一种施工方便的防爆涂层及制备方法

技术领域

本发明属于防爆材料组合物技术领域，具体涉及一种施工方便的防爆涂层及制备方法。

背景技术

在爆炸中，墙体被炮弹、弹片或冲击波击中的墙面为迎爆面，如果以上墙体为砖砌墙，中弹后墙体很容易出现塌陷，如果以上墙体为混凝土墙，中弹后在背爆面很容易出现墙体剥落、碎片飞溅的情况，此时由于空间狭小，尤其是防御工事内，一旦出现坍塌或碎片飞散的情况，极易造成内部人员的伤亡。因此，需要在人防工程或防御工事的修建过程中对墙体进行加固处理，或对已有的人防工程和防御工事的墙体进行加固改造，使其具有良好的防爆性能。

目前一般是天冬聚脲树脂与脂肪族异氰酸酯预聚体组成A、B双组份涂料，经混合交联反应，得到耐候性优良的防爆涂层。其中A组份中的天冬聚脲树脂以天冬聚脲配方为基础，并在A组份中添加碳纳米管，碳纳米管作为一维结构，具有优异的力学、光学和电学性能，结构非常的稳定，更具有独有的刚性和韧性。碳纳米管长径比大，而且具有极高的轴向抗拉伸强度，其抗拉强度达到了50～200GPa，是钢的100倍，密度仅有钢的1/6。这些优良的性能使得碳纳米管成为聚合物复合材料的增强相的最佳选择。添加碳纳米管前通常对其改性后再使用，相关碳纳米管改性聚氨酯材料的方法已有专利报道：中国专利CN111434739A一种防爆防弹保温高强度特种涂料的制备方法，CN201910567853一种碳纳米管改性聚脲防爆材料及其制备方法,碳纳米管改性聚脲防爆材料的方法是先将碳纳米管功能化接入到聚脲树脂体系A组份中，将碳纳米管功能化接入到聚脲树脂体系中方法是对该复合碳纳米管材料进行氨基化表面改性，以使该材料通过化学键合的方式融合到A组份中。缺点是，1.利用化学方法，其反应过程复杂耗时不利于降低成本，也不利于缩短生产周期；2.含有氨基化表面改性后的复合碳纳米管材料的A组份在施工时与B组分混合，凝胶时间大于3小时，不能满足特殊要求，例如军方防爆材料特别要求凝胶时间在1.5-2小时之间。

发明内容

针对现有技术的缺陷，满足军方防爆材料的性能和施工条件的要求，以天冬聚脲配方为基础进行改进，再通过直接添加碳纳米管提高涂层的力学性能，本发明提供了一种施工方便的防爆涂层，其特征在于包括A、B两种组分，所述A组份包括碳纳米管0.1-1％、偶联剂0.1-1％、自制的天门冬聚脲树脂78-94％、阻燃剂4.5-15％、抗氧化剂1-5％。各组分的百分配比之和为100％；

所述B组份包括异氰酸酯60-80％和聚醚多元醇20-40％，各组份的百分配比之和为100％；

所述A组份和B组份按照2-3：1混合，采用喷涂、刷涂、辊涂方式施工即可得防爆涂层。

进一步地，所述A组份中的碳纳米管为多壁碳纳米管，直径0.4-0.6nm，长度0.5-2μm。

本发明还提供了一种施工方便的防爆涂层的制备方法，其特征在于包括步骤如下：

S1、制作A组份，所述A组份中的碳纳米管为多壁碳纳米管，采用喷射流均质分散在A组份中，极大增强了涂层的拉伸强度和撕裂强度，能包裹住受爆炸冲击形成的碎片，保护人员安全；

S2、制作B组份；起凝胶、固化作用；

S3、所述A组份和B组份按照2-3：1机械混合，混合好以后开始算凝胶(即表干)时间1.5-2.0h，采用喷涂、刷涂、辊涂方式施工即可得防爆涂层。

进一步地，所述步骤S1制作A组份具体步骤为：

SA1、在室温下将一定量的多元胺和氨基酸加入反应釜中，搅拌预热至50-70℃，缓慢滴烷基马来酸酯，10-30min内滴加完，然后升温至80-100℃，保持10-12h，得到天冬聚脲树脂。

SA2、将SA1中自制的天冬聚脲与碳纳米管和偶联剂混合，采用喷射流均质机分散1-3h，再添加阻燃剂和抗氧化剂，在600-900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

进一步地，所述步骤S2制作B组份具体步骤为：将异氰酸酯和聚醚多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60-80℃，维持2-4h，得到B组份。

进一步地，所述A组份中偶联剂为铬络合物偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、镐类偶联剂中的一种或两种以上的混合物；优选硅烷偶联剂；更优选KH560。

进一步地，所述步骤SA1中的多元胺为六甲基四胺、3’,3’-二氯-4,4’-二苯基甲烷二胺(MOCA)、丙二醇双-(4,4’-二胺基)苯甲酸酯、4,4’-二氨基二环已基甲烷中的一种或两种混合物；优选4,4’-二氨基二环已基甲烷；

所述氨基酸为脯氨酸；

所述烷基马来酸酯为双(十三烷基)马来酸酯；

所述多元胺与氨基酸的质量比为2:1-4:1；

所述烷基马来酸酯与多元胺的质量比为2.5:1-5:1。

具体地，所述步骤SA2中的所述阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸三丁酯、二溴甲烷、三聚氰胺、二氯溴甲烷中的一种或多种，优选三氧化二锑和二氯溴甲烷，更优选三氧化二锑；

具体地，所述步骤SA2中的所述抗氧化剂为聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，质量比为1:9-3:7。

具体地，所述的异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、多苯基甲烷多异氰酸酯(PAPI)、液化型二苯基甲烷二异氰酸酯(LMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、苯二亚甲基异氰酸酯(XDI)中的一种或两种，优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和苯二亚甲基异氰酸酯(XDI)，更优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)；

所述的聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇。

本发明所制得的涂层撕裂强度、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能优异，施工方便，具有良好的防爆效果。

本发明具有以下特点：

(1)采用天冬聚脲树脂体系，A、B组分混合后凝胶时间不大于2h，可采用喷涂、刷涂和滚涂，施工方便。

(2)碳纳米管作为涂层的增强相，采用喷射流均质机，让碳纳米管能够均匀分散在涂层中，极大的提高涂层力学性能。无需利用化学方法，节约制作时间利于降低成本，明显缩短生产周期；

(3)具有良好的耐候、耐老化、耐紫外线、耐酸碱、耐磨等性能。

(4)A、B组份固体含量为100％，无VOC，属于健康环保的产品。

(5)该涂层具有较高的拉伸强度一般达到32MPa(少数也有21MPa的)、撕裂强度一般达到128N/mm(少数也有115N/mm、110N/mm的)和断裂伸长率一般达4/20％以上，能够起到5KgTNT防爆效果。

(6)能够与其他装饰型涂料配套使用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明。

本发明提供了一种施工方便的防爆涂层，其特征在于包括A、B两种组分，所述A组份包括碳纳米管0.1-1％、偶联剂0.1-1％、自制的天冬聚脲树脂78-94％、阻燃剂4.5-15％、抗氧化剂1-5％。各组分的百分配比之和为100％；

其中一个实施例碳纳米管0.1％，另一个实施例碳纳米管1％，再另一个实施例碳纳米管0.55％；

其中一个实施例偶联剂0.1％，另一个实施例偶联剂1％，再另一个实施例偶联剂0.55％；

其中一个实施例天冬聚脲树脂78％，另一个实施例天冬聚脲树脂94％，再另一个实施例偶联剂86％；

其中一个实施例阻燃剂4.5％，另一个实施例阻燃剂15％，再另一个实施例阻燃剂10％；

其中一个实施例抗氧化剂1％，另一个实施例抗氧化剂5％，再另一个实施例抗氧化剂3％；

所述B组份包括异氰酸酯60-80％和聚醚多元醇20-40％，各组份的百分配比之和为100％；

所述A组份和B组份按照2-3：1混合，采用喷涂、刷涂、辊涂方式施工即可得防爆涂层。

进一步地，所述A组份中的碳纳米管为多壁碳纳米管，直径0.4-0.6nm，长度0.5-2μm。其中一个实施例直径0.4nm，长度0.5μm，另一个实施直径0.6nm，长度2μm，再另一个实施例直径0.5nm，长度1.2μm。

本发明还提供了一种施工方便的防爆涂层的制备方法，包括步骤如下：

S1、制作A组份，所述A组份中的碳纳米管为多壁碳纳米管，采用喷射流均质分散在A组份中，极大增强了涂层的拉伸强度和撕裂强度，能包裹住受爆炸冲击形成的碎片，保护人员安全；

S2、制作B组份；起凝胶、固化作用；

S3、所述A组份和B组份按照2-3：1机械混合，混合好以后开始算凝胶(即表干)时间1.5-2.0h，采用喷涂、刷涂、辊涂方式施工即可得防爆涂层。

进一步地，所述步骤S1制作A组份具体步骤为：

SA1、在室温下将一定量的多元胺和氨基酸加入反应釜中，搅拌预热至50-70℃，缓慢滴烷基马来酸酯，10-30min内滴加完，然后升温至80-100℃，保持10-12h，得到天冬聚脲树脂。

SA2、将SA1中自制的天冬聚脲与碳纳米管和偶联剂混合，采用喷射流均质机分散1-3h，再添加阻燃剂和抗氧化剂，在600-900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

进一步地，所述步骤S2制作B组份具体步骤为：将异氰酸酯和聚醚多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60-80℃，维持2-4h，得到B组份。

进一步地，所述A组份中偶联剂为铬络合物偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、镐类偶联剂中的一种或两种以上的混合物；优选硅烷偶联剂；更优选KH560。

进一步地，所述步骤SA1中的多元胺为六甲基四胺、3’,3’-二氯-4,4’-二苯基甲烷二胺(MOCA)、丙二醇双-(4,4’-二胺基)苯甲酸酯、4,4’-二氨基二环已基甲烷中的一种或两种混合物；优选4,4’-二氨基二环已基甲烷；

所述氨基酸为脯氨酸；

所述烷基马来酸酯为双(十三烷基)马来酸酯；

所述多元胺与氨基酸的质量比为2:1-4:1；其中一个实施例质量比为2:1，另一个实施例质量比为3:1，再另一个实施例质量比为4:1；

所述烷基马来酸酯与多元胺的质量比为2.5:1-5:1。其中一个实施质量比为2.5:1，另一个实施例质量比为3.5:1，再另一个实施例质量比为5:1；

具体地，所述步骤SA2中的所述阻燃剂为三氧化二锑、氢氧化镁、氢氧化铝、磷酸三丁酯、二溴甲烷、三聚氰胺、二氯溴甲烷中的一种或多种，优选三氧化二锑和二氯溴甲烷，更优选三氧化二锑；

具体地，所述步骤SA2中的所述抗氧化剂为聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，质量比为1:9-3:7。其中一个实施例质量比为1:9，另一个实施例质量比为3:7，再另一个实施例质量比为2-8；

具体地，所述的异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、多苯基甲烷多异氰酸酯(PAPI)、液化型二苯基甲烷二异氰酸酯(LMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、苯二亚甲基异氰酸酯(XDI)中的一种或两种，优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和苯二亚甲基异氰酸酯(XDI)，更优选六亚甲基二异氰酸酯(HDI)；

所述的聚醚多元醇为聚四氢呋喃多元醇。

以下进一步具体列出了实验室数据，进一步支撑本发明的防爆涂层所达到的实际效果。

本案例实施之一，具有施工方便防爆涂层的制备包括以下材料：碳纳米管0.5Kg、KH560 0.5Kg、4,4’-二氨基二环已基甲烷21Kg、脯氨酸5Kg、双(十三烷基)马来酸酯10Kg、三氧化二锑6Kg、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯0.5Kg、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯4.5Kg、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)65Kg、聚四氢呋喃多元醇35Kg。

制备方法包括如下步骤：

(1)在室温下将21Kg的4,4’-二氨基二环已基甲烷和5Kg脯氨酸加入反应釜中，搅拌预热至60℃左右，缓慢滴加10Kg双(十三烷基)马来酸酯，20min左右滴加完，然后升温至100℃，保持12h，得到天冬聚脲树脂。

(2)将(1)中自制的天冬聚脲与0.5Kg碳纳米管和0.5Kg KH560混合，采用均质机分散2h，再添加6Kg三氧化二锑、0.5Kg聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、4.5Kg双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，在900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

(3)将65Kg六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、35Kg聚四氢呋喃多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60℃，维持3h，得到B组份。

(4)所制备涂料的A、B组份按质量比2:1机械混合，采用刷涂方式施工，得到防爆涂层，控制膜厚1mm。

本实施案例所得施工方便、防爆涂层产品的技术指标见表1

表1

本案例实施之二，具有施工方便防爆涂层的制备包括以下材料：碳纳米管0.8Kg、KH560 0.6Kg、4,4’-二氨基二环已基甲烷20Kg、脯氨酸7Kg、双(十三烷基)马来酸酯9Kg、三氧化二锑7Kg、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯1Kg、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯3.5Kg、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)70Kg、聚四氢呋喃多元醇30Kg。

制备方法包括如下步骤：

(1)在室温下将20Kg的4,4’-二氨基二环已基甲烷和7Kg脯氨酸加入反应釜中，搅拌预热至65℃左右，缓慢滴加9Kg双(十三烷基)马来酸酯，25min左右滴加完，然后升温至95℃，保持11h，得到天冬聚脲树脂。

(2)将(1)中自制的天冬聚脲与0.8Kg碳纳米管和0.6Kg KH560混合，采用均质机分散2h，再添加7Kg三氧化二锑、1Kg聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、3.5Kg双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，在900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

(3)将70Kg六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、30Kg聚四氢呋喃多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至70℃，维持3h，得到B组份。

(4)所制备涂料的A、B组份按质量比2.5:1机械混合，采用刷涂方式施工，得到防爆涂层，控制膜厚1mm。

本实施案例所得施工方便、防爆涂层产品的技术指标见表2

表2

本案例实施之三，具有施工方便防爆涂层的制备包括以下材料：碳纳米管0.5Kg、KH560 0.5Kg、4,4’-二氨基二环已基甲烷21Kg、脯氨酸5Kg、双(十三烷基)马来酸酯10Kg、三氧化二锑6Kg、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯0.5Kg、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯4.5Kg、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)65Kg、聚四氢呋喃多元醇35Kg。

制备方法包括如下步骤：

(1)在室温下将21Kg的4,4’-二氨基二环已基甲烷和5Kg脯氨酸加入反应釜中，搅拌预热至60℃左右，缓慢滴加10Kg双(十三烷基)马来酸酯，20min左右滴加完，然后升温至100℃，保持12h，得到天冬聚脲树脂。

(2)将(1)中自制的天冬聚脲与0.5Kg碳纳米管和0.5Kg KH560混合，采用均质机分散2h，再添加6Kg三氧化二锑、0.5Kg聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、4.5Kg双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，在900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

(3)将65Kg六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、35Kg聚四氢呋喃多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60℃，维持3h，得到B组份。

(4)所制备涂料的A、B组份按质量比2.5:1机械混合，采用刷涂方式施工，得到防爆涂层，控制膜厚1mm。

本实施案例所得施工方便、防爆涂层产品的技术指标见表3

表3

本案例实施之四，具有施工方便防爆涂层的制备包括以下材料：碳纳米管0.1Kg、KH560 0.5Kg、4,4’-二氨基二环已基甲烷21Kg、脯氨酸5Kg、双(十三烷基)马来酸酯10Kg、三氧化二锑6Kg、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯0.5Kg、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯4.5Kg、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)65Kg、聚四氢呋喃多元醇35Kg。

制备方法包括如下步骤：

(1)在室温下将21Kg的4,4’-二氨基二环已基甲烷和5Kg脯氨酸加入反应釜中，搅拌预热至60℃左右，缓慢滴加10Kg双(十三烷基)马来酸酯，20min左右滴加完，然后升温至100℃，保持12h，得到天冬聚脲树脂。

(2)将(1)中自制的天冬聚脲与0.1Kg碳纳米管和0.5Kg KH560混合，采用均质机分散2h，再添加6Kg三氧化二锑、0.5Kg聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、4.5Kg双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，在900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

(3)将65Kg六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、35Kg聚四氢呋喃多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60℃，维持3h，得到B组份。

(4)所制备涂料的A、B组份按质量比3:1机械混合，采用刷涂方式施工，得到防爆涂层，控制膜厚1mm。

本实施案例所得施工方便、防爆涂层产品的技术指标见表4

表4

本案例实施之五，具有施工方便防爆涂层的制备包括以下材料：碳纳米管0.5Kg、KH560 0.5Kg、4,4’-二氨基二环已基甲烷20Kg、脯氨酸5Kg、双(十三烷基)马来酸酯10Kg、三氧化二锑5Kg、聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯0.5Kg、双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯4.5Kg、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)60Kg、聚四氢呋喃多元醇35Kg。

制备方法包括如下步骤：

(1)在室温下将21Kg的4,4’-二氨基二环已基甲烷和5Kg脯氨酸加入反应釜中，搅拌预热至60℃左右，缓慢滴加10Kg双(十三烷基)马来酸酯，20min左右滴加完，然后升温至100℃，保持12h，得到天冬聚脲树脂。

(2)将(1)中自制的天冬聚脲与0.5Kg碳纳米管和0.5Kg KH560混合，采用均质机分散2h，再添加5Kg三氧化二锑、0.5Kg聚丁二酸(4-羟基-2,2,6,6-四甲基-1-哌啶乙醇)酯、4.5Kg双(2,2,6,6-四甲基哌啶基)葵二酸酯，在900r/min的机械搅拌转速下搅拌均匀，形成A组分。

(3)将60Kg六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、35Kg聚四氢呋喃多元醇添加到反应釜中，抽真空至-0.8--0.1MPa，搅拌升温至60℃，维持3h，得到B组份。

(4)所制备涂料的A、B组份按质量比2.5:2机械混合，采用刷涂方式施工，得到防爆涂层，控制膜厚1mm。

本实施案例所得施工方便、防爆涂层产品的技术指标见表5

表5