意检查易损件。然后按说明书的要求进行喷涂设备的参数设置，包括主加热器温度、长管加热器温度、主机压力、空压机压力。
　　14.1.5.3.2.2 喷涂前原料的准备
　　首先检查A、R两组分的包装是否完整，严禁使用包装已破损的产品。在原材料的开启过程中，应注意切勿将其他杂质落入涂料包装桶内，以免影响产品的正常使用。目测涂料的外观状态应为均匀、无凝胶、无杂质的可流动液体，如果发现涂料中有结块、凝胶或粘度增大现象，严禁使用。由于R组