聚脲_全球百科

聚脲[niào]（Polyurea）是指由异氰[qíng]酸酯[zhǐ](含异氰酸根-N=C=O) 组分和含胺(组分含氨基-NH₂)生成的高分子化合物，其主链上含有重复的脲基 (-NH-CO-NH-) 链段。由于异氰酸酯和胺的反应速率很快，数秒内便可完成，所以难以控制其操作寿命和成膜反应凝胶时间，因此很难应用。至20世纪80年代，在反应注射成型技术支持下，喷涂聚脲体涂料得以发展应用。

发展历史

1937 年，德国法本公司（BAYER 公司的前身）的奥托·拜耳博士（OttoBayer）用异氰酸酯合成了聚氨酯，20 世纪 40~60 年代聚氨酯技术得到较快发展。20 世纪 70 年代，美国杰斐逊（JEFFERSON ）化学公司的专利产品端氨基聚醚问世，早期用作环氧固化剂。20 世纪 70 年代，喷涂聚氨酯（脲）（简称半聚脲）在喷涂聚氨酯技术和端氨基聚醚的基础上产生，人们用端氨基聚醚代替了部分端羟基聚醚作 R 组分，从而提高了反应速度，改善了弹性体的物理性能。20 世纪 70~80 年代，在德国和美国率先开展反应注射成型（RIM）技术的研究，并实现了产业化。聚脲技术是在反应注射成型的基础上发展起来的，它继承了 RIM 高压撞击混合的原理，实现了聚脲快速喷射成型。1986 年，美国亨斯迈公司（HUNTSMAN）的化学家保费（Dudley J. Primeaux）及其团队率先研发成功喷涂聚脲弹性体材料，并于 1991 年在北美投入商业化应用，用于混凝土基材防护、钢基材防腐和皮卡车耐磨衬里。

理化性质

物理性质

聚脲有着十分优异的物理性能，其抗张强度高，柔韧性好，耐老化，耐介质，耐磨，具有良好的热稳定性，可在150℃下长期使用，亦可承受350℃的短时热冲击。通过添加不同的填料，可以方便的改变聚脲涂层的颜色和涂层手感。聚脲材料中不含有机溶剂，100%固含量，生成的涂层致密、无针孔，一次成膜厚度大，在酸、碱、盐环境均有良好的防腐性能。但其也存在一定的缺点，如不能抵抗高温性、不耐强酸及溶剂腐蚀性，弹性较差，断裂伸长率较低，阻燃性差、抗黄变性差、不防静电等。跟据中国标准GB/T 23446—2009，喷涂聚脲防水涂料物理性能如下表：

化学性质

聚脲主链上含有重复的脲基 (-NH-CO-NH-) 链，化学性质稳定，不易分解，很难与酸、碱反应，对于酸性、碱性环境均有很好的耐性。需要注意的是，在氧气、较强酸（Ph≤1）溶液的综合作用下，涂层分子链会断裂，且酸性环境下会加速涂层的降解，形成菜花状降解产物。聚脲一般结构如下图：

聚脲结构

特点

聚脲独特的理化性质决定了其有着独特的特点：

聚脲具有快速固化的特点，由于异氰酸酯和氨基的快速反应，最快可在 5 秒左右凝胶，1 分钟即可达到 80% 的最终力学性能。聚脲固化过程中不受水分和湿气的影响。
脲键基团具有很强的极性，可在分子间和分子内形成氢键，提高聚脲的物理交联程度，赋予其优异的力学性能，同时表现出良好的阻尼性能、耐腐蚀和耐老化性能，并对多种基材有很强的附着能力，这也意味着其粘结强度很大，可以作为一种优良的粘合剂使用。
聚脲具有良好的耐高低温性能，在温度较低的情况下仍能够保持很好的柔韧性，200 ℃以上仍可安全使用，5% 热失重温度可达 260 ℃以上。
由于不含催化剂，聚脲表现出优异的耐老化性能，虽然在芳香族聚脲材料中会出现泛黄和褪色，但无粉化和开裂现象。
聚脲材料不含有机溶剂，100%固含量，生成的涂层致密、无针孔，一次成膜厚度大，在酸、碱、盐环境均有良好的防腐性能。
聚脲弹性体独特的分子结构使得聚脲材料具有优异的力学性能和复杂的应变率效应。聚脲弹性体的伸长率最高可达1000%。同时在较宽的应变率区段内，随着应变率的增加，聚脲弹性体会从橡胶态向玻璃态转变，并在变形过程中消耗大量能量，从而提高抗冲击性能。

聚脲的类型

聚脲可分为纯聚脲和半聚脲，纯聚脲和半聚脲都是异氰酸酯组分（A组分）与树脂组分（R组分）反应生成的弹性体物质，但是它们的A组分和R组分之间存在一定的差异，材料性能也因此存在不同。

纯聚脲

纯聚脲：A组分由端氨基或端羟基化合物与异氰酸反应制得的预聚物和半预聚物组成，R组分由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，且R组分中不得含有任何羟基组分和催化剂的聚脲材料。纯聚脲中不含催化剂，不会出现催化剂降解失效的问题，因此纯聚脲耐腐蚀性和耐用性较高。因为端氨基聚醚与异氰酸酯的反应快于水与异氰酸酯反应，因此纯聚脲不会发生异氰酸酯和水反应生成CO₂而导致化学发泡的问题。但纯聚脲固化速度快（3~10 s凝胶）导致其对基材的浸润时间短，粘结强度低，且快速固化的过程中会集中放热，在涂层中产生较大应力及较大收缩量，易造成涂层卷曲，甚至鼓泡和脱层。

半聚脲

半聚脲：A组分由端氨基或端羟基化合物与异氰酸酯反应制得的预聚物和半预聚物组成，R组分由端羟基树脂或端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，R组分中可以含有提高反应活性的催化剂。在相同的强度和硬度条件下，半聚脲的弹性更好，有着较高的断裂伸长率和低温柔性。半聚脲固化时间适中，故放热及收缩率较小，卷曲、鼓泡、脱层现象较少，对基材的浸润性好，有较高的粘结强度。但由于半聚脲中存在催化剂，可能会发生催化剂降解失效，导致耐用性下降。因其固化速度不快，固化过程中可能会与水反应生成CO₂而导致化学发泡。

聚脲的应用

粘合剂

聚脲可以作为一种优良的粘合剂，广泛应用于建筑、航空航天、电子、汽车等领域，如用于飞机和汽车的结构胶、木材和木质板材的胶合等。研究结果表明，经过特殊的底材处理和严格的施工工艺处理，聚脲弹性体对钢、铝、混凝土、橡胶、复合材料等多种底材都能具有良好的粘接性能。

表面涂料

聚脲可以用于制备高效、高质的表面涂料，具有耐候性好、耐化学性强、防水性能优异等优点，广泛应用于汽车、电子等领域。在汽车底盘喷涂聚脲面漆涂层，有较好的防护效果，在耐盐雾和耐老化性能上达到了很高的标准，且聚脲涂料的低温固化特性和优异的性能，非常匹配汽车底盘需要节能降耗和提高涂膜防护效果的要求。

抗爆抗冲击材料

喷涂聚脲弹性体凭借良好的力学性能和耗能特性被广泛运用于抗爆抗冲击防护领域。将聚脲材料应用在抗冲击领域中，可以通过增强材料的方式对复合结构的抗冲击能力进一步提高，抗冲击复合结构具有良好的吸能特性，垫高结构的隔离层加入聚脲材料后会大幅增强结构的耗能特性达到减振抗冲击的效果。

聚脲膜

聚脲膜的应用领域非常广泛。在建筑领域，聚脲膜可用于涂料、防水材料、隔热材料等方面。在汽车、船舶、铁路、航空航天等交通运输领域，聚脲膜可用于涂装和防腐蚀。在电子、光学、医疗等领域，聚脲膜可用于涂层、保护膜、隔离膜等方面。

纤维

聚脲纤维是一种合成纤维，由聚脲单体聚合而成。聚脲单体通常由多种含有异氰酸酯基团（－N=C=O）和胺基（-NH₂）的化合物通过聚合反应制备而成。聚脲纤维具有高强度、高模量、高耐热性、高耐化学性、高吸湿性等优良性能。聚脲纤维的应用领域非常广泛。在纺织领域，聚脲纤维可以用于制造各种纺织品，如服装、床上用品、窗帘、地毯等。由于聚脲纤维具有很高的强度和耐热性，在工业领域可以用于制造过滤材料、输送带、轮胎帘子、钢丝绳芯等。此外，聚脲纤维还可以用于制造人造毛发、假发、假发毛等。

制备方法

聚脲是通过脲化反应合成的。脲化反应是一种酰胺键形成的反应，通常使用二异氰酸酯和二元胺或多元胺进行反应，也有一些新型的合成方法。

主要方法

二异氰酸酯与二元胺反应成聚脲的方式主要有两种途径：（1 ）二异氰酸酯与二胺的聚合；（2）二异氰酸酯与水的聚合。

（1 ）二异氰酸酯与二胺的聚合

nOCN-R-NCO + nH₂N-R'-NH₂ → -[-OCNH-R-NH-CO-NH-R'-NH-]_n-其中，OCN-R-NCO为二异氰酸酯，H₂N-R'-NH₂为二元胺，反应产物为聚脲。在反应过程中，二异氰酸酯的两个异氰酸基与二元胺或多元胺的两个或多个氨基反应，形成酰胺键，从而将它们连接成高分子聚脲。

（2）二异氰酸酯与水的聚合

nOCN-R-NCO + nH₂O→ -[-HN-R-NH-CO-]_n-+nCO₂

该反应实质上是水与二异氰酸酯反应生成了二元胺，二元胺与异氰酸酯进一步反应生成聚脲。

其他方法

（1）CO₂与二胺化合物缩聚制备聚脲

CO₂广泛存在于环境当中，其无毒，廉价，来源广泛，利用其制备聚脲可以实现对CO₂的回收利用，绿色环保。CO₂与二胺化合物的反应无需催化剂，溶剂，仅需要在高温下脱水即可生成聚脲。

(2) 氨基甲酸酯与二胺缩聚制备聚脲

CO₂与甲醇、苯酚、环氧乙烷、环氧丙烷反应可制备碳酸二甲酯、碳酸二苯酯、环状碳酸酯，然后碳酸二甲酯等和二胺类化合物反应形成氨基甲酸酯，最后氨基甲酸酯自缩聚或与二胺通过氨酯交换反应可制备聚脲。该方法可在温和条件下通过甲醇、苯酚、乙二醇的脱除，得到高分子量的聚脲。

安全事宜

聚脲是一种易燃化学品，应避免与火源接触。在使用聚脲时要远离明火、高温和火花等火源。聚脲具有刺激性气味，对皮肤、眼睛、呼吸系统有刺激作用，应避免接触皮肤、吸入气体和接触眼睛。聚脲是一种易吸湿的化学品，应储存在干燥、通风的地方，并严密密封。

注释

展开[a]实际上不存在“100%纯聚脲”，在聚脲A组分的异氰酸预聚体和半预聚物中含有约40%的端羟基聚醚，尽管R组分中全部是端氨基聚醚和端氨基扩链剂，在聚脲涂膜中也只有约80%的氨基成分，还有约20%的羟基成分，此外还有一定百分比的助剂（它们不是氨基成分），故“100%纯聚脲”并不是100%氨基成分。“纯聚脲”并不纯，也和半聚脲一样是氨基成分和羟基成分的混杂体，只不过是氨基成分略多一点而已。聚脲和半聚脲在化学成分上没有质的差别，只有量的差异；在技术性能上也各有优劣。