聚脲彈性體力學性能及爆炸防護的研究進展

王 旭，呂 平，閆 帥，方志強

(青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033)

0 前 言

聚脲彈性體是一種高分子化合物，由異氰酸酯組分和氨基化合物快速交聯的加聚反應而形成，其中異氰酸酯是異氰酸酯組分中的主要原料之一，包括二異氰酸酯、三異氰酸酯和它們的改良體；氨基化合物一般包括芳香族端氨基聚醚和脂肪族端氨基聚醚[1-3]。

聚脲彈性體性能優異，被專家和學者們所認可用于防爆抗爆領域?？紤]到聚脲彈性體反應快速固化的特點，反應物在壓力條件下通過槍孔推出之前，在混合模塊中單獨儲存并反應，聚脲的實際加工只能通過反應噴涂技術實現，隨著聚脲彈性體研究的深入，噴涂聚脲彈性技術逐漸問世并逐漸應用于實際工程中。噴涂聚脲彈性體技術是國外近年來繼高固體分涂料、水性涂料、輻射固化涂料、粉末涂料等低(無)污染涂裝技術之后，為適應環境需求而研制、開發的一種新型無溶劑、無污染的綠色施工技術，它是在反應注射成型技術的基礎上發展起來的，其主要原料是美國Texaco/Huntsman公司首先開發的端氨基聚氧化丙烯醚[3]。國內方面，中國聚脲技術發明人黃微波教授團隊最早對噴涂聚脲體技術進行系統研究，并取得了大量的研究成果，應用于北京奧運工程、京滬高鐵、港珠澳大橋、青島膠州灣大橋以及青島地鐵等國家重點工程?？梢?，聚脲彈性體在防護領域中有著廣闊的發展前景。

通過以介紹聚脲彈性體的性能為依托，綜合國內外關于聚脲彈性體涂層抗爆防護方面的相關文獻，綜述了聚脲彈性體在砌體結構和鋼結構方向的研究進展，介紹了聚脲彈性體在爆炸防護領域中表現的優異抗爆能力和良好的吸能特性。

1 聚脲彈性體的力學性能研究

1.1 聚脲彈性體微觀結構

聚脲彈性體作為一種彈性聚合物，其分子結構獨特，對于聚脲彈性體的化學反應實質上是半預聚物與氨基聚醚及胺類擴鏈劑的反應，因此可以通過調節擴鏈劑等反應物來改善聚脲彈性體的力學性能。Iqbal等[4]改變了擴鏈劑種類和用量，設計了多種配方，并對樣品進行了動態力學分析、熱重分析等多種測試，得出芳香族與脂肪族擴鏈劑的最佳配比可使氫鍵化程度更加適中，同時氫鍵形成程度與聚合物的儲能模量成正比，可有效改善聚脲彈性體力學性能。引入擴鏈劑可有效使氫鍵多形成于聚脲分子結構中的硬鏈段部分。聚脲彈性體由硬段和軟段組成(聚脲彈性體分子結構如圖1[5])，從圖1可以看出，聚脲彈性體分子結構中具有強極性的含脲鍵(-NH-CO-NH-)鏈段和芳香族鏈段，其中共聚合反應產生高度極性的含脲鍵與R官能團相連的脲鏈在單個聚脲鏈中形成所謂的硬段，而軟段由同一鏈段中脂肪族鏈段組成[6]。由于聚脲彈性體分子中軟硬段比例對其力學性能有一定的影響，Tripathi等[7]發現通過調整芳香族和脂肪族擴鏈劑的比例有利于氫鍵的結合，同時用低分子量脂肪族擴鏈劑代替少量芳香族擴鏈劑制成聚脲彈性體涂料，可以有效提高聚脲彈性體的力學性能。Fragiadakis等[8]通過化學計量的變化改變聚脲彈性體分子中軟硬段比例，從而研究其力學性能的變化，對不同化學計量的聚脲彈性體軟鏈段節段弛豫時間受溫度和壓力變化的影響進行了測試，發現隨著硬段含量的增加，節段弛豫時間的壓力敏感性顯著增加，但是軟段含量隨化學計量的變化的影響很小，在實際工程應用中化學計量對聚脲彈性體的力學性能影響較小。

王偉等[9]定量地研究了軟硬鏈段含量對聚脲彈性體材料力學性能的影響，得到當軟鏈段相對分子質量逐漸增大時，軟鏈段與硬鏈段之間的氫鍵作用降低，聚脲彈性體的硬度、拉伸強度及撕裂強度有所下降，而伸長率有所增加；當硬段含量增加時，聚脲彈性體的拉伸強度提高并逐漸趨于穩定，撕裂強度增大而斷裂伸長率有所下降。聚脲彈性體中硬鏈段間存在較強的氫鍵作用，對聚脲彈性體的力學性能有著極大的影響，李婷等[10]通過變溫紅外和X射線衍射等手段研究了氫鍵對聚脲彈性體微觀結構的影響，發現當溫度達到165 ℃時，氫鍵出現大量解離，并且在氫鍵解離后聚脲彈性體硬段微區結構發生重組。劉檢仔等[11]通過多種手段探討了硬段含量對聚脲彈性體氫鍵形成程度、微觀結構及其力學性能的影響，發現當硬段含量逐漸增加，聚脲羰基氫鍵化程度有所增加，軟段相的微相分離率有所下降，硬鏈段的有序程度逐漸增加，并且當硬段含量達到35%時，聚脲彈性體的力學性能表現最優。

1.2 聚脲彈性體的宏觀性能

聚脲彈性體獨特的分子結構使其具有良好的力學性能，理論上聚脲彈性體可以通過微觀結構內硬鏈段中氫鍵的斷裂吸收部分能量，為了研究聚脲彈性體在宏觀不同情況下的力學性能和吸能機理，對聚脲彈性體進行靜態或準靜態壓縮試驗和霍普金森壓桿試驗，研究聚脲彈性體的應力 - 應變行為。起初，Yi等[12]研究了聚脲彈性體在高應變率下的應力應變關系，發現在低應變率下聚脲彈性體呈現橡膠態而在高應變率加載條件下聚脲彈性體呈現革質或玻璃態，同時在高應變率下聚脲彈性體的應力應變行為表現出很強的應變率敏感性。同樣，張強等[13]對聚脲彈性體材料在準靜態和不同應變率下的動態壓縮試驗發現，聚脲彈性體的應力應變曲線呈現出明顯的非線性和應變率敏感性。Roland等[14]利用新式落錘試驗儀器對聚脲彈性體進行了低速和高速落錘試驗，對聚脲彈性體的應力應變曲線進行分析，得出聚脲彈性體具有更均勻的應變率和確保均勻應變的能力。王波等[15]對聚脲彈性體進行了準靜態壓縮和動態壓縮試驗，給出了不同應變率下的應力 - 應變曲線，發現聚脲彈性體在不同應變率下都可以分為普通彈性階段、高彈性階段和非線性變形階段3個階段，隨著應變率的增加，應力提高同時聚脲彈性體的強度也增加。

研究表明，溫度對不同情況下的聚脲彈性體應力應變曲線有一定影響，Chen等[16]研究了聚脲彈性體材料在不同溫度下的力學性能，通過分離式霍普金森壓桿試驗獲得了聚脲彈性體在單軸壓縮荷載和受限壓力下與應變率相關性的應力 - 應變行為，試驗結果表明，聚脲彈性體在單軸壓縮下的有限變形應力 - 應變行為與溫度有關，并且是高度非線性的。但是，在受限壓力下，聚脲彈性體的軸向應力 - 應變關系在改變溫度的情況下表現較弱，并且呈近似線性；同時隨著溫度的升高，聚脲彈性體的動態軟化行為變得更加明顯。Guo等[17]在一定溫度和應變率范圍內，對2種聚脲彈性體在單軸應力狀態和準一維應變狀態下的壓縮力學行為進行了研究，發現在線彈性范圍內聚脲彈性體的壓縮應力應變曲線對應變率和溫度都具有顯著敏感性(如圖2、圖3)，從圖中可以看出，低應變率下的單軸壓縮的聚脲彈性體表現出應變率依賴性并且是高度非線性的；同時從圍壓加載試驗獲得的聚脲彈性體應力應變曲線可以發現，聚脲彈性體表現出較弱的應變率敏感性并且是近似線性的。

此外，對于不同應變率下聚脲彈性體的拉伸試驗研究，Pathak等[5]在高應變率下對聚脲彈性體進行了拉伸應力應變測試，發現聚脲彈性體隨著剛度、強度以及應變率的增加，破壞應變是降低的；同時運用X射線小角散射法對拉伸狀態下的聚脲彈性體進行了分析，在低應變速率下散射模式是各向異性而在高應變率下呈現同向異性，導致散射模式不同的原因可能是與聚脲彈性體分子中硬段微區的形成有關。Qiao等[18]總結前人的經驗，對聚脲彈性體進行了低應變率下的拉伸測試，研究了聚脲彈性體在低應變率下的應變率敏感性，發現低應變率下聚脲彈性體拉伸力學性能與中等應變率下拉伸力學性能相似，同時其數據與低應變率下的壓縮數據一致。Rull等[19]對聚脲彈性體進行了單軸拉伸試驗，發現硬鏈段較多的聚脲彈性體有較高的應變率敏感性同時表現出玻璃態。

綜上，聚脲彈性體具有由軟段和硬段組成的獨特的分子結構，使其表現出優異的宏觀性能。在不同應變率下，聚脲彈性體的應力應變曲線呈現非線性，并且低中應變率下的聚脲彈性體力學性能相似，隨著應變率的增大，聚脲彈性體會呈現一個形態的轉變，即由低應變率下的橡膠態逐漸向高應變率下的玻璃態轉變。通過對聚脲彈性體分子結構及不同情況下的力學性能變化的深入研究，可以更好地將聚脲彈性體材料應用于實際防護結構中，發揮其優良的防護效果，減少各類爆炸等造成的傷害。

2 聚脲彈性體涂層在防護結構中的抗爆研究

2.1 在砌體結構中

大量研究表明，在諸多爆炸事件中房屋倒塌對人們的生命財產安全造成的損傷較大，其中墻體和窗戶破壞后產生的爆炸碎片成為大量人員傷亡的主要原因，由此對砌體結構的加固防護研究被提上議程。起初，由美國空軍實驗室首先使用碳纖維和芳綸纖維來增強砌體墻的抗爆性能，并著手進行高分子聚合物材料對墻體防護的研究，經過大量試驗最終選擇了聚脲彈性體涂層應用于砌體墻的防護[20]。隨后，大量專家和學者針對聚脲彈性體涂層增加墻體抗爆性能這一方面進行了廣泛的研究。

蒲興富[21]利用有限元軟件對聚脲彈性體涂覆砌體墻進行了模擬仿真分析，對不同TNT用量下有無聚脲彈性體噴涂的砌體墻中心截面破壞情況進行對比可以發現，20 kg TNT時沒有聚脲彈性體涂層的砌體中部裂紋較大，而有聚脲彈性體的涂層沒有出現裂紋，說明聚脲彈性體對于砌體的破壞進程具有延遲作用，可有效抵抗爆炸破壞。當加大藥量至50 kg TNT時，沒有聚脲彈性體涂覆的砌體出現嚴重破壞同時產生許多墻體碎片，有聚脲彈性體涂覆砌體破壞程度較小并且幾乎沒有碎片飛濺，可見聚脲彈性體可提高砌體結構的抗爆能力。尚偉等[22]對不同工況下的砌體墻進行了接觸爆炸試驗，得到了0.5 kg和1.0 kg TNT 5種工況下砌體墻的試驗結果，在藥量1.0 kg下，聚脲彈性體加固的砌體墻所測的超壓值小于超壓標準(0.1 MPa)，聚脲彈性體可有效減少墻體破壞損傷，增強砌體墻的抗爆能力。

聚脲彈性體涂覆砌體墻可有效增強其抗爆能力，為探討不同加固方式下的砌體墻的抗爆能力，美國陸軍工程大學的Baylot等[23]對砌體墻進行不同方法的試驗研究，對其進行改造。利用纖維復合材料、鍍鋅鋼板和聚脲彈性體涂層3種加固方式進行爆炸試驗，結果表明，聚脲彈性體涂層加固的墻體能夠保持更好的完整性，可以將墻體破片和飛屑包覆在結構體內，減少碎片飛濺，避免屋內人員受傷。同時，王軍國[24]對有聚脲彈性體加固的無支撐粘土磚構筑的砌體單墻進行了抗爆測試，發現有聚脲彈性體涂層加固的砌體單墻具有良好的抗爆能力；又對有支撐條件的砌體單墻進行了不同加固方式的爆炸試驗，發現背爆面有聚脲彈性體加固的砌體單墻受爆炸后沒有產生爆炸碎片，可見聚脲彈性體在墻體防護中的包覆效果良好；同時發現同種工況下雙面涂覆聚脲彈性體砌體單墻的損傷破壞比單面涂覆的更小，綜上可知不同加固方式下砌體墻的抗爆能力有所不同。

聚脲彈性體涂層厚度對砌體結構的抗爆能力有著巨大影響，為了定量研究不同聚脲彈性體涂層厚度對砌體墻抗爆能力的影響，王軍國等[25]固定聚脲彈性體涂層厚度均為3 mm，通過試驗得到聚脲彈性體涂層加固的砌體結構的抗爆能力明顯增強，并且背爆面爆炸碎片明顯減少；對聚脲彈性體加固墻體的增強機制進行分析，發現聚脲彈性體加固層可以有效降低砌體結構運動形式對爆炸能量的吸收，減慢爆炸荷載作用下砌體結構的運動速度，減少墻體位移來提高砌體結構的抗爆能力。Tao等[26]比較了3 mm厚和4 mm厚的聚脲彈性體涂層加固砌體結構的爆炸試驗結果，發現噴涂3 mm厚聚脲彈性體的砌體磚墻在爆炸荷載下損傷較小，只有輕微的凹陷變形并且沒有產生墻體碎片；噴涂4 mm厚的聚脲彈性體的砌體墻沒有破壞，顯示出良好的防爆性能，聚脲彈性體可有效減少墻體的破壞碎片，減少爆炸荷載下砌體墻的變形與位移，改善砌體墻的抗爆能力。田力等[27]運用ANASYS/LS - DYNA軟件模擬了不同厚度聚脲彈性體加固混凝土空心砌塊填充墻在不同爆炸荷載作用下破壞情況，試驗結果發現隨著聚脲彈性體涂層厚度的增加，墻體中心點位移明顯減少，說明聚脲彈性體加固后的砌體墻抗爆能力提高。此外，Ghaderi等[28]運用數值模擬的方法探討聚脲彈性體涂層厚度對墻體中心位移的影響時，發現當聚脲彈性體剝離表面超過墻體的總接觸表面的10%時，聚脲彈性體涂層吸能效率大大降低，墻體從中心位置和四角開始破壞，呈現剪切破壞模式，同時聚脲彈性體涂層可以通過吸收應變能來提高墻體的抗爆能力。Gu等[29]模擬了不同聚脲彈性體涂層厚度和不同加固方式下的砌體墻在爆炸荷載作用下的破壞情況，發現隨著涂層厚度的增加，墻體的最大位移減少，說明墻體的抗爆能力逐漸增強；此外，隨著聚脲彈性體涂層厚度的增加，墻體變形量減少，涂層的內能降低，墻體通過砂漿或磚的破壞吸收了更多的能量；同時通過數值模擬發現雙面噴涂聚脲彈性體的砌體墻的抗爆能力相較于單面加固或者未加固的砌體墻更好。

2.2 在鋼結構中

目前，在鋼結構防護應用中，聚脲彈性體材料因其良好的吸能特性成為該領域研究熱點，國內外眾多專家和學者對此進行了大量研究。

Ackland等[30]研究了爆炸荷載下聚脲彈性體涂層對鋼板破壞的影響，試驗結果表明與相同面密度的有聚脲彈性體涂層的鋼板相比，裸鋼板最有效地耗散了爆炸能量，從而使鋼板變形最小，而有聚脲彈性體涂層的鋼板會引起較大的殘余板變形，而殘余變形隨涂層厚度的增加而增加。對于雙面涂覆的鋼板，Samiee等[31]對有無聚脲涂層的圓形鋼板的動態響應和變形情況進行了仿真分析，結果表明有聚脲彈性體涂層的鋼板的抗爆能力要優于無涂層防護的鋼板，同時在背爆面涂覆聚脲彈性體涂層鋼板表現出比迎爆面涂覆和無涂層鋼板2種情況更好的抗爆炸破壞的能力，并且隨著聚脲彈性體涂層厚度的增加，抗爆能力的差異變得更加明顯。在上述試驗的基礎上，Amini等[32]通過彈丸撞擊受限的水層或軟質聚氨酯層，繼而傳遞脈沖并加載由中空鋼瓶支撐的樣品來模擬爆炸荷載對鋼制樣品的影響，結果表明當將聚脲彈性體層澆鑄在正面(迎爆面)上時，其存在會在最初的電擊效應期間促進破壞。在脈沖壓力下，聚脲彈性體層的剛度會大大增加，達到了與鋼更好的阻抗匹配，從而增加了傳遞到板上的能量。另一方面，當將聚脲彈性體澆鑄到背面上(背爆面)時，初始沖擊首先將鋼板加載，然后一部分沖擊由于聚脲層的粘彈性而被聚脲層吸收并消散。在鋼板的背爆面涂覆聚脲彈性體層的抗爆效果相較于迎爆面更好。對于水下爆炸而言，甘云丹[33]模擬了不同爆距下聚脲彈性體涂覆鋼板水下爆炸試驗，結果表明聚脲彈性體涂覆的鋼板相比于無聚脲彈性體涂層的鋼板的抗爆能力強；并且通過不同涂覆方式的軟件模擬發現，背爆面涂覆聚脲彈性體的鋼板要比迎爆面涂覆和雙面涂覆的鋼板的抗爆能力強；同時對不同聚脲彈性體涂層厚度的數值模擬發現，隨著聚脲彈性體涂層厚度的增加，鋼板的抗爆能力并沒有顯著增強，在實際工程中需要根據不同情況選擇不同的涂層厚度。同樣Dai等[34]進行了有無聚脲彈性體涂層的鋼板水下爆炸試驗，發現無聚脲彈性體涂層鋼板在水下爆炸后呈現花瓣狀破裂；迎爆面涂覆聚脲彈性體在水下爆炸后，鋼板沒有破裂而是在鋼板中心出現圓形的脫膠區域；背爆面涂覆聚脲水下爆炸后鋼板表面聚脲彈性體層出現剝離并破碎；同時通過試驗得出了有無聚脲彈性體層鋼板水下爆炸試驗結果，發現聚脲涂層可有效減輕斷裂或降低鋼板的變形，并且隨著聚脲涂層厚度的增加，鋼板最大撓度減小，鋼板破壞減輕，由上可知聚脲彈性體涂層可以提高鋼板的水下抗爆能力。

另外，Chen[35]用數值模擬的方法來評估聚脲彈性體涂層鋼結構在極端事件下的結構性能，發現適當的聚脲彈性體涂層厚度和粘結強度對于防止鋼結構損壞是至關重要的，通過涂層鋼板和未涂層鋼板之間的動能比較，得到聚脲彈性體是一種有效的能量吸收材料，可以用于鋼結構的防護涂層。研究表明，相較于在鋼板表面涂覆聚脲彈性體，聚脲彈性體 - 鋼板夾層結構的抗爆效果會更好，翟文等[36]運用數值模擬的方法對聚脲彈性體 - 鋼板夾層結構進行不同工況下抗爆性能研究，分析了夾層結構的變形特點與吸能特性，發現聚脲彈性體可以吸收爆炸產生的能量，降低鋼板的變形，同時在爆炸荷載作用下沒有破片產生。戴平仁等[37]運用數值模擬的方法研究了聚脲彈性體作為夾層的靶板的抗爆性能，發現在鋼板迎爆面噴涂聚脲彈性體爆炸后會發生大面積失效，在背爆面容易發生韌性斷裂，與其他結構相比聚脲彈性體作為夾層構成的“三明治”結構的靶板抵抗變形能力更強，靶板的整體性較完整，抗爆能力更好。在上述的研究中可以知道，聚脲彈性體夾層結構的抗爆效果更好，在此基礎上，王小偉等[38]考慮了復合夾層結構厚度和質量固定2種情況，應用LS - DYNA有限元軟件，模擬了不同的聚脲彈性體夾層厚度對復合夾層結構在爆炸荷載下的動態響應，得到了在不同條件下5種復合夾層結構的變形情況。結果顯示：當厚度固定時，隨著聚脲彈性體夾層的厚度逐漸減小，底面板最大軸向變形逐漸減少，徑向變形先增大后減小，抗爆能力先增強后減弱，當聚脲彈性體夾層厚度為1.2 cm時，抗爆能力最好；同樣，當總質量一定時，當聚脲彈性體厚度為3.5 cm時，結構抗爆能力最強。

此外，為了研究不同約束條件對于聚脲彈性體涂覆鋼板的抗爆能力影響，王殿璽等[39]利用有限元軟件模擬了不同爆心距、炸藥量、聚脲彈性體層厚度對鋼板變形的影響，圖4中可以看出，當聚脲彈性體厚度相同、炸藥質量不變時，隨著炸藥質心與鋼板之間距離的增加，鋼板的最大位移近似呈指數形式遞減，擬合公式如圖4；由圖5可以發現，在保持其他變量不變的情況下，隨著炸藥量的逐漸增加，鋼板中心區域的最大位移近似呈線性增加趨勢，擬合公式如圖5；圖6中，在保持其他變量不變的情況下，隨著涂覆在鋼板背面聚脲涂層厚度的增加，鋼板的最大位移近似呈線性減小趨勢，擬合公式如圖6。

趙鵬鐸等[40]針對聚脲彈性體涂覆箱體結構的抗爆性能進行了研究，可以得到相較于無聚脲彈性體涂層箱體結構，有聚脲彈性體涂層防護的箱體結構變形較小，抗爆能力提高；同時由圖7也可以看出，工況1中箱體結構破壞嚴重，裂口較大，而工況2、工況3中有聚脲彈性體涂覆的箱體結構整體性保持良好，變形程度有所改善；等厚鋼板箱體結構涂覆聚脲彈性體后其結構抗爆性能得到明顯提高，且在外壁面涂覆聚脲彈性體的箱體結構抗爆效果優于內壁面涂覆聚脲。

綜上所述，在砌體結構和鋼結構的爆炸過程中，聚脲彈性體可以通過自身良好的黏彈性和吸能特性，吸收大量爆炸荷載并包裹結構碎片，減少結構的破壞變形，提高其抗爆能力。在此基礎上，通過改變聚脲彈性體涂層厚度、涂覆方式等條件來研究聚脲彈性體涂層在爆炸荷載作用下對結構的影響，研究結果表明，對于砌體結構，雙面涂覆或背爆面涂覆的抗爆效果由于迎爆面；對于鋼結構，聚脲彈性體作為夾層，適當的厚度時抗爆效果更優，其次是背爆面涂覆聚脲。改變聚脲彈性體涂層的厚度可以改善涂覆聚脲彈性體結構的抗爆能力，但也不宜過厚，對于鋼結構來說，當涂層厚度是鋼板厚度5～10倍時，結構抗爆效果最好。

3 結 語

聚脲彈性體作為涂層或夾層應用于爆炸防護結構，可以極大地增強結構的抗爆能力，大量研究表明：聚脲彈性體涂層可以更好地防止砌體結構和鋼結構的破壞變形，同時減少結構爆炸碎片，防止造成二次傷害。隨著近年來聚脲應用于爆炸防護中的發展，結合發展現狀，有以下幾點展望：

(1)目前缺乏聚脲彈性體作為防護涂層的爆炸理論研究，無法明確知道在爆炸荷載作用下聚脲彈性體的吸能機理，加強理論研究可以有效提高聚脲彈性體用于防護涂層的應用性。

(2)聚脲彈性體應用于防護結構中，在受到爆炸荷載后，會發生剝離現象，大大減弱聚脲彈性體涂層的抗爆效果，所以研究聚脲彈性體的附著界面結構和附著力是至關重要的，可以通過改性聚脲彈性體或其他方法加強聚脲彈性體與防護結構之間的粘結，有待進一步深入研究。

(3)目前的抗爆研究，多通過ANASYS/LS - DYNA有限元軟件進行模擬試驗，需要了解實際工程中大多數材料及構件的各種參數，進一步深層次研究優化材料參數和工程結構，來應對更多復雜的抗爆試驗研究。