聚脲涂层耐老化腐蚀性能研究

张家阳,苏安双,徐丽丽,吴志琴,李兆宇,郑 健

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

聚脲材料是一种新型环保类涂料，具有力学性能较好、抗老化、耐腐蚀特点，随着弹性体涂料深入研究，研发了多种聚脲基体的复合型材料，通过添加助剂，显著改善提高聚脲性能，适应各领域的应用[1]。我国各行业相继发布了标准，如化工行业标准《喷涂聚脲防护材料》HG/T 3831—2006、中国石油天然气集团的企业标准《钢质管道聚脲外防腐层技术规范》Q/CNPC 127—2007、电力行业标准《水电水利工程聚脲涂层施工技术规程》DL/T 5317—2014等，为聚脲的推广应用提供技术指导。在环境中应用，聚脲因物理因素(太阳光、温度等)和化学因素(酸、碱、盐等)作用下产生老化腐蚀现象[2]，在生物因素作用下同样老化腐蚀。有机类涂层老化后，外观主要产生变色、起泡、长霉、脱落等，内部结构随之发生变化，最终导致材料失效[3]。本文从耐老化性和耐腐蚀性方面出发，综述了聚脲涂层在老化、腐蚀方面的力学性能研究与工程应用，总结聚脲涂层耐久性寿命预测相关模型研究，为水利工程中聚脲涂层防腐耐老化性能与应用提供技术参考。

1 聚脲涂层耐老化性能

聚脲涂层的老化研究方法主要分为自然暴露老化和人工加速老化两种。李海扬[4]利用光泽度、吸水率、微观结构和附着力四个试验，经过自然曝晒老化和人工加速老化后，四项性能仍保持较高的水平，具有良好的防护作用。

黄微波[5]采用人工加速老化15 000 h的聚脲样片进行理化性能测试及红外光谱分析，结果显示材料力学性能未发生较大变化，紫外线照射仅使聚脲表面失光，未导致聚脲内部结构和大分子链段破坏。陈偕伟[6]在聚脲组分中加入一种紫外光吸收剂UV327，制作耐紫外聚脲涂层并进行了测试，发现涂层紫外吸收较未添加前增加了约1倍，说明添加剂可改善材料耐紫外线性能。

对聚脲材料的自然暴晒老化和人工加速紫外线老化研究，主要集中于宏观性能和微观结构变化，因老化条件对涂层性能有着十分重要影响，涂层在不同老化条件下体现出不同的失效机理。可通过测试光泽度、拉伸强度指标进行分析，利用SEM及傅立叶红外光谱仪分析试验进行表征，但同时对两种老化方式的相关性研究较少[7]。

2 聚脲涂层耐腐蚀性能

聚脲涂层的耐腐蚀性能，是涂层应用中最为关注的指标。目前涂层防腐蚀主要是阻隔外部腐蚀物侵蚀底材，同时兼顾依靠防腐剂等填料抑制腐蚀作用[8]。伯忠维[9]研究结果表明聚脲涂层在干湿循环、盐水浸泡以及湿热腐蚀环境中的耐腐蚀性优于聚氨酯涂层。杨华东[10]研究了聚脲涂层防护后混凝土耐酸碱性和抗冻性影响。潘琳[11]研究海工混凝土防护中的聚脲涂层应用，分析了附着力情况。李志高[12]研究青岛海湾大桥聚脲耐腐蚀性能，分析涂层防护后混凝土的抗冻性、抗氯离子渗透等性能的影响。李鑫茂[13]设置聚脲涂层在23 ℃下耐10%H2SO4溶液、10%NaOH和10%NaCl溶液下的腐蚀介质，分析聚脲耐腐蚀的性能，得出聚脲涂层具有良好的耐腐蚀能力。王军[14]研究在不同介质中的水解稳定性、耐酸碱性、耐热性以及在户外自然曝晒过程中聚脲涂层力学性能变化，试验结果表明聚脲材料具有较好的耐水解性，但聚脲涂层不耐强氧化性酸和高浓度酸，同时在低于120 ℃温度条件下自身可以保持稳定的力学性能。

上述研究结果表明聚脲涂层具有优异耐无机介质腐蚀能力。对聚脲涂层的耐有机介质腐蚀性能同样进行了相关研究。吕平[15]采用2种聚脲涂层在酸、碱、丙酮、二甲苯和机油等腐蚀介质，分析浸泡前后力学性能和微观形貌的变化规律，采用SEM微观形貌研究显示，材料的表面发生了较为明显的腐蚀现象。

3 聚脲涂层应用

因聚脲具有良好韧性、耐磨性、耐腐蚀性、耐老化性以及抗冲击性，在交通运输、水利工程等领域广泛应用[16-18]。喷涂聚脲技术早期应用于地铁隧道及海上钻井平台[19]等领域。吕平[20-21]为解决冬季涂层与混凝土之间附着不好的现象，注重分析了基材处理对聚脲涂层脱落影响，解决了混凝土在低温下存在涂层脱落的现象，同时提出适用于不同施工环境下的底漆处理方案。孙志恒[22-23]在十三陵抽水蓄能电站的钢筋混凝土面板、河南宝泉抽水蓄能电站上水库进水口伸缩缝采用聚脲涂层防护，工程运行防护效果良好。李建波[24]研究聚脲涂层抗渗性能表明：聚脲涂层厚度为4 mm时，可满足宽度为5 mm的裂缝在300 m水压力作用下的抗渗要求。

大型水利工程抗渗防护是聚脲技术重要的应用领域。聚脲优秀的抗冲刷磨蚀性能、超常的耐老化性能，在水利工程防护应用中具有明显优势和应用空间。

在青岛胶州湾大桥主桥墩承台、北京三家店拦河闸、山西恒山水库坝面、青岛书院水库引水渠、京黄松峪水库溢洪道、怀柔水库西溢洪道、山西大同御河大坝、山西龙口水电站、四川雅安大岗山水电站、安徽安庆花亭湖水库水坝、浙江天台里石门水库大坝、富春江水电站船闸、拉西瓦水电站底孔抗冲磨防护、李家峡、龙羊峡、公伯峡溢流面抗冲磨防护、新疆某碾压混凝土重力坝溢流面抗冲磨、防冻融破坏等工程，都采用聚脲涂层作为防护材料，体现出良好的经济效益和社会效益[25-26]。

4 耐久性寿命预测

国内外学者对各类涂层材料耐久性寿命预测也进行了相关研究。刘凉冰[27]利用加速老化试验，总结共聚醚聚氨酯材料断裂伸长率随老化时间的变化规律，并建立相关模型如式(1)所示。对聚氨酯材料进行寿命预测，在25 ℃下的使用预测涂层寿命为21 a。余超[28]分析聚氨酯涂层拉伸强度随时间的变化规律，基于拉伸强度建立数学模型如式(2)所示。聚氨酯涂层在25 ℃下的预测使用寿命为19.7 a。李春涛[29]采用热重法分析，将热失重5%的温度作为材料的失效标准，建立降解动力学模型，对PTMG聚氨酯涂层的使用寿命进行预测，得出使用寿命与温度的模型关系式如式(3)所示。GAC[30]利用70～120 ℃温度下自然海水，模拟聚氨酯的海水高温降解过程，通过水扩散动力学和水解动力学，建立海水环境降解模型，将模拟结果与实验数据对比，该模型可以预测聚氨酯海水环境下的使用寿命。

lgtf=3.1097/T×103-4.855

(1)

σ=20.31exp(-1.65×10-3t0.68)

(2)

lntf=15 700/T-30.78

(3)

式中：tf为使用寿命，a;T为热力学温度，K；σ为拉伸强度，MPa；t为老化时间，a。

聚脲涂层材料在实际服役状态下，环境条件通常比较复杂，性能劣化的因素通常不是单一作用的。作为止水材料用途来说，在应力、低温或高温、潮湿环境共同作用下使用就是一种常见情况，聚脲材料具有优异的耐热和湿热老化性能与其内部分子结构有关，聚脲分子链中占主要成分的是脲基，脲基的分解峰温为260 ℃，氨基甲酸酯发分解峰温为241 ℃，这就是聚脲的热老化好于聚氨酯的原因。李敬玮[31]利用热空气加速老化试验和湿热老化试验，根据《硫化橡胶或热塑橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》GB/T 20082—2005，可对聚脲涂层进行寿命预测，得知在20 ℃干燥条件下临界老化寿命为313 a。李炳奇[32]基于聚脲材料化学键构成、水解老化机理及Arrhenius老化模型，提出了聚脲防渗涂层的老化寿命预测理论及公式，能够反映不同聚脲材料的氨酯键、脲键含量与水解老化寿命的关系。通过湿热加速老化试验确定了氨酷键水解老化参数，确保了聚脲材料寿命预测公式的可靠性。实现了在不同温湿度运行环境条件下，不同聚脲防渗材料的使用寿命预测。

5 结论与展望

与传统环保涂装技术相比，聚脲涂层技术有诸多优点。它具有优异的物理化学性能，较高的拉伸强度、柔韧性和断裂伸长率、耐磨性、防湿滑性能和耐海水和一般溶剂的腐蚀。具有良好的热稳定性，而且耐低温性能良好，可在120 ℃下长期工作，在户外长期使用不粉化、不开裂。对环境友好，可实现卫生施工和无害施工。

聚脲虽然有许多的优点，但是在应用过程中还存在一些技术问题。层间附着力差，对部分材质和光滑的底材附着力不够等问题。同时，单因素作用下涂层的耐久性问题已取得部分成果，在涂层老化方面已建立相应的预测模型，但在冻融等方面的分析及模型建立还有待研究，在氯盐腐蚀、干湿循环、荷载作用和冻融循环等多因素耦合条件作用的涂层耐久性研究少有报道，这也是聚脲涂层要研究的新方向。分析聚脲涂层的老化机理，采用数学模型进行寿命预测，实现涂层老化的早期预警判断，有效降低涂层失效损失，是未来研究一个重要方向。