Các lớp phủ hiện đại ngày nay, bao gồm polyurethane và polyurea, là một trong những loại nhựa tiên tiến nhất được phát triển. Những vật liệu này, hơn bất kỳ lớp phủ polyme nào khác, nổi bật ở tính linh hoạt, độ bền và tuổi thọ của chúng. Chúng là bước tiếp theo trong quá trình phát triển lớp phủ.
Đồng thời, những tiến bộ trong công nghệ sơn phủ cũng dẫn đến sự phát triển của thiết bị ứng dụng phun, phun và đúc roto cũng giúp cải thiện hiệu suất của vật liệu trên. Đặc biệt, công nghệ thiết bị thành phần đa lượng đã được cải tiến để giúp việc phun sơn dễ dàng hơn, độ phủ đồng đều hơn, có thể áp dụng ở áp suất thấp hơn (thấp tới 1.000 psi) và ít tạo ra sương mù hoặc tràn mực.
Vật liệu polyurea có hai thành phần: chất bán polyme isocyanates và hỗn hợp nhựa. Hỗn hợp nhựa là sự kết hợp của các chất kéo dài chuỗi kết thúc bằng amin. Không giống như polyuretan, không có polyol nào được sử dụng trong sản xuất nhựa polyurea. Khi các vật liệu được trộn với nhau trong thiết bị ứng dụng, isocyanates và nhựa amin phản ứng để tạo thành liên kết urê (xem Hình).
Được giới thiệu vào năm 1989 bởi Texaco Chemical Co., polyurea được nhiều người trong ngành sơn phủ coi là một sản phẩm "cường điệu" với các tính năng và lợi ích phóng đại. Đúng, hệ thống và công nghệ polyurea có nhiều đặc tính nổi bật. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất vật liệu phủ truyền thống đã hạ thấp những tuyên bố của vật liệu này là sản phẩm "kỳ diệu"; kết quả là nhiều nhà sản xuất và người dùng cuối đã đánh mất những ưu điểm thực sự của sản phẩm.
Nhiều nhà sản xuất lớp phủ bảo vệ cũ đã không phân biệt giữa polyurethane và polyurea. Tất cả các lớp phủ, dù là polyether amin (thành phần polyurea) hay nhựa polyester / polyether hydroxyl (thành phần polyurethane urethane), đều được xác định là polyurethanes. Chỉ trong bảy năm qua, nhiều công ty đã phân biệt được các lớp phủ này.
Các nhà sản xuất OEM, nhà thầu, kỹ sư và nhà chế tạo cần một hệ thống sơn chống ẩm, xử lý nhanh. Chúng yêu cầu nhiều đặc tính vật lý khác nhau, độ bám dính tuyệt vời, bề mặt nhẵn mịn, độ bền kéo vượt trội và khả năng chống mài mòn cao (xem Bảng). Một hệ thống polyurea phù hợp với mô tả đó. Các đặc tính vật lý chính của polyurea giải thích sự thành công của chúng.
Thời gian phản ứng nhanh
Hình 1 Thời gian phản ứng nhanh của Polyurea (5-15 giây) để lại các vật liệu polyurethane và epoxy trong bụi phương ngôn. Nó là một polyme tự xúc tác. Với thời gian phản ứng nhanh, polyurea không dễ dàng phản ứng với độ ẩm và độ ẩm trong bề mặt, vì vậy vật liệu có thể dễ dàng được thi công trên bề mặt lạnh hoặc ẩm, chẳng hạn như thép, bê tông, gỗ hoặc bọt PU. Mặt khác, khi dòng chảy của vật liệu mịn hơn được yêu cầu để làm ướt khuôn hoặc phủ một bề mặt chạm khắc phức tạp, polyurea (như polyurethanes) có thể được làm chậm lại để có thời gian tạo gel trong khoảng từ 20-60 giây.
Thời gian phản ứng nhanh là một lợi thế lớn của polyurea. Trong trường hợp bảo trì hoặc trẻ hóa cơ sở, chủ sở hữu muốn lấy lại quyền sử dụng thiết bị càng sớm càng tốt. Polyurea phản ứng nhanh đóng rắn hoàn toàn trong vòng vài giờ, trong khi hầu hết các lớp phủ polyurethane hoặc epoxy cần 24-48 giờ trước khi các khu vực được phủ có thể được sử dụng hết tiềm năng của chúng.
Polyurea thường được sử dụng để bảo vệ bên ngoài của ống sắt, vì ống có thể được cải tạo "trên mương" (tại hiện trường) mà không cần thiết bị đắt tiền. Polyurea đóng rắn nhanh chóng và đường ống có thể được phục hồi gần như ngay lập tức mà không bị nứt. Nhiều đường ống trên khắp thế giới, bao gồm cả đường ống xuyên Alaska, đã sử dụng công nghệ này để tăng tốc độ sản xuất và giữ chi phí bảo trì ở mức tối thiểu.
Độ ẩm không nhạy cảm
Nơi độ ẩm hoặc độ ẩm là mối quan tâm, polyureas vượt trội hơn bất kỳ sản phẩm nào trên thị trường hiện nay. Polyurethanes có thể nhạy cảm với độ ẩm cao và độ ẩm trong chất nền. Kết quả là, chúng sẽ phản ứng với độ ẩm không khí hoặc độ ẩm cao để tạo ra khí carbon dioxide và gây ra hiện tượng sủi bọt và / hoặc kim châm trên bề mặt. Ngược lại, polyureas không bị ảnh hưởng bởi độ ẩm.
Phản ứng của Thành phần A và Thành phần B (polyamines) hoặc hệ thống polyurea nhanh đến mức phản ứng ẩm không thể xảy ra. Do đó, hệ thống polyurea không nhạy cảm với độ ẩm và độ ẩm, và thường không tạo ra bọt khí carbon dioxide. Đây là một lợi thế trong khí hậu hoặc vùng có độ ẩm cao hoặc điểm sương.
Nhìn chung, polyurea là một chất bảo vệ linh hoạt hơn cho bê tông. Những đổi mới gần đây đã dẫn đến sự pha trộn giữa epoxy và polyurea để tạo thành vật liệu lý tưởng cho việc chống thấm dưới lớp, cầu, sàn đậu xe và sàn. Vì đây là những hệ thống đóng rắn chậm hơn, các cốt liệu như đá, sắt hoặc mảnh thạch anh có thể được thêm vào để cải thiện độ bám đường cho xe và chất lượng không trượt cho người đi bộ.
Độ bám dính tuyệt vời
Nếu chất nền bị ẩm hoặc có hơi nước đọng trên đó, polyurea sẽ hoạt động tốt hơn nhiều so với polyurethanes. Nhiều người trong ngành đã rất ngạc nhiên khi Texaco sản xuất video polyurea được phun qua nước đá mà không ảnh hưởng đến phản ứng của các thành phần. Trình diễn này thường không gặp trong các ứng dụng trong thế giới thực. Việc áp dụng bất kỳ lớp phủ nào trên một lớp nền quá ướt hoặc chưa quét sơn / không chuẩn bị có thể có tác động bất lợi đến độ bám dính.
Các tổ chức như Hiệp hội kỹ sư ăn mòn quốc gia và Hội đồng sơn kết cấu thép ban hành hướng dẫn chuẩn bị và sơn lót bề mặt đúng cách. Bề mặt được chuẩn bị đúng cách sẽ cải thiện độ bám dính, đặc biệt đối với các ứng dụng quan trọng như bê tông ẩm làm lớp lót ngăn chặn và sàn, cũng như bảo vệ độ bám dính cho vải địa kỹ thuật, gỗ và thép. Trong các ứng dụng này, hệ thống polyurea sẽ có kết quả tốt nhất.
Tản nhiệt thường gây ra các vấn đề ứng dụng cho nền thép. Hệ thống polyurethane thông thường được áp dụng cho đế tản nhiệt có thể ảnh hưởng đến các đặc tính hoặc độ bám dính của lớp sơn đầu tiên. Không có vấn đề gì khi sử dụng hệ thống polyurea trên thép chuẩn bị.
Độ bền kéo vượt trội
Trong các ứng dụng chống thấm, cần có môđun thấp và chất đàn hồi có độ giãn dài cao để đáp ứng thách thức. Polyurethanes theo truyền thống được coi là có độ giãn dài cao hơn và mô đun thấp hơn polyurea có độ cứng tương tự. Tuy nhiên, thời của polyuretan có mô đun thấp hơn polyurea đã qua. Những tiến bộ hiện đại trong hóa học có nghĩa là polyurea được bào chế để tạo cảm giác mềm mại và đàn hồi như polyurethane. Đến lượt nó, điều này mở ra cánh cửa cho các nhà sản xuất OEM sản xuất da mềm "giống như nhựa vinyl", chẳng hạn, chọn polyurea. Các polyurea mới sẽ căng ra với lực ít hơn nhiều. Và, quan trọng hơn, polyureas sẽ chống lại các vết thủng và rách mạnh mẽ không kém polyurethanes.
Nội dung thấp hoặc không có biến động
Bảng 1: Ngành công nghiệp chế tạo tổng hợp và OEM đã chứng kiến một bước nhảy vọt trong việc sử dụng polyurea như một chất thay thế cho các este vinyl polyester không bão hòa và sợi thủy tinh polyester để sản xuất các bộ phận khuôn hở. Các tấm thân xe ô tô và đường cao tốc, cản va và các bộ phận khác chỉ là một vài trong số các bộ phận có thể dễ dàng được sản xuất nhanh hơn và không có khí thải độc hại. Nhiều nhà sản xuất trong ngành công nghiệp hàng hải, đồ đạc trong nhà tắm và phương tiện giải trí cũng có thể chuyển sang sử dụng polyurea như một sự thay thế đáng tin cậy, hiệu quả về chi phí cho các hệ thống FRP. Hàm lượng polyurea dễ bay hơi thấp cũng làm cho nó trở nên rất hấp dẫn đối với các không gian làm việc hạn chế. Nhiều cơ quan chính quyền địa phương và tiểu bang đang ngăn chặn lượng khí thải styrene. Không giống như sợi thủy tinh polyester hoặc epoxy, không có khói hoặc phát thải styren liên quan đến polyurea. Vì vậy,
Cho đến gần đây, các nhà sản xuất đã phải đối mặt với sự lựa chọn ngừng sản xuất hoặc, trong trường hợp các công ty lớn, trả tiền phạt và tiếp tục sản xuất với hy vọng có đủ tỷ suất lợi nhuận trong mỗi đơn vị sản xuất để duy trì hoạt động của công ty. Hệ thống polyurea cấu trúc hiện đại có thể cung cấp cho các công ty này một vật liệu sản xuất thay thế để loại bỏ tiền phạt của chính phủ và tăng lợi nhuận.
Chống mài mòn cao
Trong môi trường có độ mài mòn cao, polyurea hoạt động rất tốt. Trong các ứng dụng từng được cho là yêu cầu epoxit có hàm lượng chất rắn cao, polyurea đang chiến thắng ở mọi lượt. Trong ngành công nghiệp đường sắt và sà lan, polyurea được sử dụng thay thế vì độ giãn dài vượt trội và khả năng chống va đập cao. Epoxit sẽ nứt và tách lớp khi tiếp xúc với sức đập liên tục.
Độ bền và đặc tính vật lý của polyurea đã làm cho nó trở thành hệ thống được lựa chọn cho ngành công nghiệp lót giường xe tải đang phát triển nhanh chóng. Polyurea được phun thành một kết cấu đồng nhất trên bề mặt kim loại. Thêm vào đó, nhờ những đổi mới trong thiết bị ứng dụng, các ứng dụng bán lẻ và máy phun không chuyên nghiệp có thể nhanh chóng luân chuyển nhiều xe tải trong một buổi chiều. Polyurea đã chứng minh được những ưu điểm khác biệt của nó so với lớp lót polyurethane.
Chống nóng và chống cháy
Khi nói đến khả năng chịu nhiệt và chống cháy, polyurea có lợi thế hơn polyurethane có công thức tương đối. Do công thức của nó, polyureas cấu trúc / cứng có khả năng chống biến dạng nhiệt và chảy xệ rất tốt. Đồng thời, polyurea duy trì tính linh hoạt và khả năng chống va đập cao. Đây không phải là trường hợp đối với các bộ phận polyurethane có cấu trúc đúc luôn ở gần với nhiệt. Polyurethanes có xu hướng chảy xệ. Polyureas chống chảy xệ nhiệt và duy trì hình dạng của chúng.
Và khi nhiệt thực sự tăng lên, giống như trong trường hợp cháy, polyureas đương nhiên sẽ hoạt động tốt hơn hầu hết các loại nhựa polyme khác. Kết quả là ít khói và cháy lan là do cấu trúc phân tử của polyureas. Tiếp xúc với ngọn lửa liên tục trong 20-30 giây, polyurea sẽ tự dập tắt.
Sự ổn định lâu dài
Nhiều polyurea dựa trên prepolyme isocyanate béo có khả năng chịu thời tiết cao và bền màu. Các sản phẩm dựa trên prepolyme isocyanate thơm không bền màu và sẽ có xu hướng tạo phấn hoặc sẫm màu khi tiếp xúc lâu. Trong một thời gian dài, polyurea thơm là phiên bản chính của polyurea được sử dụng trong ngành công nghiệp. Vào giữa những năm 1990, chất béo polyureas đã được biến đổi chất béo và chất béo đã được phát triển. Những sản phẩm này đã cách mạng hóa ngành kinh doanh chất phủ. Giờ đây, người dùng cuối có thể yên tâm chọn polyurea cho các ứng dụng thường xuyên tiếp xúc với ánh sáng mặt trời mà không sợ bị phai màu và / hoặc phấn hóa.
Bảo vệ môi trương
Polyurea tiếp xúc được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như lớp phủ bê tông hoặc vải địa kỹ thuật cho các ứng dụng ngăn chặn thứ cấp. Thời gian bảo dưỡng nhanh chóng của Polyureas cho phép nó được thi công nhanh chóng trên bề mặt đã chuẩn bị sẵn với thời gian nghỉ dưỡng tối thiểu cho thiết bị. Điều này đã làm cho polyurea trở thành sự lựa chọn của các nhà quản lý cơ sở cho các bức tường xung quanh và sàn nhà trong điều kiện lưu trữ hóa chất của axit pha loãng, kiềm, dung dịch muối, dung môi hữu cơ và dầu. Polyurea cung cấp một rào cản chắc chắn để chống tràn ra môi trường. Trong loại ứng dụng này, polyurea dễ dàng phù hợp với chân tường, đường ống và các phần nhô ra để tạo thành một con dấu hoàn chỉnh. Có thể thêm lớp phủ polyurethane béo hoặc epoxy để tăng tính thẩm mỹ trong môi trường có độ ăn mòn quá cao đối với polyurea tiêu chuẩn.
Sự kết luận
Trong một thế giới ngày càng nâng cao nhận thức về môi trường, polyurea chứng tỏ là một lựa chọn hiệu quả và kinh tế cho các chính phủ và doanh nghiệp cho các nhu cầu về cấu trúc và đàn hồi của họ. Các cải tiến vật liệu về thời gian bảo dưỡng, độ cứng và khả năng chống cháy đang được thực hiện hàng ngày. Các cải tiến về thiết bị ứng dụng và đầu phun đang được giới thiệu nhanh chóng hơn bao giờ hết để đáp ứng nhu cầu về các phương tiện tốt hơn, hiệu quả hơn để đưa sản phẩm phun vào đúng vị trí.
Polyurea bảo vệ ô tô đường sắt khỏi bị ăn mòn
Khu vực trong và xung quanh toa xe lửa là một trong những nơi không thể tha thứ nhất cho bất kỳ lớp phủ nào. Sắt và thép tác động vào nhau có thể nhanh chóng biến lớp sơn epoxy liền mạch thành bụi và bắt đầu chu kỳ ăn mòn. Ngoài ra, việc tải và dỡ hàng liên tục của những chiếc ô tô chứa đầy than, gỗ, thép và ngũ cốc tạo ra một môi trường có độ mài mòn cao mà chỉ những lớp phủ cứng nhất mới có thể chịu được.
Trong các tình huống mài mòn cao, polyurea đàn hồi hoạt động tốt hơn các loại sơn truyền thống và lớp phủ epoxy về tính chất vật lý và tính kinh tế. Khi chi phí sửa chữa và bảo dưỡng toa tàu tiếp tục tăng, các chủ sở hữu toa tàu và các cơ quan quản lý vận tải đang chuyển sang sử dụng các lớp phủ bảo vệ hiệu suất cao để giữ cho toa tàu của họ hoạt động lâu nhất có thể.
Trong một ví dụ, Specialty Products Inc. (SPI), Tacoma, WA, đã được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) chọn để cung cấp lớp phủ cho nội thất của hơn 30 toa xe lửa. Nhưng những chiếc xe này sẽ không mang trọng tải trung bình. Dự án kêu gọi những chiếc xe này chứa và vận chuyển chất phóng xạ mức độ thấp qua Hoa Kỳ. Các lớp phủ polyurea dạng phun khác đã được xem xét nhưng SPI hoạt động tốt nhất cho ứng dụng này.
Việc vận chuyển trọng tải sẽ đủ thách thức. Bây giờ thời gian áp dụng sẽ kéo dài giới hạn của bất kỳ lớp phủ đàn hồi nào. Tất cả 35 toa trong dự án cần được chuẩn bị, tráng và sẵn sàng vận chuyển chỉ trong 28 ngày với những hạn chế về giờ hoạt động do quan chức sân tàu yêu cầu. Mỗi bước của dự án sẽ đưa ra một thách thức để vượt qua.
Đặc điểm kỹ thuật yêu cầu lớp phủ polyurea không cần sơn lót. Lớp phủ polyurea phải có độ bám dính tuyệt vời với thép và có thể chịu được sự mài mòn của tải trọng khi ô tô lao xuống dòng. Hơn nữa, mặc dù nền thép của toa xe lửa có nhiều điểm không hoàn hảo, nhưng bề mặt của lớp phủ phải 100% không có lỗ kim và lỗ hổng. Bất kỳ ngày nghỉ nào trong lớp phủ đều có thể dẫn đến hỏng lớp lót và giải phóng các chất phóng xạ ở mức độ thấp. Cuộc gọi đến Dan Helton, chủ tịch của Specialty Products, để tìm giải pháp. Helton đề xuất SPI's Polyshield HT, một lớp phủ polyurea nguyên chất hai thành phần phun, phun. Lớp phủ sẽ được phun với độ dày tối thiểu là 60 mils (1,5mm).
Theo Dick Hugo của Applied Surface Technology Inc., nhà thầu của dự án, "Lớp phủ là một lựa chọn hoàn hảo. Nó có thể được thi công nhanh chóng và dễ dàng trong sân tàu với thiết bị phân chia tỷ lệ số nhiều được gia nhiệt của Gusmer (r). Chúng tôi đã mua thiết bị trực tiếp từ Sản phẩm Đặc biệt. Nó giúp có một nguồn gọi chung cho vật liệu và thiết bị. "
Khu vực trong sân đường sắt được chỉ định để phun đã được làm lều để ngăn nước tràn sang các toa khác. Hugo nói thêm, "Để đáp ứng thời hạn, chúng tôi thực sự phải xếp các toa xe lửa và bắt đầu phun thuốc." Từng cái một, các bề mặt thép của những chiếc ô tô bị nổ với một biên dạng neo ba mil (0,075mm). Polyurea được áp dụng trong khoảng 60-80 mils (1,5-2 mm).
Ông nói: “Các Sản phẩm Đặc biệt đã cung cấp cho chúng tôi một lớp phủ có thời gian tạo gel chậm hơn bình thường để tạo ra một bề mặt đặc biệt mịn và tăng cường độ bám dính.
Thông thường, polyurea được biết đến với thời gian tạo gel cực nhanh (ít nhất là năm giây) để ngăn độ ẩm xung quanh hoặc bề mặt ảnh hưởng đến lớp phủ. Trong những trường hợp này, bề mặt của lớp phủ có xu hướng tạo thành bề mặt "vỏ cam". Tuy nhiên, polyurea cũng có thể được thiết kế để tạo gel chậm hơn. Nhờ đó, lớp phủ có thời gian chảy ra và tạo thành bề mặt nhẵn bóng như thủy tinh.
Theo John Hall, giám đốc dự án của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tại địa điểm Fernald, "Chúng tôi rất ấn tượng về việc polyurea được duy trì tốt như thế nào theo thời gian." Ông tiếp tục, "Lớp phủ polyurea rất chắc chắn trên thực địa. Nó bám dính rất tốt." Vật liệu này vẫn giữ nguyên vị trí qua mùa hè nóng nực và mùa đông lạnh giá của vùng tây nam Ohio.
Hugo cho rằng thành công của công việc là do lớp phủ phù hợp và một đội ngũ công nhân đặc biệt. Specialty Products cung cấp năm ngày đào tạo tại chỗ cho nhà thầu.
Boston Transit (công ty đường sắt di chuyển vật liệu), Bộ Năng lượng và Bộ Giao thông Vận tải đã kiểm tra dự án cuối cùng. Polyurea trực tiếp với kim loại phải chịu được thử nghiệm kéo đứt 1.750 psi. Các polyurea trôi qua với màu sắc bay. Cuối cùng, không một toa tàu nào có khuyết tật trên bề mặt. Những chiếc xe được hoàn thành trong vài giờ so với thời hạn.
