聚氨酯涂料以其优异的制品性能和加工多样性，成为全球涂料工业近10年来发展快的品种之一。在美国，聚氨酯涂料年平均增长率已达到涂料行业年平均增长率的2 倍，我国聚氨酯涂料年产量已超过20 万t，约占全国涂料总产量的8%~10%，消费总量位居各类涂料总量的第3 位。目前我国生产和使用的聚氨酯涂料，根据涂料的性能和施工要求，溶剂质量分数通常在40% 以上。随着环保意识日益增强，聚氨酯涂料中的溶剂含量也受到了越来越严格地限制，高固含量、低VOC 的聚氨酯涂料体系的研发已成为当前聚氨酯涂料发展的一大趋势。习惯上把固含量>70% 的涂料体系称为高固含量体系，而100% 固含量则是指不含任何挥发性溶剂的体系，它们通常被制成双组分，通过高压无空气喷涂工艺固化成型。近年来，100%固含量双组分体系也可用于手工涂抹甚至浇注成型[1]。100% 固含量聚氨酯和聚脲涂料按照材料性能可分为100% 固含量弹性聚氨酯涂料、100% 固含量弹性聚脲涂料和1 0 0 % 固含量刚性聚氨酯涂料3 类，由于它们具有性能好，对环境危害小等特点，广泛用于防腐防水及地坪铺装等使用环境复杂的场合，满足了涂料在该应用领域的需要。

1 3 种100% 固含量聚氨酯和聚脲涂料的基本组成及性能

表1 和表2 分别示出3 种100% 固含量聚氨酯和聚脲涂料的基本组成和物理机械性能。

1.1 100% 固含量弹性聚氨酯涂料　

100%固含量弹性聚氨酯涂料主要是以低官能度异氰酸酯和低官能度长链多元醇为原料，配方中也可加入少量3 官能度多元醇，扩链剂使用短链多元醇或多元胺。这种涂料于20 世纪60 年代开发，主要因其耐磨性能优良而用作工业地坪和大型钢管的内衬材料。它由溶剂型喷涂聚氨酯弹性体衍生而来，使用无溶剂体系，这一技术拓展了喷涂成型技术的应用范围。弹性聚氨酯涂料的组成核心来自于聚氨酯浇注胶和软质聚氨酯泡沫塑料。事实上，这类涂料在面世初期，人们更多的是把它归类于聚氨酯弹性体而不是涂料[2]。100% 固含量弹性聚氨酯涂料的主要优点是具有优良的弹性和延伸率，缺点是耐碱和耐溶剂性不如普通的防腐涂料，另外它与基材的粘接力也相对较差。从理论上讲，聚氨酯弹性体的性能特征在很大程度上决定于聚合物主链上极性基团的次价键或氢键强度。在弹性聚氨酯涂料的分子结构中，分子间的作用力是依靠大量的次价键建立起来的，特别是由于硬链段(氨基甲酸酯链节)上的N-H是强极性基团，极易与柔性链段(聚醚或聚酯链节)上羰基基团中的氧原子形成氢键，这些硬链段上的次价键和氢键本身具有较强的键合强度，它们往往会在柔性链的聚集区再聚集成硬段区域，而处于这种结构中的次价键和氢键的键合强度则会受到明显削弱，因此涂料在性能上表现为耐化学腐蚀和耐热老化性能下降。另外，研究还发现[3]，100% 固含量弹性聚氨酯涂料与基材的粘接力，明显随柔性长链相对分子质量的增加而下降，这也进一步限制了它们作为防腐防护涂料的使用。事实上，在实际使用弹性聚氨酯涂料之前，都需要预先在基材表面涂布底涂胶，以增加粘接力。

1.2 100% 固含量弹性聚脲涂料

100% 固含量弹性聚脲涂料与100% 固含量弹性聚氨酯涂料的差别在于前者使用聚醚多元胺(即端氨基聚醚)和多元胺扩链剂，而后者使用聚醚多元醇和多元醇(或多元胺)扩链剂。异氰酸酯与氨基化合物反应生成脲键，这是聚脲化合物的主要特征。然而在聚氨酯的主链结构中也常常含有脲基基团，这是由于为改善涂料性能，在聚氨酯的配方中经常需要使用氨基化合物来替代部分甚至全部的多元醇，它既包括替代聚醚也包括扩链剂。从1989 年开始，美国的Dudley Primeaux基于Jeffamine端氨基聚醚与异氰酸酯的反应，次提出了100% 固含量喷涂聚脲弹性体的概念，从那以后喷涂聚脲弹性体逐步被提升为一种新的涂料技术，美国聚脲发展协会(Polyurea Development Association，简称 PDA)对聚脲和聚氨酯涂料作了分类和定义：当体系中多元胺质量分数>80% 时，材料称为聚脲弹性体；当体系中多元醇质量分数>80% 时，材料称为聚氨酯弹性体；而多元胺和多元醇的含量介于2 者之间时，材料统称为聚脲/聚氨酯杂合体(hybrid)或混合体。从分子结构上看，由于端氨基聚醚是两端为氨基的聚氧化丙烯醚，其疏水和防水性要好于聚氨酯中的羟基聚醚，因此聚脲涂料的疏水和防水性能比聚氨酯涂料好。另外聚脲结构中的C-N 键要比聚氨酯结构中的C-O 键稳定，因此聚脲弹性体的热稳定性要明显高于聚氨酯弹性体，其耐热老化、耐热变形和热失重性能都比聚氨酯弹性体优越。弹性聚脲涂料另一个重要特征是氨基化合物与异氰酸酯反应速度极快，不需要添加任何催化剂。这就使得聚脲涂料有2 个突出优点：一是避免环境和基面上的水汽与异氰酸酯反应生成二氧化碳，从而避免在聚氨酯涂料中经常会发生的表面缺陷如气泡和针眼等；二是由于体系中不存在催化剂，有助于提高涂料的抗紫外线和耐热老化性能。100% 固含量弹性聚脲涂料也存在不足。首先由于反应速度太快并释放大量的热，导致涂层在交联初期产生较大的内应力[4]，而内应力的释放通常需要一定时间，因此材料的抗冲击强度不能很快达到高值，这在实际使用中会使材料性能受到影响；同时在涂料的内应力完全释放后，涂料层还会产生明显的收缩变形，严重影响材料的物理性能和与基材的粘接力。其次，过快的凝胶和固化速度，造成液体物料不能有效润湿和渗透基材的表面，因此聚脲涂料对基材(特别是混凝土表面)的粘接力远不如它的物理性能那样出众。再者由于聚氨酯的凝胶时间和固化时间明显随异氰酸酯或预聚体官能度的提高而迅速减少，因此在聚脲涂料的反应活性已经极快的情况下，如果再加快反应速度，就不能保证异氰酸酯和树脂2 个组分的有效混合，涂层的性能也就无法保障。因此，弹性聚脲涂料2 个组分的官能度只能控制在较低的范围内，一般不超过2.2[5]。换句话说，聚脲涂料只能保持较低的交联密度状态而以弹性体的形态出现，这限制了它的许多使用性能，包括耐化学腐蚀性能。

1.3 100% 固含量刚性聚氨酯涂料

100% 固含量刚性聚氨酯涂料是20 世纪70 年代在北美兴起的高强度高耐腐蚀涂料，近15 年来，被大量用于地下金属管道和金属储罐等的防腐涂料，并且有取代环氧沥青等传统涂料的趋势。100% 固含量刚性聚氨酯涂料的主要特征是使用高官能度的异氰酸酯和多元醇，同时使用相对分子质量较低的多元醇和采用较高的异氰酸酯指数(见表1)。由于使用了高官能度反应物，聚合物的交联密度大幅度提高，并且这些交联结构是通过共价键(化学键)提供的，其键合强度要远高于弹性聚氨酯和弹性聚脲涂料中的氢键和其他次价键(物理键)。这种交联密度的提高，直接提高了材料的玻璃化转

变温度( T g) ，因而从根本上改进了材料的物理性能，如提高了拉伸强度、拉伸模量、介电常数、粘接强度、耐热性和耐化学腐蚀性；同时降低了延伸率、溶解性和渗透性。因此100% 固含量刚性

聚氨酯涂料作为重防腐涂料，其综合性能非常突出，并且由于自身的物理性能已具备结构材料的特点，因此也被称为“结构聚氨酯涂料”。

100%固含量刚性聚氨酯涂料除具有优异的使用性能外，加工性能也具有多样性，即不仅可像弹性聚脲涂料那样用于双组分喷涂施工，也可用于刷涂和滚涂，甚至还可浇注成型。这是因为刚性聚氨酯涂料体系中不使用高活性的端氨基聚醚，体系的凝胶时间和固化时间可根据施工需要在几秒钟至几十分钟的范围内任意调节。由于100% 固含量刚性聚氨酯涂料具有低分子链和高交联度结构，其冲击强度和耐磨性与100%固含量弹性聚氨酯涂料和100% 固含量弹性聚脲涂料相比明显较差。不过利用超细化的陶瓷微珠或玻璃微珠进行改性[6]，冲击强度可达2.6 J/m，Taber试验损耗为30mg，完全与上述2 种弹性涂料相当。这对进一步提高100% 固含量刚性聚氨酯涂料性能，拓展它的应用范围具有重要意义。

2 3 种100% 固含量聚氨酯和聚脲涂料的选择和应用

前面分别介绍3 种100% 固含量聚氨酯和聚脲涂料，事实上任何一种涂料都有自己适合的应用条件，只有在该条件下，涂料的优点才能得到发挥。因此，正确选择涂料是正确使用涂料的前提。选择100% 固含量聚氨酯或聚脲涂料首先需要考虑的是采用脂肪族聚氨酯体系还是芳香族聚氨酯体系。脂肪族聚氨酯或聚脲涂料的原料成本相对昂贵(一般为芳香族体系的3~4 倍)，但它们的耐紫外光性能和颜色稳定性是在所有工业涂料中好的，因此它们通常使用在户外并且对颜色稳定性要求较高的地方；而芳香族聚氨酯或聚脲涂料的原料成本相对便宜，但暴露在日光下会泛黄变色，因此通常应用在室内或地下的防腐涂装。其次要考虑是选择刚性涂料还是弹性涂料。一般来说，刚性聚氨酯结构中化学交联密度高，产生硬质和密实的材料结构，使得涂层具有优异的耐化学腐蚀和耐水汽渗透性能，并且刚性聚氨酯涂料对基材的粘接力非常突出。因此100% 固含量刚性聚氨酯涂料适合于金属结构的重防腐，如金属管道的内衬和外涂、金属储罐内衬、地下金属结构防腐、海洋运输管线和基础设施的防腐。弹性聚氨酯涂料是以线性分子结构为主的低交联密度体系，具有高的柔韧性和弹性，赋予涂层优良的耐磨、抗冲击性和延伸率，但它们的耐腐蚀性和黏结性能相对逊色。弹性聚氨酯涂料适合于混凝土结构的防护涂布，因为混凝土表面的微小裂缝要求涂料的延伸性来弥补。除此之外，弹性聚氨酯涂料也能很好应用于腐蚀强度不太高的金属表面防腐。

弹性聚氨酯和弹性聚脲涂料在多数情况下可通用，但在特定情况下还是有明显的差别。例如，弹性聚氨酯涂料适用于对基材粘接力要求较高，并且表面要求平整光滑的涂层。在夏季施工中，由于弹性聚脲涂料的凝胶速度太快，不能充分润湿和渗透基材表面，并且极易在涂层表面形成橘皮皱纹。不过由于弹性聚脲涂料的自催化作用和快速放热效应，金属的大量吸热不会影响弹性聚脲涂层的交联固化，因此很适合于冷金属表面的防腐施工。第三要考虑聚氨酯或聚脲体系双组分的混合比例。一般情况下，2 个组分的体积混合比为1:1，这个比例易控制，可保证混合效果和材料性能，否则易引起混合计量误差。设定的2 个组分的混合比例相差越大，引起计量误差的可能性也就越大。因此，选择并保证正确的混合比例是保证涂料性能的重要因素。
 

3 结束语

工业应用中环境对涂料的要求不断提高，是促进1 0 0 % 固含量聚氨酯和聚脲涂料发展的主要动力。弹性聚氨酯、弹性聚脲和刚性聚氨酯涂料3 者之间既有联系又有差别。以这3 种涂料为基础，通过不同原料组合可设计出成千上万的配方。由于材料性能和使用特性不同，它们各自又都有相对合适的应用范围和条件。制定正确的涂料配方设计方案及使用时选择正确的施工体系类型，是从事100%固含量聚氨酯和聚脲涂料研发、生产和应用领域的人们共同的责任。