溫喜梅 王寶柱 郭焱 李永崗 王偉

(青島愛(ài)爾家佳新材料股份有限公司 山東青島 266100)

常規(guī)的防腐材料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯和乙烯基酯等,因其耐磨性、耐沖擊性、耐候性一般,且施工復(fù)雜、不環(huán)保,已不能滿足軍事領(lǐng)域防腐與防護(hù)的應(yīng)用要求。而噴涂聚脲材料與聚氨酯相比固化快,施工受環(huán)境溫濕度影響小;與環(huán)氧樹(shù)脂相比在力學(xué)性能、一次成膜厚度、柔韌性和環(huán)保等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),目前已在防水、防腐及軍事防護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在防護(hù)應(yīng)用領(lǐng)域,由于噴涂聚脲材料比普通材料固化速度快、施工便捷、立面連續(xù)噴涂不流掛,噴涂于產(chǎn)品表面成型后短時(shí)間內(nèi)即可運(yùn)輸,不發(fā)生粘連,尤其適用于工位數(shù)目受限條件下的大批量生產(chǎn)。

聚脲材料應(yīng)用范圍廣泛,國(guó)內(nèi)外每年都會(huì)發(fā)現(xiàn)關(guān)于聚脲材料新的應(yīng)用領(lǐng)域及方向。本文重點(diǎn)介紹了近年來(lái)其在軍事領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用情況。

1 在水面艦艇防腐中的應(yīng)用

每年因撞擊海岸或暗礁導(dǎo)致防腐涂層破壞的艦艇或沖鋒舟不計(jì)其數(shù),海水及鹽霧的腐蝕,會(huì)使船體的損壞情況進(jìn)一步惡化。美國(guó)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,船體的維護(hù)幾乎耗費(fèi)了整個(gè)維修過(guò)程的大半時(shí)間。因此為控制維修成本,美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)合成了一款快速固化的聚脲保護(hù)涂層,并已于1999年在船艦(如內(nèi)部艙室、舵板和潛艇防滑甲板)上得到了實(shí)際運(yùn)用[2]。

艦艇長(zhǎng)期處于海洋環(huán)境中,優(yōu)異的抗暴曬性、抗附著性和耐腐蝕性是艦艇甲板漆必須具備的性能。同時(shí),因人員會(huì)在甲板上頻繁往來(lái)走動(dòng),且有時(shí)在甲板上進(jìn)行設(shè)備或器械的裝卸,所以甲板漆必須具備優(yōu)異的抗沖擊性和耐磨性。美國(guó)海軍在其艦船甲板上使用了脂肪族聚脲涂層進(jìn)行防腐防護(hù)[3]。應(yīng)用表明,聚脲材料性能優(yōu)于傳統(tǒng)材料,兼具耐磨、抗沖擊和優(yōu)異防腐蝕的特點(diǎn),能改善防腐效果、延長(zhǎng)使用壽命,且迅速固化、環(huán)保無(wú)污染。

2 在潛艇與魚(yú)雷阻尼吸聲中的應(yīng)用

應(yīng)用到潛艇、魚(yú)雷等水下潛行設(shè)備表面的阻尼吸聲聚脲材料,有減振降噪性能,可躲避聲納探測(cè),達(dá)到隱形效果。除了材料本身應(yīng)有良好的阻尼性能,聚脲可一次成膜、成膜厚度可調(diào)且固化速度快等特點(diǎn)也是選材需要考慮的。另外，聚脲表面平滑,能夠減小水流帶給殼壁的脈動(dòng)壓力,降低運(yùn)動(dòng)設(shè)備輻射噪聲。

例如通過(guò)調(diào)整材料的彈性、伸長(zhǎng)率和硬度等指標(biāo)制備的具有海豚表皮及皮下脂肪組織力學(xué)特性的噴涂聚脲復(fù)合柔性減阻涂層,應(yīng)用在水下運(yùn)動(dòng)物體表面,在4 m/s的水流流速下,減阻作用能達(dá)到12%～15%;在3～10 m/s的水流流速下,普通柔性阻尼涂層減阻率平均為5.18%,而該復(fù)合涂層減阻率平均為6.84%,遠(yuǎn)高于普通涂層的平均水平[4]。美國(guó)仿生學(xué)家現(xiàn)已使用聚脲材料合成了可附于魚(yú)雷表面的柔性人造海豚皮涂層,在一定速度下,該涂層阻尼效果較為明顯[5]。

3 在軍用車輛防爆破中的應(yīng)用

聚脲復(fù)合材料在歐美地區(qū)已成功使用到軍用車輛(如裝甲車、坦克等)抗爆防護(hù)領(lǐng)域。美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)研究部門(mén)通過(guò)相關(guān)的研究發(fā)現(xiàn),聚脲材料不僅具有較高的力學(xué)強(qiáng)度、耐沖擊性及吸能性,而且具有優(yōu)良的柔韌性、彈性和耐腐蝕性,能夠有效地提高車輛底盤(pán)和車身的抗石擊和防腐能力[6-7]。

2004年美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)研究部門(mén)發(fā)現(xiàn),在Humvee(悍馬、快速軍車)底部噴涂聚脲彈性體涂層可有效地減小爆炸或榴霰彈對(duì)車輛和人員的傷害。為進(jìn)一步提高阻尼性能,可在B組分的制備過(guò)程中引入不同含量的酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性,同時(shí)通過(guò)添加具有片狀結(jié)構(gòu)的超細(xì)云母粉,使之與基體樹(shù)脂形成無(wú)數(shù)個(gè)“微觀約束阻尼結(jié)構(gòu)”,使聚脲材料具有較高的吸能性,與車輛底部復(fù)合裝甲相結(jié)合,可有效地抵御破甲射流侵徹,降低破甲型反坦克地雷爆轟波及爆炸物碎片對(duì)車輛破壞,同時(shí)可降低各種介質(zhì)的滲透速率,提高材料的防腐蝕性能[8]。將其應(yīng)用到車體內(nèi)表面或地板表面,在裝飾車輛和增強(qiáng)耐磨性能的同時(shí),還能減小噪音和振動(dòng),增加乘車舒適度[9]。

4 在軍需用具單兵防護(hù)中的應(yīng)用

士兵在作戰(zhàn)、訓(xùn)練或解決突發(fā)事故時(shí)應(yīng)注意安全防護(hù),穿戴或配備好訓(xùn)練服、防彈衣、頭盔以及盾牌等防護(hù)用具。這些安全防護(hù)用具需要具備抗沖擊、耐高低溫、不易燃、不易破碎等特點(diǎn),使其在使用過(guò)程中能夠起到包覆及防護(hù)作用,尤其是頭盔、盾牌和防彈衣。聚脲作為一種新型防護(hù)涂層,施工工藝簡(jiǎn)單,能夠根據(jù)需要在防護(hù)用具的任意曲面噴涂成光滑平面或磨砂面,且不流掛,很好地滿足上述要求[10]。另外聚脲防護(hù)涂層無(wú)毒無(wú)害,還可根據(jù)實(shí)際需要來(lái)調(diào)整涂層顏色,達(dá)到美觀和隱蔽被噴涂目標(biāo)的效果。目前青島愛(ài)爾家佳新材料股份有限公司生產(chǎn)的聚脲防護(hù)材料已被北京普凡防護(hù)科技有限公司、山東新興防護(hù)裝備制造有限公司和湖南中泰特種裝備有限責(zé)任公司等廣泛應(yīng)用在軍需用具的頭盔、插板及盾牌的防護(hù)上。

5 在防彈防爆方艙中的應(yīng)用

防彈防爆方艙是一類能夠廣泛使用在海陸空及武警部隊(duì)等多個(gè)領(lǐng)域的裝載體,具體應(yīng)用包括武器裝備、后勤保障、技術(shù)支持甚至通訊系統(tǒng)等等[11]。它能夠快速裝卸、便于運(yùn)輸,可以對(duì)使用人員和使用設(shè)備起到最大程度的保護(hù)作用。

現(xiàn)今方艙使用的防爆防彈材料一般是防彈玻璃、金屬板、各類復(fù)合材料(如纖維、陶瓷等)和彈性體材料。但是這些材料中很多自身都存在重要缺陷,嚴(yán)重限制了其應(yīng)用,比如鋼鐵材料密度大重量重,某些高性能合金質(zhì)輕但價(jià)格高昂等。采用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)聚脲彈性體復(fù)合防彈防爆材料,與鋼鐵金屬材料相比能夠大大減輕軍用方艙重量[12]。彈性聚合物材料對(duì)子彈的耗能減速機(jī)理是,當(dāng)子彈高速射擊而來(lái)時(shí),彈性體會(huì)受到巨大的沖擊力,此時(shí)的應(yīng)變速率能達(dá)105s-1,彈性體材料在較高頻率下,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度會(huì)升高,導(dǎo)致玻璃化轉(zhuǎn)變發(fā)生變化,同時(shí)在這種動(dòng)態(tài)力學(xué)條件下,應(yīng)力會(huì)跟不上應(yīng)變的變化,而出現(xiàn)滯后生熱,消耗大量能量,從而達(dá)到阻尼防彈的效果。

6 在軍用永久工程防護(hù)中的應(yīng)用

混凝土軍事永久工程在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中十分重要,但其在各種各樣嚴(yán)苛的使用條件下可能受到嚴(yán)重腐蝕或破壞,影響戰(zhàn)時(shí)的使用功能。而聚脲材料本身具有高強(qiáng)度、高抗沖和連續(xù)致密不滲漏的特性,其與芳綸纖維復(fù)合,應(yīng)用在軍用場(chǎng)合(如核電站、地下工事、隧道及洞庫(kù)等處),能很好地封閉混凝土表面的空隙,阻隔外界的腐蝕性介質(zhì),可有效遏制介質(zhì)中離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部對(duì)鋼筋造成侵蝕,使這些場(chǎng)合得到充分的保護(hù)，延長(zhǎng)其使用壽命[13]。1999年,輕質(zhì)耐磨的高性能聚脲材料就被美軍材料專家使用于混凝土建筑表面,能夠有力地抵御爆炸沖擊,有效降低破片毀壞力。

噴涂聚脲材料施工速度快,可以滿足軍事工程對(duì)于戰(zhàn)時(shí)搶修和強(qiáng)建的特殊要求,噴涂快反應(yīng)型聚脲于易發(fā)生塌方、滑坡和泥石流等不穩(wěn)固地方,能夠在關(guān)鍵時(shí)刻和突發(fā)事件發(fā)生時(shí)快速修復(fù)，減少事故造成的損失。可利用聚脲涂層的抗撕裂和高彈性在坍塌事故發(fā)生時(shí)防止粉碎性破裂和濺落,保護(hù)受損墻體,避免二次傷害[14-16]。根據(jù)美國(guó)防務(wù)領(lǐng)域資料顯示,這類抗爆型建筑材料已經(jīng)在五角大樓的部分墻體上投入使用[17]。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)的聚脲材料技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用與國(guó)外相比還存在一定差距,普通噴涂聚脲材料無(wú)法滿足多種功能需求。例如,在防彈和防爆破領(lǐng)域需要聚脲材料具有非常高的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度;在軍需庫(kù)、加油站需要聚脲材料具有優(yōu)異的阻燃性能等,因此需要對(duì)常規(guī)噴涂聚脲進(jìn)行改性研究。另外,在聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗爆防護(hù)應(yīng)用方面,僅研究了影響聚脲復(fù)合材料抗爆性能的因素,但各因素對(duì)抗爆的作用規(guī)律、沖擊波在聚脲材料中的衰減、聚脲復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面研究不成體系。這要求研究人員對(duì)聚脲材料進(jìn)行更深入的研究,提高聚脲材料的各項(xiàng)性能指標(biāo),拓寬其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用,為我國(guó)國(guó)防建設(shè)作出更大的貢獻(xiàn)。