聚脲材料防爆手套的研制與性能評(píng)價(jià)

劉 巍 周 建 鮑蓓蕾 劉玉軍 邱 燁 孔維恒

(1.中國(guó)海關(guān)科學(xué)技術(shù)研究中心，北京 100026；2.山西聚脲防護(hù)材料有限公司，太原 030032)

制造爆炸現(xiàn)象是犯罪分子破壞社會(huì)公共安全，危害人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要手段之一，其后果非常嚴(yán)重。針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)可疑郵寄物，研發(fā)適用于多種風(fēng)險(xiǎn)因子并存環(huán)境下使用的防護(hù)裝備極為重要。

聚脲具有優(yōu)異的防水性、耐老化性、抗紫外線、防止老化、變色等性能，可應(yīng)用于高檔建筑物的屋頂防水;聚脲材料還具有優(yōu)異的耐磨、消音、降噪性，其耐磨性是碳鋼的10倍，環(huán)氧樹(shù)脂的3～5倍,可用于經(jīng)常有人走、車(chē)輛活動(dòng)多的工業(yè)重載地坪地下車(chē)庫(kù)地面、工業(yè)廠房地面，體育場(chǎng)看臺(tái)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地面等[1,2]。作為防彈和防爆材料，聚脲也大有作為。防彈聚脲是一種超硬、超級(jí)堅(jiān)韌的能量吸收材料。當(dāng)子彈擊中涂層時(shí)，硬度迅速提高可以消耗掉大部分能量，網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)可以在背彈面將彈頭兜住，阻止子彈穿透；防爆聚脲是一種超級(jí)堅(jiān)韌的皮膚式涂層，具有強(qiáng)大的吸能轉(zhuǎn)化功能。當(dāng)遇到爆炸沖擊波后，其玻璃化溫度迅速改變，硬度瞬間提高幾十倍，可以承受巨大的爆炸沖擊而不破壞?？捎脕?lái)加強(qiáng)各種軍用基板的防爆能力[3]。例如,裝甲車(chē)輛抗爆組件、軍車(chē)、建筑物結(jié)構(gòu)加固等,能夠防止被保護(hù)基板在遇到爆炸發(fā)生時(shí)產(chǎn)生碎裂和形成碎片，顯著減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[4]。

基于聚脲的優(yōu)異性能，可用其制造防爆手套，作為直接接觸小型可疑爆炸物的防護(hù)裝備，本文研制了聚脲防爆手套的制備方法，并對(duì)其應(yīng)用性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。

1 聚脲材料的制備及工藝控制

1.1 聚脲的制備方法

聚脲作為一種A、B雙組份、無(wú)溶劑、快速固化的彈性材料；A組份是由端氨基或端羥基化合物與異氰酸酯反應(yīng)制得的半預(yù)聚物；B組份是由端氨基樹(shù)脂和端氨基擴(kuò)鏈劑組成的混合物。在生產(chǎn)A 組份時(shí)，為降低能耗，反應(yīng)釜升溫到70℃～90℃之后，開(kāi)啟真空系統(tǒng)，同時(shí)從反應(yīng)釜底部充入氮?dú)?，脫去反?yīng)釜中物料的水分。聚脲A組份脫水時(shí)間由原來(lái)的4小時(shí)減少到0.5～1.5小時(shí)，脫水溫度由原來(lái)的110℃～130℃降低到70℃～90℃，此外，由于脫水溫度降低，A組份不容易變黃，從而提高了產(chǎn)品品質(zhì)。

在生產(chǎn)B組份中，B組份反應(yīng)釜代替拉缸，專門(mén)用于生產(chǎn)聚脲B組份，反應(yīng)釜體積加大到5m3；聚脲B組份4小時(shí)可生產(chǎn)5m3，提高了生產(chǎn)效率。

1.2 生產(chǎn)工藝

(1)A組份的生產(chǎn)工藝：

反應(yīng)釜內(nèi)加入按質(zhì)量比為40～50份，分子量1500～2500，官能度為2的聚氧化丙烯醚多元醇，8～10份鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)。DINP是一種增塑劑，而多元醇將與要加入的異氰酸酯反應(yīng)，生成含異氰酸酯根的預(yù)聚體；

反應(yīng)釜升溫到70℃～90℃之后，開(kāi)啟真空系統(tǒng)，同時(shí)從反應(yīng)釜底部充入氮?dú)猓撊シ磻?yīng)釜中物料的水分。0.5～1小時(shí)后，反應(yīng)釜中物料水分檢測(cè)小于0.05%后，降溫到40℃～70℃，加入20～25份4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(4,4′-MDI)，15～26份2,4′-二苯甲烷二異氰酸酯(2,4′-MDI)。在60℃～90℃溫度下反應(yīng)1.5～4.5小時(shí)后，降溫至60℃以下，過(guò)濾，出料包裝。工藝流程見(jiàn)圖1。

(2)B組份的生產(chǎn)工藝：

反應(yīng)釜內(nèi)加入分子量1500～2000、官能度為2的聚氨酯基聚醚，分子量300～500、官能度為2的聚氨酯基聚醚，防分色助劑；分子量1500～2500、官能度為2的聚氨酯基聚醚50～55份、分子量300～500、官能度為2的聚氨酯基聚醚3～5份，防分色助劑0.01～0.05份。開(kāi)啟攪拌系統(tǒng)，調(diào)轉(zhuǎn)速至300～600轉(zhuǎn)/分。在此轉(zhuǎn)速下，加入0.1～0.5份脫水劑，調(diào)轉(zhuǎn)速至900～1200轉(zhuǎn)/分，高速分散30～35分鐘。

然后依次加入分子量150～200、官能度為2的胺擴(kuò)鏈劑、分子量280～330、官能度為2的胺擴(kuò)鏈劑、紫外線吸收劑、消泡劑、增塑劑、潤(rùn)濕分散劑、金紅石型鈦白粉、黑色漿、分子量4000～6000、官能度為3的端氨基聚醚到反應(yīng)釜內(nèi)，攪拌30～35分鐘至充分?jǐn)嚢杈鶆?。?00目過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾，充氮密封包裝。工藝流程見(jiàn)圖2。

圖2 B組分工藝流程

2 聚脲防爆手套的制備

與常規(guī)聚脲材料相比，聚脲防爆材料的防爆破機(jī)理非常復(fù)雜，對(duì)拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能要求較高。通過(guò)對(duì)軟段種類，相對(duì)分子質(zhì)量、硬段含量及異氰酸酯指數(shù)等因素研究后，聚脲防爆手套的制備采用以下工藝流程。

(1)聚脲材料的調(diào)制

聚脲材料的分子主鏈?zhǔn)怯扇嵝枣湺?軟段)和剛性鏈段(硬段)交替組成的嵌段共聚物，其中硬段包括脲鍵和氨酯鍵。硬段與軟段在熱力學(xué)上的不相容性產(chǎn)生了微相分離，微相分離結(jié)構(gòu)賦予了聚脲材料優(yōu)異的物理和機(jī)械性能。軟段提供韌性和彈性，硬段貢獻(xiàn)剛性和強(qiáng)度。調(diào)整B組份中端氨基擴(kuò)鏈劑添加量，使材料中軟段分子增加，這對(duì)于聚脲彈性體的防爆性能起著關(guān)鍵作用。同時(shí)根據(jù)防爆手套的特點(diǎn)，對(duì)材料的柔性要求很高，因此研制時(shí)大幅增加了端氨基擴(kuò)鏈劑的使用量。

(2)聚脲材料硬度的確定

根據(jù)端氨基擴(kuò)鏈劑使用量的不同，制備5種聚脲材料，涂布于織物表面，干燥后考察涂層織物的硬度，根據(jù)防爆手套的使用場(chǎng)景，確定合適的軟硬度。

(3)防爆手套的底涂工藝。

制備A、B兩組分，先將各組分取出少許，在燒杯中混合并快速攪拌，將攪拌均勻的漿料快速涂布于普通針織勞保手套表面，使涂層全面覆蓋手套表面，且使涂層厚度均勻。該工藝使手套表面形成一道薄膜，便于后續(xù)噴涂。涂布后，常溫晾干備用。

(4)防爆手套的噴涂工藝

兩個(gè)組分混合涂布于手套表面，會(huì)快速反應(yīng)固化成為類似橡膠的材料，待表面干后(手指按壓不沾手)進(jìn)行噴涂。

AB兩種液體在專用噴槍內(nèi)高溫(70℃)高壓(150～170公斤)快速撞擊混合，快速噴涂到已經(jīng)過(guò)底涂的手套表面，使涂層均勻。制備3種不同厚度手套，人工試用，選擇合適的厚度[5]。

(5)風(fēng)化干燥

噴涂后的手套，常溫室內(nèi)放置7天，AB兩種材料進(jìn)一步反應(yīng)，最終達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)(成品如圖3)。

圖3 風(fēng)化干燥完成的防爆手套成品

3 成品性能的測(cè)試

由于防暴手套這樣的柔性物質(zhì)，防暴效果很難測(cè)試，我們尋找了替代方法。項(xiàng)目組定制了5只氣球，并對(duì)這些氣球進(jìn)行了均勻性檢驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)用移液槍向氣球內(nèi)定量加注3mL蒸餾水并進(jìn)行封閉。在專業(yè)爆炸測(cè)試場(chǎng)地用20克黑火藥進(jìn)行爆炸測(cè)試(相當(dāng)于12克TNT當(dāng)量)。在一定距離下當(dāng)5只氣球均被爆破，記錄此時(shí)氣球頂點(diǎn)距爆炸點(diǎn)的距離。測(cè)試結(jié)果如下：

(1)無(wú)防護(hù)情況下，50cm時(shí)，5只氣球均被爆破(據(jù)長(zhǎng)期從事煙花爆竹測(cè)試人員評(píng)估，此時(shí)會(huì)使人體造成嚴(yán)重傷害)；

(2)將注水后的氣球置于普通勞動(dòng)保護(hù)手套內(nèi)，30cm時(shí)，5只氣球均被爆破；

(3)將注水后的氣球置于本項(xiàng)目研制的兩種防爆手套內(nèi)，20cm時(shí)，部分氣球才會(huì)被爆破；

(4)將注水后的氣球置于本項(xiàng)目研制的兩種防爆手套內(nèi)，15cm時(shí)，5只氣球才會(huì)全部被爆破。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目研制的兩種防暴手套，均對(duì)爆炸物有相當(dāng)?shù)姆雷o(hù)效果。發(fā)現(xiàn)可疑爆炸物且必須人工開(kāi)啟包裝時(shí)(此時(shí)一般為小包裝，大包裝可使用機(jī)械臂拆包)，只要借助長(zhǎng)度20cm以上的工具，如長(zhǎng)柄鉗子、改錐等即可有效保護(hù)拆包人員不受?chē)?yán)重傷害。