聚脲材料防爆手套的研制與性能評價

劉 巍 周 建 鮑蓓蕾 劉玉軍 邱 燁 孔維恒

(1.中國海關科學技術研究中心，北京 100026；2.山西聚脲防護材料有限公司，太原 030032)

制造爆炸現象是犯罪分子破壞社會公共安全，危害人民生命財產安全的重要手段之一，其后果非常嚴重。針對風險可疑郵寄物，研發適用于多種風險因子并存環境下使用的防護裝備極為重要。

聚脲具有優異的防水性、耐老化性、抗紫外線、防止老化、變色等性能，可應用于高檔建筑物的屋頂防水;聚脲材料還具有優異的耐磨、消音、降噪性，其耐磨性是碳鋼的10倍，環氧樹脂的3～5倍,可用于經常有人走、車輛活動多的工業重載地坪地下車庫地面、工業廠房地面，體育場看臺、運動場地面等[1,2]。作為防彈和防爆材料，聚脲也大有作為。防彈聚脲是一種超硬、超級堅韌的能量吸收材料。當子彈擊中涂層時，硬度迅速提高可以消耗掉大部分能量，網狀分子結構可以在背彈面將彈頭兜住，阻止子彈穿透；防爆聚脲是一種超級堅韌的皮膚式涂層，具有強大的吸能轉化功能。當遇到爆炸沖擊波后，其玻璃化溫度迅速改變，硬度瞬間提高幾十倍，可以承受巨大的爆炸沖擊而不破壞。可用來加強各種軍用基板的防爆能力[3]。例如,裝甲車輛抗爆組件、軍車、建筑物結構加固等,能夠防止被保護基板在遇到爆炸發生時產生碎裂和形成碎片，顯著減少人員傷亡和財產損失[4]。

基于聚脲的優異性能，可用其制造防爆手套，作為直接接觸小型可疑爆炸物的防護裝備，本文研制了聚脲防爆手套的制備方法，并對其應用性能進行了評價研究。

1 聚脲材料的制備及工藝控制

1.1 聚脲的制備方法

聚脲作為一種A、B雙組份、無溶劑、快速固化的彈性材料；A組份是由端氨基或端羥基化合物與異氰酸酯反應制得的半預聚物；B組份是由端氨基樹脂和端氨基擴鏈劑組成的混合物。在生產A 組份時，為降低能耗，反應釜升溫到70℃～90℃之后，開啟真空系統，同時從反應釜底部充入氮氣，脫去反應釜中物料的水分。聚脲A組份脫水時間由原來的4小時減少到0.5～1.5小時，脫水溫度由原來的110℃～130℃降低到70℃～90℃，此外，由于脫水溫度降低，A組份不容易變黃，從而提高了產品品質。

在生產B組份中，B組份反應釜代替拉缸，專門用于生產聚脲B組份，反應釜體積加大到5m3；聚脲B組份4小時可生產5m3，提高了生產效率。

1.2 生產工藝

(1)A組份的生產工藝：

反應釜內加入按質量比為40～50份，分子量1500～2500，官能度為2的聚氧化丙烯醚多元醇，8～10份鄰苯二甲酸二異壬酯(DINP)。DINP是一種增塑劑，而多元醇將與要加入的異氰酸酯反應，生成含異氰酸酯根的預聚體；

反應釜升溫到70℃～90℃之后，開啟真空系統，同時從反應釜底部充入氮氣，脫去反應釜中物料的水分。0.5～1小時后，反應釜中物料水分檢測小于0.05%后，降溫到40℃～70℃，加入20～25份4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(4,4′-MDI)，15～26份2,4′-二苯甲烷二異氰酸酯(2,4′-MDI)。在60℃～90℃溫度下反應1.5～4.5小時后，降溫至60℃以下，過濾，出料包裝。工藝流程見圖1。

(2)B組份的生產工藝：

反應釜內加入分子量1500～2000、官能度為2的聚氨酯基聚醚，分子量300～500、官能度為2的聚氨酯基聚醚，防分色助劑；分子量1500～2500、官能度為2的聚氨酯基聚醚50～55份、分子量300～500、官能度為2的聚氨酯基聚醚3～5份，防分色助劑0.01～0.05份。開啟攪拌系統，調轉速至300～600轉/分。在此轉速下，加入0.1～0.5份脫水劑，調轉速至900～1200轉/分，高速分散30～35分鐘。

然后依次加入分子量150～200、官能度為2的胺擴鏈劑、分子量280～330、官能度為2的胺擴鏈劑、紫外線吸收劑、消泡劑、增塑劑、潤濕分散劑、金紅石型鈦白粉、黑色漿、分子量4000～6000、官能度為3的端氨基聚醚到反應釜內，攪拌30～35分鐘至充分攪拌均勻。用100目過濾網過濾，充氮密封包裝。工藝流程見圖2。

圖2 B組分工藝流程

2 聚脲防爆手套的制備

與常規聚脲材料相比，聚脲防爆材料的防爆破機理非常復雜，對拉伸強度、斷裂強度等力學性能要求較高。通過對軟段種類，相對分子質量、硬段含量及異氰酸酯指數等因素研究后，聚脲防爆手套的制備采用以下工藝流程。

(1)聚脲材料的調制

聚脲材料的分子主鏈是由柔性鏈段(軟段)和剛性鏈段(硬段)交替組成的嵌段共聚物，其中硬段包括脲鍵和氨酯鍵。硬段與軟段在熱力學上的不相容性產生了微相分離，微相分離結構賦予了聚脲材料優異的物理和機械性能。軟段提供韌性和彈性，硬段貢獻剛性和強度。調整B組份中端氨基擴鏈劑添加量，使材料中軟段分子增加，這對于聚脲彈性體的防爆性能起著關鍵作用。同時根據防爆手套的特點，對材料的柔性要求很高，因此研制時大幅增加了端氨基擴鏈劑的使用量。

(2)聚脲材料硬度的確定

根據端氨基擴鏈劑使用量的不同，制備5種聚脲材料，涂布于織物表面，干燥后考察涂層織物的硬度，根據防爆手套的使用場景，確定合適的軟硬度。

(3)防爆手套的底涂工藝。

制備A、B兩組分，先將各組分取出少許，在燒杯中混合并快速攪拌，將攪拌均勻的漿料快速涂布于普通針織勞保手套表面，使涂層全面覆蓋手套表面，且使涂層厚度均勻。該工藝使手套表面形成一道薄膜，便于后續噴涂。涂布后，常溫晾干備用。

(4)防爆手套的噴涂工藝

兩個組分混合涂布于手套表面，會快速反應固化成為類似橡膠的材料，待表面干后(手指按壓不沾手)進行噴涂。

AB兩種液體在專用噴槍內高溫(70℃)高壓(150～170公斤)快速撞擊混合，快速噴涂到已經過底涂的手套表面，使涂層均勻。制備3種不同厚度手套，人工試用，選擇合適的厚度[5]。

(5)風化干燥

噴涂后的手套，常溫室內放置7天，AB兩種材料進一步反應，最終達到設計指標(成品如圖3)。

圖3 風化干燥完成的防爆手套成品

3 成品性能的測試

由于防暴手套這樣的柔性物質，防暴效果很難測試，我們尋找了替代方法。項目組定制了5只氣球，并對這些氣球進行了均勻性檢驗。試驗時用移液槍向氣球內定量加注3mL蒸餾水并進行封閉。在專業爆炸測試場地用20克黑火藥進行爆炸測試(相當于12克TNT當量)。在一定距離下當5只氣球均被爆破，記錄此時氣球頂點距爆炸點的距離。測試結果如下：

(1)無防護情況下，50cm時，5只氣球均被爆破(據長期從事煙花爆竹測試人員評估，此時會使人體造成嚴重傷害)；

(2)將注水后的氣球置于普通勞動保護手套內，30cm時，5只氣球均被爆破；

(3)將注水后的氣球置于本項目研制的兩種防爆手套內，20cm時，部分氣球才會被爆破；

(4)將注水后的氣球置于本項目研制的兩種防爆手套內，15cm時，5只氣球才會全部被爆破。

4 結論

本項目研制的兩種防暴手套，均對爆炸物有相當的防護效果。發現可疑爆炸物且必須人工開啟包裝時(此時一般為小包裝，大包裝可使用機械臂拆包)，只要借助長度20cm以上的工具，如長柄鉗子、改錐等即可有效保護拆包人員不受嚴重傷害。