聚脲弹性体力学性能及爆炸防护的研究进展

王 旭，吕 平，闫 帅，方志强

(青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033)

0 前 言

聚脲弹性体是一种高分子化合物，由异氰酸酯组分和氨基化合物快速交联的加聚反应而形成，其中异氰酸酯是异氰酸酯组分中的主要原料之一，包括二异氰酸酯、三异氰酸酯和它们的改良体；氨基化合物一般包括芳香族端氨基聚醚和脂肪族端氨基聚醚[1-3]。

聚脲弹性体性能优异，被专家和学者们所认可用于防爆抗爆领域。考虑到聚脲弹性体反应快速固化的特点，反应物在压力条件下通过枪孔推出之前，在混合模块中单独储存并反应，聚脲的实际加工只能通过反应喷涂技术实现，随着聚脲弹性体研究的深入，喷涂聚脲弹性技术逐渐问世并逐渐应用于实际工程中。喷涂聚脲弹性体技术是国外近年来继高固体分涂料、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，为适应环境需求而研制、开发的一种新型无溶剂、无污染的绿色施工技术，它是在反应注射成型技术的基础上发展起来的，其主要原料是美国Texaco/Huntsman公司首先开发的端氨基聚氧化丙烯醚[3]。国内方面，中国聚脲技术发明人黄微波教授团队最早对喷涂聚脲体技术进行系统研究，并取得了大量的研究成果，应用于北京奥运工程、京沪高铁、港珠澳大桥、青岛胶州湾大桥以及青岛地铁等国家重点工程。可见，聚脲弹性体在防护领域中有着广阔的发展前景。

通过以介绍聚脲弹性体的性能为依托，综合国内外关于聚脲弹性体涂层抗爆防护方面的相关文献，综述了聚脲弹性体在砌体结构和钢结构方向的研究进展，介绍了聚脲弹性体在爆炸防护领域中表现的优异抗爆能力和良好的吸能特性。

1 聚脲弹性体的力学性能研究

1.1 聚脲弹性体微观结构

聚脲弹性体作为一种弹性聚合物，其分子结构独特，对于聚脲弹性体的化学反应实质上是半预聚物与氨基聚醚及胺类扩链剂的反应，因此可以通过调节扩链剂等反应物来改善聚脲弹性体的力学性能。Iqbal等[4]改变了扩链剂种类和用量，设计了多种配方，并对样品进行了动态力学分析、热重分析等多种测试，得出芳香族与脂肪族扩链剂的最佳配比可使氢键化程度更加适中，同时氢键形成程度与聚合物的储能模量成正比，可有效改善聚脲弹性体力学性能。引入扩链剂可有效使氢键多形成于聚脲分子结构中的硬链段部分。聚脲弹性体由硬段和软段组成(聚脲弹性体分子结构如图1[5])，从图1可以看出，聚脲弹性体分子结构中具有强极性的含脲键(-NH-CO-NH-)链段和芳香族链段，其中共聚合反应产生高度极性的含脲键与R官能团相连的脲链在单个聚脲链中形成所谓的硬段，而软段由同一链段中脂肪族链段组成[6]。由于聚脲弹性体分子中软硬段比例对其力学性能有一定的影响，Tripathi等[7]发现通过调整芳香族和脂肪族扩链剂的比例有利于氢键的结合，同时用低分子量脂肪族扩链剂代替少量芳香族扩链剂制成聚脲弹性体涂料，可以有效提高聚脲弹性体的力学性能。Fragiadakis等[8]通过化学计量的变化改变聚脲弹性体分子中软硬段比例，从而研究其力学性能的变化，对不同化学计量的聚脲弹性体软链段节段弛豫时间受温度和压力变化的影响进行了测试，发现随着硬段含量的增加，节段弛豫时间的压力敏感性显著增加，但是软段含量随化学计量的变化的影响很小，在实际工程应用中化学计量对聚脲弹性体的力学性能影响较小。

王伟等[9]定量地研究了软硬链段含量对聚脲弹性体材料力学性能的影响，得到当软链段相对分子质量逐渐增大时，软链段与硬链段之间的氢键作用降低，聚脲弹性体的硬度、拉伸强度及撕裂强度有所下降，而伸长率有所增加；当硬段含量增加时，聚脲弹性体的拉伸强度提高并逐渐趋于稳定，撕裂强度增大而断裂伸长率有所下降。聚脲弹性体中硬链段间存在较强的氢键作用，对聚脲弹性体的力学性能有着极大的影响，李婷等[10]通过变温红外和X射线衍射等手段研究了氢键对聚脲弹性体微观结构的影响，发现当温度达到165 ℃时，氢键出现大量解离，并且在氢键解离后聚脲弹性体硬段微区结构发生重组。刘检仔等[11]通过多种手段探讨了硬段含量对聚脲弹性体氢键形成程度、微观结构及其力学性能的影响，发现当硬段含量逐渐增加，聚脲羰基氢键化程度有所增加，软段相的微相分离率有所下降，硬链段的有序程度逐渐增加，并且当硬段含量达到35%时，聚脲弹性体的力学性能表现最优。

1.2 聚脲弹性体的宏观性能

聚脲弹性体独特的分子结构使其具有良好的力学性能，理论上聚脲弹性体可以通过微观结构内硬链段中氢键的断裂吸收部分能量，为了研究聚脲弹性体在宏观不同情况下的力学性能和吸能机理，对聚脲弹性体进行静态或准静态压缩试验和霍普金森压杆试验，研究聚脲弹性体的应力 - 应变行为。起初，Yi等[12]研究了聚脲弹性体在高应变率下的应力应变关系，发现在低应变率下聚脲弹性体呈现橡胶态而在高应变率加载条件下聚脲弹性体呈现革质或玻璃态，同时在高应变率下聚脲弹性体的应力应变行为表现出很强的应变率敏感性。同样，张强等[13]对聚脲弹性体材料在准静态和不同应变率下的动态压缩试验发现，聚脲弹性体的应力应变曲线呈现出明显的非线性和应变率敏感性。Roland等[14]利用新式落锤试验仪器对聚脲弹性体进行了低速和高速落锤试验，对聚脲弹性体的应力应变曲线进行分析，得出聚脲弹性体具有更均匀的应变率和确保均匀应变的能力。王波等[15]对聚脲弹性体进行了准静态压缩和动态压缩试验，给出了不同应变率下的应力 - 应变曲线，发现聚脲弹性体在不同应变率下都可以分为普通弹性阶段、高弹性阶段和非线性变形阶段3个阶段，随着应变率的增加，应力提高同时聚脲弹性体的强度也增加。

研究表明，温度对不同情况下的聚脲弹性体应力应变曲线有一定影响，Chen等[16]研究了聚脲弹性体材料在不同温度下的力学性能，通过分离式霍普金森压杆试验获得了聚脲弹性体在单轴压缩荷载和受限压力下与应变率相关性的应力 - 应变行为，试验结果表明，聚脲弹性体在单轴压缩下的有限变形应力 - 应变行为与温度有关，并且是高度非线性的。但是，在受限压力下，聚脲弹性体的轴向应力 - 应变关系在改变温度的情况下表现较弱，并且呈近似线性；同时随着温度的升高，聚脲弹性体的动态软化行为变得更加明显。Guo等[17]在一定温度和应变率范围内，对2种聚脲弹性体在单轴应力状态和准一维应变状态下的压缩力学行为进行了研究，发现在线弹性范围内聚脲弹性体的压缩应力应变曲线对应变率和温度都具有显著敏感性(如图2、图3)，从图中可以看出，低应变率下的单轴压缩的聚脲弹性体表现出应变率依赖性并且是高度非线性的；同时从围压加载试验获得的聚脲弹性体应力应变曲线可以发现，聚脲弹性体表现出较弱的应变率敏感性并且是近似线性的。

此外，对于不同应变率下聚脲弹性体的拉伸试验研究，Pathak等[5]在高应变率下对聚脲弹性体进行了拉伸应力应变测试，发现聚脲弹性体随着刚度、强度以及应变率的增加，破坏应变是降低的；同时运用X射线小角散射法对拉伸状态下的聚脲弹性体进行了分析，在低应变速率下散射模式是各向异性而在高应变率下呈现同向异性，导致散射模式不同的原因可能是与聚脲弹性体分子中硬段微区的形成有关。Qiao等[18]总结前人的经验，对聚脲弹性体进行了低应变率下的拉伸测试，研究了聚脲弹性体在低应变率下的应变率敏感性，发现低应变率下聚脲弹性体拉伸力学性能与中等应变率下拉伸力学性能相似，同时其数据与低应变率下的压缩数据一致。Rull等[19]对聚脲弹性体进行了单轴拉伸试验，发现硬链段较多的聚脲弹性体有较高的应变率敏感性同时表现出玻璃态。

综上，聚脲弹性体具有由软段和硬段组成的独特的分子结构，使其表现出优异的宏观性能。在不同应变率下，聚脲弹性体的应力应变曲线呈现非线性，并且低中应变率下的聚脲弹性体力学性能相似，随着应变率的增大，聚脲弹性体会呈现一个形态的转变，即由低应变率下的橡胶态逐渐向高应变率下的玻璃态转变。通过对聚脲弹性体分子结构及不同情况下的力学性能变化的深入研究，可以更好地将聚脲弹性体材料应用于实际防护结构中，发挥其优良的防护效果，减少各类爆炸等造成的伤害。

2 聚脲弹性体涂层在防护结构中的抗爆研究

2.1 在砌体结构中

大量研究表明，在诸多爆炸事件中房屋倒塌对人们的生命财产安全造成的损伤较大，其中墙体和窗户破坏后产生的爆炸碎片成为大量人员伤亡的主要原因，由此对砌体结构的加固防护研究被提上议程。起初，由美国空军实验室首先使用碳纤维和芳纶纤维来增强砌体墙的抗爆性能，并着手进行高分子聚合物材料对墙体防护的研究，经过大量试验最终选择了聚脲弹性体涂层应用于砌体墙的防护[20]。随后，大量专家和学者针对聚脲弹性体涂层增加墙体抗爆性能这一方面进行了广泛的研究。

蒲兴富[21]利用有限元软件对聚脲弹性体涂覆砌体墙进行了模拟仿真分析，对不同TNT用量下有无聚脲弹性体喷涂的砌体墙中心截面破坏情况进行对比可以发现，20 kg TNT时没有聚脲弹性体涂层的砌体中部裂纹较大，而有聚脲弹性体的涂层没有出现裂纹，说明聚脲弹性体对于砌体的破坏进程具有延迟作用，可有效抵抗爆炸破坏。当加大药量至50 kg TNT时，没有聚脲弹性体涂覆的砌体出现严重破坏同时产生许多墙体碎片，有聚脲弹性体涂覆砌体破坏程度较小并且几乎没有碎片飞溅，可见聚脲弹性体可提高砌体结构的抗爆能力。尚伟等[22]对不同工况下的砌体墙进行了接触爆炸试验，得到了0.5 kg和1.0 kg TNT 5种工况下砌体墙的试验结果，在药量1.0 kg下，聚脲弹性体加固的砌体墙所测的超压值小于超压标准(0.1 MPa)，聚脲弹性体可有效减少墙体破坏损伤，增强砌体墙的抗爆能力。

聚脲弹性体涂覆砌体墙可有效增强其抗爆能力，为探讨不同加固方式下的砌体墙的抗爆能力，美国陆军工程大学的Baylot等[23]对砌体墙进行不同方法的试验研究，对其进行改造。利用纤维复合材料、镀锌钢板和聚脲弹性体涂层3种加固方式进行爆炸试验，结果表明，聚脲弹性体涂层加固的墙体能够保持更好的完整性，可以将墙体破片和飞屑包覆在结构体内，减少碎片飞溅，避免屋内人员受伤。同时，王军国[24]对有聚脲弹性体加固的无支撑粘土砖构筑的砌体单墙进行了抗爆测试，发现有聚脲弹性体涂层加固的砌体单墙具有良好的抗爆能力；又对有支撑条件的砌体单墙进行了不同加固方式的爆炸试验，发现背爆面有聚脲弹性体加固的砌体单墙受爆炸后没有产生爆炸碎片，可见聚脲弹性体在墙体防护中的包覆效果良好；同时发现同种工况下双面涂覆聚脲弹性体砌体单墙的损伤破坏比单面涂覆的更小，综上可知不同加固方式下砌体墙的抗爆能力有所不同。

聚脲弹性体涂层厚度对砌体结构的抗爆能力有着巨大影响，为了定量研究不同聚脲弹性体涂层厚度对砌体墙抗爆能力的影响，王军国等[25]固定聚脲弹性体涂层厚度均为3 mm，通过试验得到聚脲弹性体涂层加固的砌体结构的抗爆能力明显增强，并且背爆面爆炸碎片明显减少；对聚脲弹性体加固墙体的增强机制进行分析，发现聚脲弹性体加固层可以有效降低砌体结构运动形式对爆炸能量的吸收，减慢爆炸荷载作用下砌体结构的运动速度，减少墙体位移来提高砌体结构的抗爆能力。Tao等[26]比较了3 mm厚和4 mm厚的聚脲弹性体涂层加固砌体结构的爆炸试验结果，发现喷涂3 mm厚聚脲弹性体的砌体砖墙在爆炸荷载下损伤较小，只有轻微的凹陷变形并且没有产生墙体碎片；喷涂4 mm厚的聚脲弹性体的砌体墙没有破坏，显示出良好的防爆性能，聚脲弹性体可有效减少墙体的破坏碎片，减少爆炸荷载下砌体墙的变形与位移，改善砌体墙的抗爆能力。田力等[27]运用ANASYS/LS - DYNA软件模拟了不同厚度聚脲弹性体加固混凝土空心砌块填充墙在不同爆炸荷载作用下破坏情况，试验结果发现随着聚脲弹性体涂层厚度的增加，墙体中心点位移明显减少，说明聚脲弹性体加固后的砌体墙抗爆能力提高。此外，Ghaderi等[28]运用数值模拟的方法探讨聚脲弹性体涂层厚度对墙体中心位移的影响时，发现当聚脲弹性体剥离表面超过墙体的总接触表面的10%时，聚脲弹性体涂层吸能效率大大降低，墙体从中心位置和四角开始破坏，呈现剪切破坏模式，同时聚脲弹性体涂层可以通过吸收应变能来提高墙体的抗爆能力。Gu等[29]模拟了不同聚脲弹性体涂层厚度和不同加固方式下的砌体墙在爆炸荷载作用下的破坏情况，发现随着涂层厚度的增加，墙体的最大位移减少，说明墙体的抗爆能力逐渐增强；此外，随着聚脲弹性体涂层厚度的增加，墙体变形量减少，涂层的内能降低，墙体通过砂浆或砖的破坏吸收了更多的能量；同时通过数值模拟发现双面喷涂聚脲弹性体的砌体墙的抗爆能力相较于单面加固或者未加固的砌体墙更好。

2.2 在钢结构中

目前，在钢结构防护应用中，聚脲弹性体材料因其良好的吸能特性成为该领域研究热点，国内外众多专家和学者对此进行了大量研究。

Ackland等[30]研究了爆炸荷载下聚脲弹性体涂层对钢板破坏的影响，试验结果表明与相同面密度的有聚脲弹性体涂层的钢板相比，裸钢板最有效地耗散了爆炸能量，从而使钢板变形最小，而有聚脲弹性体涂层的钢板会引起较大的残余板变形，而残余变形随涂层厚度的增加而增加。对于双面涂覆的钢板，Samiee等[31]对有无聚脲涂层的圆形钢板的动态响应和变形情况进行了仿真分析，结果表明有聚脲弹性体涂层的钢板的抗爆能力要优于无涂层防护的钢板，同时在背爆面涂覆聚脲弹性体涂层钢板表现出比迎爆面涂覆和无涂层钢板2种情况更好的抗爆炸破坏的能力，并且随着聚脲弹性体涂层厚度的增加，抗爆能力的差异变得更加明显。在上述试验的基础上，Amini等[32]通过弹丸撞击受限的水层或软质聚氨酯层，继而传递脉冲并加载由中空钢瓶支撑的样品来模拟爆炸荷载对钢制样品的影响，结果表明当将聚脲弹性体层浇铸在正面(迎爆面)上时，其存在会在最初的电击效应期间促进破坏。在脉冲压力下，聚脲弹性体层的刚度会大大增加，达到了与钢更好的阻抗匹配，从而增加了传递到板上的能量。另一方面，当将聚脲弹性体浇铸到背面上(背爆面)时，初始冲击首先将钢板加载，然后一部分冲击由于聚脲层的粘弹性而被聚脲层吸收并消散。在钢板的背爆面涂覆聚脲弹性体层的抗爆效果相较于迎爆面更好。对于水下爆炸而言，甘云丹[33]模拟了不同爆距下聚脲弹性体涂覆钢板水下爆炸试验，结果表明聚脲弹性体涂覆的钢板相比于无聚脲弹性体涂层的钢板的抗爆能力强；并且通过不同涂覆方式的软件模拟发现，背爆面涂覆聚脲弹性体的钢板要比迎爆面涂覆和双面涂覆的钢板的抗爆能力强；同时对不同聚脲弹性体涂层厚度的数值模拟发现，随着聚脲弹性体涂层厚度的增加，钢板的抗爆能力并没有显著增强，在实际工程中需要根据不同情况选择不同的涂层厚度。同样Dai等[34]进行了有无聚脲弹性体涂层的钢板水下爆炸试验，发现无聚脲弹性体涂层钢板在水下爆炸后呈现花瓣状破裂；迎爆面涂覆聚脲弹性体在水下爆炸后，钢板没有破裂而是在钢板中心出现圆形的脱胶区域；背爆面涂覆聚脲水下爆炸后钢板表面聚脲弹性体层出现剥离并破碎；同时通过试验得出了有无聚脲弹性体层钢板水下爆炸试验结果，发现聚脲涂层可有效减轻断裂或降低钢板的变形，并且随着聚脲涂层厚度的增加，钢板最大挠度减小，钢板破坏减轻，由上可知聚脲弹性体涂层可以提高钢板的水下抗爆能力。

另外，Chen[35]用数值模拟的方法来评估聚脲弹性体涂层钢结构在极端事件下的结构性能，发现适当的聚脲弹性体涂层厚度和粘结强度对于防止钢结构损坏是至关重要的，通过涂层钢板和未涂层钢板之间的动能比较，得到聚脲弹性体是一种有效的能量吸收材料，可以用于钢结构的防护涂层。研究表明，相较于在钢板表面涂覆聚脲弹性体，聚脲弹性体 - 钢板夹层结构的抗爆效果会更好，翟文等[36]运用数值模拟的方法对聚脲弹性体 - 钢板夹层结构进行不同工况下抗爆性能研究，分析了夹层结构的变形特点与吸能特性，发现聚脲弹性体可以吸收爆炸产生的能量，降低钢板的变形，同时在爆炸荷载作用下没有破片产生。戴平仁等[37]运用数值模拟的方法研究了聚脲弹性体作为夹层的靶板的抗爆性能，发现在钢板迎爆面喷涂聚脲弹性体爆炸后会发生大面积失效，在背爆面容易发生韧性断裂，与其他结构相比聚脲弹性体作为夹层构成的“三明治”结构的靶板抵抗变形能力更强，靶板的整体性较完整，抗爆能力更好。在上述的研究中可以知道，聚脲弹性体夹层结构的抗爆效果更好，在此基础上，王小伟等[38]考虑了复合夹层结构厚度和质量固定2种情况，应用LS - DYNA有限元软件，模拟了不同的聚脲弹性体夹层厚度对复合夹层结构在爆炸荷载下的动态响应，得到了在不同条件下5种复合夹层结构的变形情况。结果显示：当厚度固定时，随着聚脲弹性体夹层的厚度逐渐减小，底面板最大轴向变形逐渐减少，径向变形先增大后减小，抗爆能力先增强后减弱，当聚脲弹性体夹层厚度为1.2 cm时，抗爆能力最好；同样，当总质量一定时，当聚脲弹性体厚度为3.5 cm时，结构抗爆能力最强。

此外，为了研究不同约束条件对于聚脲弹性体涂覆钢板的抗爆能力影响，王殿玺等[39]利用有限元软件模拟了不同爆心距、炸药量、聚脲弹性体层厚度对钢板变形的影响，图4中可以看出，当聚脲弹性体厚度相同、炸药质量不变时，随着炸药质心与钢板之间距离的增加，钢板的最大位移近似呈指数形式递减，拟合公式如图4；由图5可以发现，在保持其他变量不变的情况下，随着炸药量的逐渐增加，钢板中心区域的最大位移近似呈线性增加趋势，拟合公式如图5；图6中，在保持其他变量不变的情况下，随着涂覆在钢板背面聚脲涂层厚度的增加，钢板的最大位移近似呈线性减小趋势，拟合公式如图6。

赵鹏铎等[40]针对聚脲弹性体涂覆箱体结构的抗爆性能进行了研究，可以得到相较于无聚脲弹性体涂层箱体结构，有聚脲弹性体涂层防护的箱体结构变形较小，抗爆能力提高；同时由图7也可以看出，工况1中箱体结构破坏严重，裂口较大，而工况2、工况3中有聚脲弹性体涂覆的箱体结构整体性保持良好，变形程度有所改善；等厚钢板箱体结构涂覆聚脲弹性体后其结构抗爆性能得到明显提高，且在外壁面涂覆聚脲弹性体的箱体结构抗爆效果优于内壁面涂覆聚脲。

综上所述，在砌体结构和钢结构的爆炸过程中，聚脲弹性体可以通过自身良好的黏弹性和吸能特性，吸收大量爆炸荷载并包裹结构碎片，减少结构的破坏变形，提高其抗爆能力。在此基础上，通过改变聚脲弹性体涂层厚度、涂覆方式等条件来研究聚脲弹性体涂层在爆炸荷载作用下对结构的影响，研究结果表明，对于砌体结构，双面涂覆或背爆面涂覆的抗爆效果由于迎爆面；对于钢结构，聚脲弹性体作为夹层，适当的厚度时抗爆效果更优，其次是背爆面涂覆聚脲。改变聚脲弹性体涂层的厚度可以改善涂覆聚脲弹性体结构的抗爆能力，但也不宜过厚，对于钢结构来说，当涂层厚度是钢板厚度5～10倍时，结构抗爆效果最好。

3 结 语

聚脲弹性体作为涂层或夹层应用于爆炸防护结构，可以极大地增强结构的抗爆能力，大量研究表明：聚脲弹性体涂层可以更好地防止砌体结构和钢结构的破坏变形，同时减少结构爆炸碎片，防止造成二次伤害。随着近年来聚脲应用于爆炸防护中的发展，结合发展现状，有以下几点展望：

(1)目前缺乏聚脲弹性体作为防护涂层的爆炸理论研究，无法明确知道在爆炸荷载作用下聚脲弹性体的吸能机理，加强理论研究可以有效提高聚脲弹性体用于防护涂层的应用性。

(2)聚脲弹性体应用于防护结构中，在受到爆炸荷载后，会发生剥离现象，大大减弱聚脲弹性体涂层的抗爆效果，所以研究聚脲弹性体的附着界面结构和附着力是至关重要的，可以通过改性聚脲弹性体或其他方法加强聚脲弹性体与防护结构之间的粘结，有待进一步深入研究。

(3)目前的抗爆研究，多通过ANASYS/LS - DYNA有限元软件进行模拟试验，需要了解实际工程中大多数材料及构件的各种参数，进一步深层次研究优化材料参数和工程结构，来应对更多复杂的抗爆试验研究。