聚脲彈性體與不同底材的粘接性能

馮永強(qiáng)，陳強(qiáng)，李海柱，張君，孫有利，儀海霞，孫佳春

(1.濟(jì)南北方泰和新材料有限公司，濟(jì)南 250033； 2.濟(jì)南市膠粘劑工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250033； 3.山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250031)

噴涂聚脲彈性體技術(shù)是一種新型無(wú)溶劑、環(huán)保的綠色噴涂施工技術(shù)，其應(yīng)用范圍廣泛，是繼高固體份涂料、水性涂料、光固化涂料、粉末涂料等技術(shù)之后又一種新的無(wú)污染的涂料技術(shù)，近十幾年來(lái)發(fā)展迅速。聚脲彈性體是由二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)半預(yù)聚體、端氨基聚醚、胺擴(kuò)鏈劑、色漿、功能填料等原料，經(jīng)專用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)噴涂而成。該涂料固化快，20 s內(nèi)凝膠，立面連續(xù)噴涂不流掛；固化后涂層富有彈性、吸能，同時(shí)具有拉伸強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率大、抗沖擊性和耐磨性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，另外其耐候性、耐低溫性好且抗化學(xué)腐蝕，是一種集橡膠與涂料等優(yōu)點(diǎn)于一身、集防腐與防護(hù)于一體的高新技術(shù)材料[1]。聚脲彈性體在化工防腐、管道、建筑、艦船、水利、交通、機(jī)械、礦山耐磨，以及軍事領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

由于噴涂聚脲彈性體具有優(yōu)良的力學(xué)性能和綠色、快捷的施工工藝，許多文獻(xiàn)對(duì)噴涂聚脲彈性體在防爆抗沖擊[2-4]、防水[5-6]、防腐[7-9]、耐磨[10]、快速修復(fù)[11]等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。戴平仁等[2]運(yùn)用數(shù)值模擬研究了聚脲彈性體對(duì)靶板抗爆性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚脲彈性體與鋼板形成“三明治”夾層靶板結(jié)構(gòu)時(shí)，靶板的抗爆性能最好，而且中間層聚脲彈性體的厚度越大，靶板的背壓越小。王小偉等[3]應(yīng)用LS-DYNA有限元軟件，研究了聚脲彈性體復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)的防爆性能，分別在總厚度固定和總質(zhì)量固定的條件下，得出了鋼板/聚脲彈性體/鋼板結(jié)構(gòu)最佳的三層厚度比。黃微波等[4]綜述了噴涂聚脲彈性體抗爆抗沖擊研究進(jìn)展，指出了目前研究存在的問題以及今后的發(fā)展方向。王玉杰[5]研究了噴涂聚脲彈性體作為防水材料在高鐵橋面防水涂層中的應(yīng)用，并針對(duì)混凝土底材施工進(jìn)行了底漆優(yōu)化。張燕[7]介紹了噴涂聚脲彈性體在軍事永久工程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土防腐蝕的應(yīng)用和質(zhì)量控制措施。上述所有的應(yīng)用都是噴涂聚脲彈性體附著在底材上發(fā)揮作用的，因此，噴涂聚脲彈性體與底材的粘接性能顯得尤為重要。筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究初步探討了采用不同種類的底漆和不同的底材處理方式對(duì)聚脲彈性體與底材粘接性能的影響。研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)特殊的底材處理和嚴(yán)格的施工工藝處理，聚脲彈性體對(duì)鋼、鋁、混凝土、橡膠、復(fù)合材料等多種底材都能具有良好的粘接性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原材料

聚脲彈性體涂料：WS T-5043，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司；

底漆：WS D110 [單組分聚氨酯(PUR)]，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司；

底漆：Qtech-113 (雙組分PUR)，青島沙木新材料有限公司；

底漆：WS D111 (雙組分環(huán)氧)，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司；

單組分PUR：WS T80，濟(jì)南北方泰和新材料有限公司；

三元乙丙橡膠和天然橡膠：衡水中鐵建工程橡膠有限責(zé)任公司；

環(huán)氧樹脂玻璃鋼和乙烯基樹脂玻璃鋼：山東非金屬材料研究所；

橡膠表面處理劑(三氯異氰尿酸溶液)：濟(jì)南北方泰和新材料有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

高壓反應(yīng)噴涂機(jī)：GRACO H-XP3型，美國(guó)固瑞克公司；

噴槍：GX-7-400型，美國(guó)固瑞克公司；

電子拉力機(jī)(涂層附著力測(cè)試儀)：WDW-5KN型，濟(jì)南翰森精密儀器有限公司。

1.3 試樣制備

(1)金屬底材的試樣制備。

①底材處理。

參照GB/T 5210-2006，采用的鋼底材為直徑20 mm、高度30 mm的45#鋼制圓柱體，采用的鋁底材為直徑20 mm、高度30 mm的鋁制圓柱體。將試驗(yàn)用鋼制或鋁制圓柱體的一個(gè)圓端面進(jìn)行噴砂處理，處理至Sa2.5級(jí)，再用毛刷蘸丙酮清潔噴砂表面，并晾干。

上述金屬底材各自使用不同類型的底漆。用毛刷蘸底漆，在金屬底材處理及清潔后的表面涂刷底漆，單組分PUR底漆一般涂刷后晾置3～6 h至表干再噴涂聚脲，雙組分PUR和雙組分環(huán)氧底漆一般涂刷后晾置1～2 h至表干再噴涂聚脲，底漆厚度控制在20～40 μm。

②制樣。

將WS T-5043聚脲彈性體(拉伸強(qiáng)度23 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率400%，凝膠時(shí)間29 s)均勻噴涂在涂有底漆的若干個(gè)金屬試柱粘接面上，涂層厚度約1 mm，每?jī)蓚€(gè)金屬試柱1組，迅速將2個(gè)金屬試柱的粘接面對(duì)接在一起，軸心對(duì)齊，必要時(shí)使用膠帶固定，避免涂料固化前每組試樣的兩個(gè)試柱之間發(fā)生軸向偏移。試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d。

(2)混凝土底材的試樣制備。

①底材處理。

參照GB/T 16777-2008，制備8字形水泥砂漿塊作為混凝土底材試樣，試樣的粘接面為22.5 mm×22.2 mm的矩形，將粘接面用高壓水沖洗干凈并烘干。

采用雙組分環(huán)氧作為封閉底漆，在粘接面涂刷底漆，晾置1～2 h至表干再噴涂聚脲，底漆厚度控制在20～40 μm。

②制樣。

混凝土底材試樣的底漆表干后，在試樣上噴涂WS T-5043聚脲涂料，快速將每對(duì)試樣的兩個(gè)粘接面對(duì)壓在一起，試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d。

(3)橡膠和玻璃鋼底材的試樣制備。

①底材處理。

由于玻璃鋼和橡膠不易制成拉拔方式的測(cè)試試樣，參照GB/T 2790-1995和GB/T 15254-1994制備剝離方式的測(cè)試試樣。制備玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和玻纖增強(qiáng)乙烯基樹脂復(fù)合材料2種玻璃鋼底材試樣，以及三元乙丙橡膠和天然橡膠兩種橡膠底材試樣，試樣尺寸為200 mm×25 mm的樣條，厚度為3 mm。將玻璃鋼底材的粘接面用80#紗布打磨粗糙，用丙酮將粘接面擦拭干凈并晾干；將橡膠底材的粘接面用三氯異氰尿酸溶液進(jìn)行表面氯化處理。

對(duì)于玻璃鋼底材，選擇無(wú)底漆、單組分PUR底漆和雙組分PUR底漆分別進(jìn)行粘接性能試驗(yàn)，單組分PUR底漆一般涂刷后晾置3～6 h至表干再噴涂聚脲，雙組分PUR底漆一般涂刷后晾置1～2 h至表干再噴涂聚脲，底漆厚度控制在20～40 μm；對(duì)于橡膠底材，選取單組分PUR底漆(WS T80)進(jìn)行粘接性能試驗(yàn)，在粘接面涂刷底漆后晾置20～30 min至表干，底漆厚度控制在20～40 μm。

②制樣。

無(wú)底漆處理的玻璃鋼基材在打磨預(yù)處理后直接在基材的打磨面噴涂聚脲彈性體；有底漆處理的玻璃鋼基材和橡膠基材需等待底漆表干后在樣板上噴涂聚脲彈性體，所有試樣在室溫下養(yǎng)護(hù)7 d。

1.4 性能測(cè)試

將養(yǎng)護(hù)好的金屬底材試樣參照GB/T 5210-2006進(jìn)行涂層附著力試驗(yàn)，以附著力代表聚脲彈性體與金屬底材的粘接性能；將養(yǎng)護(hù)好的混凝土底材試樣參照GB/T 16777-2008進(jìn)行粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試，以粘結(jié)強(qiáng)度代表聚脲彈性體與混凝土底材的粘接性能；將養(yǎng)護(hù)好的橡膠底材試樣按照GB/T 15254-1994進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試，以剝離強(qiáng)度代表聚脲彈性體與橡膠底材的粘接性能；將養(yǎng)護(hù)好的玻璃鋼底材試樣按照GB/T 2790-1995進(jìn)行剝離強(qiáng)度測(cè)試，以剝離強(qiáng)度代表聚脲彈性體與玻璃鋼底材的粘接性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚脲彈性體粘接機(jī)理

由于聚脲彈性體凝膠速度快，當(dāng)聚脲噴涂至底材后迅速固化成膜，對(duì)底材沒有滲透性，當(dāng)聚脲材料直接噴涂在未處理的各種底材上時(shí)，與底材粘接性能都很差[12]。為提高聚脲彈性體與底材的粘接性能，底材的處理與底漆的使用非常重要。

底漆(也稱底涂)是介于聚脲彈性體表面與底材表面之間，將兩表面牢固結(jié)合起來(lái)的一種特殊膠黏劑。一般來(lái)說(shuō)，固體材料的粘接需要滿足兩個(gè)必要條件：一是液體膠黏劑可以在固體材料表面完全鋪展，浸潤(rùn)充分；二是對(duì)固體材料表面的“薄弱界面層”通過(guò)物理或化學(xué)的方法進(jìn)行清除，并賦予一定的粗糙度[13]。聚脲彈性體通過(guò)底漆與底材粘接，主要表現(xiàn)為兩種方式：物理吸附和化學(xué)吸附。物理吸附為聚脲涂料與底材凹凸面的物理咬合、氫鍵的吸附連接；化學(xué)吸附為聚脲涂料與底材存在化學(xué)反應(yīng)，涂料與底材間通過(guò)化學(xué)鍵實(shí)現(xiàn)連接。其中，底漆的化學(xué)吸附對(duì)涂層粘接性能起到?jīng)Q定性的作用。一方面底漆要與底材發(fā)生化學(xué)吸附，另一方面底漆又要有足夠的活性能夠與聚脲涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在底材與聚脲涂層間，底漆起到嫁接橋梁的作用，實(shí)現(xiàn)底材與聚脲彈性體間有效粘接。

2.2 聚脲彈性體與金屬的粘接性能分析

金屬、玻璃等物質(zhì)表面張力很高，屬于高能表面，金屬底材用底漆一般分環(huán)氧和PUR兩種。在PUR或環(huán)氧底漆中，含有內(nèi)聚能較高的極性基團(tuán)和高活性基團(tuán)，在粘接面上聚集，形成高表面張力膠粘層。同時(shí)，聚脲材料中含有內(nèi)聚能較高的脲鍵和活性基團(tuán)，可與底漆中的活性基團(tuán)產(chǎn)生物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)聚脲材料與金屬底材間的有效粘接。此外，因?yàn)橐恍┘庸?、使用等原因，通常情況下鋼材表面很容易存在油污和銹蝕，或是舊的漆膜，這就需要對(duì)鋼材進(jìn)行預(yù)處理，以提高新涂層的附著力。在實(shí)際工程中，鋼底材表面處理通常包括兩個(gè)方面：除油和除銹。除油常用的方法是溶劑清洗，利用有機(jī)溶劑對(duì)油污的溶解能力來(lái)清除，該方法除油效率高，可清除各種油污；除銹最好的方式是拋丸噴砂處理，正常操作下可以得到清潔、干燥、錨狀凹陷的粗糙表面，由于處理后大大增加了表面積，能夠顯著增強(qiáng)附著力。鋁材表面有惰性的氧化鋁，需要對(duì)其進(jìn)行噴砂、打磨等表面處理后，才能獲得與聚脲材料較好的粘接。

分別對(duì)鋼和鋁采用不同的底材處理方法，不同的底漆類型，對(duì)比了聚脲彈性體與這些處理后的鋼與鋁的附著力，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1測(cè)試結(jié)果表明，鋼與鋁經(jīng)過(guò)表面清潔后，聚脲彈性體附著力較低，而噴砂處理后，聚脲彈性體附著力明顯提升，聚脲彈性體與鋼的附著力是表面清潔的4倍多，聚脲彈性體與鋁的附著力是表面清潔的3倍多。經(jīng)過(guò)噴砂/清潔/涂底漆處理后，聚脲彈性體在鋼與鋁表面的附著力比單純噴砂處理又有明顯提高，不同型號(hào)底漆對(duì)附著力效果也不同。使用雙組分環(huán)氧(WS D111)底漆時(shí)，聚脲彈性體在鋁表面的附著力最好，可達(dá)到9.2 MPa；使用單組分PUR (WS D110)底漆時(shí)，聚脲彈性體在鋼表面的附著力達(dá)到最高值15.2 MPa。因此，金屬底材經(jīng)過(guò)噴砂/清潔/涂底漆處理，聚脲彈性體的附著力可達(dá)到較好效果。

表1 聚脲彈性體與金屬底材的附著力 MPa

2.3 聚脲彈性體與混凝土的粘接性能分析

混凝土表面含有液體或固體雜質(zhì)以及在施工過(guò)程中形成的一些缺陷，必須加以處理，以免影響聚脲彈性體與混凝土的粘接性能。清除混凝土表面雜質(zhì)和缺陷的方法很多，國(guó)內(nèi)外目前采用物理法和化學(xué)法進(jìn)行處理，物理法有蒸汽清理、拋丸、噴砂、真空吸塵、高壓氣吹洗和高壓水沖洗等方法，化學(xué)法有酸蝕、化學(xué)剝離等方法?；炷劣泻芏辔⒖?，混凝土表面噴涂聚脲彈性體時(shí)需要使用專門的底漆。底漆的主要作用有兩個(gè)：一是對(duì)混凝土底材的毛細(xì)微孔進(jìn)行封閉，避免微孔中的空氣和水分與聚脲材料發(fā)生反應(yīng)出現(xiàn)鼓泡和針孔現(xiàn)象；二是底漆可以起到混凝土與聚脲彈性體之間的“架橋”作用，增強(qiáng)聚脲涂層與混凝土底材的粘結(jié)強(qiáng)度[1]。分別采用不同方式對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，觀察不同處理方法對(duì)聚脲彈性體粘結(jié)強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表2。

由表2結(jié)果可知，與表面潮濕相比，混凝土表面干燥時(shí)，聚脲彈性體的粘結(jié)強(qiáng)度更高；使用雙組分環(huán)氧(WS D111)底漆后，混凝土無(wú)論是干燥表面還是潮濕表面，聚脲彈性體的粘結(jié)強(qiáng)度都比不使用底漆時(shí)增大；在涂底漆并且表面干燥的條件下，聚脲彈性體在混凝土表面的粘結(jié)強(qiáng)度最高，為3.2 MPa。混凝土在干燥表面時(shí)，聚脲彈性體的粘結(jié)強(qiáng)度由不涂底漆時(shí)的2.2 MPa提升到了涂底漆后的3.2 MPa，升高了45.5%。因此，對(duì)于混凝土底材，底漆對(duì)提高聚脲彈性體的粘結(jié)強(qiáng)度有顯著作用。

表2 聚脲彈性體與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度 MPa

2.4 聚脲彈性體與橡膠的粘接性能分析

橡膠材料屬于低表面能材料，具有不易附著的涂裝特性，需要進(jìn)行特殊的表面處理。橡膠的表面處理方法主要有化學(xué)改性和物理改性，包括在橡膠表面引入極性基團(tuán)、提高表面能和表面粗糙度，以及消除表面弱界面層等方法，如橡膠表面打磨處理，提高橡膠表面粗糙度，增大與聚脲彈性體的實(shí)際粘接面積。采用三氯異氰尿酸處理橡膠表面，既可以在橡膠表面引入極性基團(tuán)，又能提高表面粗糙度，從而提高粘接性[14]。橡膠表面經(jīng)過(guò)表面處理劑處理以后，能夠產(chǎn)生羧基等極性分子，可以采用單組分PUR底漆，與羧基等發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，從而提高聚脲彈性體與橡膠的粘接性能。分別采用了3種不同的處理方法對(duì)橡膠底材進(jìn)行預(yù)處理，且都涂刷了單組分PUR底漆，考察了聚脲彈性體與橡膠的剝離強(qiáng)度，具體結(jié)果見表3。

表3 聚脲彈性體與橡膠的剝離強(qiáng)度 kN/m

由表3結(jié)果可知，三元乙丙橡膠和天然橡膠分別經(jīng)過(guò)表面打磨/底漆處理和表面氯化/底漆處理后，聚脲彈性體與橡膠的剝離強(qiáng)度差異非常大，經(jīng)表面氯化/底漆處理后的剝離強(qiáng)度明顯更高，這是由于，表面氯化處理后，橡膠表面極性增大，更有利于底漆的潤(rùn)濕和附著，使橡膠表面層的強(qiáng)度增大，更有利于聚脲彈性體的粘接性能提高。

2.5 聚脲彈性體與玻璃鋼的粘接性能分析

玻璃鋼也屬于低表面能材料，其表面有脫模劑、純樹脂層等薄弱界面層，需要進(jìn)行特殊的表面處理。玻璃鋼表面處理的方法，一般先采用機(jī)械或手工的方式，將表面打磨粗糙，然后再采用有機(jī)溶劑將表面影響涂層附著力的化學(xué)物質(zhì)及灰塵污物清除掉。玻璃鋼制品在使用過(guò)程中，受到外力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大形變，因此底漆的使用選擇柔性PUR底漆，玻璃鋼表面的極性基團(tuán)可以與PUR底漆中的氨酯鍵、酯鍵、醚鍵等基團(tuán)形成氫鍵，形成有一定強(qiáng)度的接頭。分別對(duì)環(huán)氧樹脂玻璃鋼和乙烯基樹脂玻璃鋼進(jìn)行了預(yù)處理，分析不同處理方法對(duì)聚脲彈性體與玻璃鋼剝離強(qiáng)度的影響，具體結(jié)果見表4。

表4 聚脲彈性體與玻璃鋼的剝離強(qiáng)度 kN/m

由表4可知，無(wú)論是環(huán)氧樹脂玻璃鋼還是乙烯基樹脂玻璃鋼，單純的打磨處理，無(wú)底漆涂覆時(shí)，聚脲彈性體與玻璃鋼的剝離強(qiáng)度很低，玻璃鋼表層容易剝落。而經(jīng)過(guò)涂底漆后，聚脲彈性體與玻璃鋼的剝離強(qiáng)度明顯提升，環(huán)氧樹脂玻璃鋼最高可達(dá)到10.3 kN/m，乙烯基樹脂玻璃鋼最高可達(dá)到13.3 kN/m。這兩種達(dá)到最高剝離強(qiáng)度的試樣都是使用的單組分PUR (WS D110)底漆，因?yàn)檫@種單組分PUR底漆與聚脲彈性體之間可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使聚脲彈性體與底漆之間形成化學(xué)鍵合，提升附著力。

需要特別指出的是，對(duì)于玻璃鋼(環(huán)氧和乙烯基樹脂)底材，涂刷底漆可以顯著提高玻璃鋼與底材的粘接性能，圖1至圖3分別是未涂覆底漆和涂覆底漆的環(huán)氧樹脂玻璃鋼底材，以及涂覆底漆的乙烯基樹脂玻璃鋼底材的破壞情況。從圖1、圖2和圖3可以看出，當(dāng)玻璃鋼表面未涂覆底漆時(shí)，由于玻璃鋼材料表層層間粘接的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于聚脲涂料與玻璃鋼表面的強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)為玻璃鋼表面第一層分層被聚脲剝落。當(dāng)玻璃鋼表面涂覆底漆后，底漆可以浸透到玻璃鋼表層以下若干層，通過(guò)兩者之間的滲透和氫鍵作用使底漆和玻璃鋼表層形成堅(jiān)固的一體，顯著提高了玻璃鋼表層的層間粘接性能，間接提高了聚脲材料與玻璃鋼之間的粘接性能，測(cè)試結(jié)果表現(xiàn)為玻璃鋼底材破壞或聚脲本體破壞。

圖1 未涂覆底漆的環(huán)氧樹脂玻璃鋼底材，底材表層剝落

圖2 涂覆底漆的環(huán)氧樹脂玻璃鋼底材，底材本體破壞

圖3 涂覆底漆的乙烯基樹脂玻璃鋼底材，聚脲本體破壞(斷裂)

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)特殊的底材處理和嚴(yán)格的施工工藝處理，聚脲彈性體與鋼、鋁、混凝土、橡膠、復(fù)合材料等多種底材都能具有良好的粘接性能。涂覆專用底漆，能夠大大提高聚脲彈性體與底材的粘接性能。

(2)聚脲彈性體與鋼材的附著力大于對(duì)鋁材的附著力，這與鋁材的表面能比鋼材表面能小有關(guān)；聚脲彈性體與金屬材料的粘接性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，這與底材的種類有關(guān)，也與底材本身的強(qiáng)度有關(guān)。

(3)對(duì)于橡膠和玻璃鋼等低表面能材料的粘接，必須進(jìn)行特殊的表面處理和涂覆底漆。橡膠通過(guò)氯化處理，在橡膠表面引入了極性基團(tuán)，同時(shí)提高了表面粗糙度，使聚脲材料與橡膠底材的粘接性能得到大幅提高；玻璃鋼底材表面通過(guò)涂覆PUR底漆，通過(guò)PUR底漆與玻璃鋼底材表面之間的滲透和氫鍵作用，使底漆和玻璃鋼表層形成堅(jiān)固的一體，顯著提高了玻璃鋼表層的層間粘接的強(qiáng)度，間接提高了聚脲材料與玻璃鋼之間的粘接性能。