考虑多种作用效应的表面防渗聚脲涂层非线性分析及设计

聚脲与聚氨酯相比,具有绿色环保、耐久性好、力学性能优异、施工面适应性强等优势,聚脲基防渗层被广泛应用于水工结构中。鉴于防渗聚脲尚无成型的结构设计计算理论,惯常采用的经验性设计可能会导致不安全、不合理、不经济的设计结果,本研究通过探讨聚脲基表面防渗涂层非线性分析的关键理论,基于有限单元法建立了非线性数值模型。在涂层基面开裂、水压荷载作用、伸缩缝变形等不同受力工况下,通过对材料的受力变形行为、剥离行为、破坏模式等分析,总结了涂层受力变形规律,并基于分析结果,提出表面防渗聚脲设计流程。研究表明:对于水压作用下的涂层基面开裂工况,涂层最大应力随水压荷载、粘结强度增大而增大,随开裂宽度变化不显著,涂层剥离长度随粘结强度增大而减小,随开裂宽度增大而增大;对于伸缩缝变形工况,涂层剥离长度均随涂层厚度增大而增大,涂层剥离长度随伸缩缝变形量增大而增大,随粘结强度增大而减小,剥离长度随水压荷载变化趋势不显著;涂层最大应力随涂层厚度增大而减小,随粘结强度增大而增大,随水压荷载增大而逐渐增大。最终基于数值分析结果提出了考虑伸缩缝变形工况下的聚脲涂层结构设计方法,形成设计流程并计算机软件化。

网格布-聚脲涂层耦合作用力学破坏机理研究

实际防渗工程中有时会将聚脲材料同网格布组合为复合防渗涂层,但其聚脲材料与网格布的耦合作用机理和破坏模式缺乏研究,而且该种复合涂层在实际应用中亦存在脱落、水解、耐久性差等问题。因此本文基于试验和数值分析,探讨网格布纤维同聚脲材料的耦合作用,考察网格布与聚脲涂层耦合作用的受力变形行为和破坏模式,分析不同纤维-基体材料组合形式下的变形性能和承载性能。研究结果表明:纤维断裂导致聚脲材料出现瞬间应力突变,纤维断裂面及应力突变引发的微裂纹导致整体截面拉断。聚脲材料强度较高,设置网格布后会导致涂层产生损伤缺陷,使得强度及伸长率大幅下降,伸长率降幅达到75%以上,因此网格布对聚脲材料性能起到负面效应。同样研究表明,聚氨酯材料强度相对较低,设置网格布后强度增幅约为14%,网格布对聚氨酯材料起到一定加强效果,但同样会导致伸长率大幅降低。由于网格布的伸长率及强度决定了复合涂层的伸长率及强度,因此在实际工程应用中,出现以下条件之一时不应在聚脲基体材料中设置网格布:(a)对止水防渗涂层伸长率要求高于网格布破坏伸长率;(b)基体材料强度大于网格布强度;(c)基体材料强度大于涂层-基面切向粘接强度。目前现有聚脲的相关标准及规范中的物理力学性能均未使用网格布进行加强,且科学定义的聚脲的相应标准及规范中所提的材料指标也均符合本研究所建议的不应加网格布的相应条件,因此建议工程中使用的聚脲材料不应设置网格布。

接触爆炸下聚脲涂层增强钢板的抗爆性能

为满足装甲车等武器装备在接触爆炸下的防护需求,通过实验与数值模拟开展单层钢板及迎/背爆面聚脲增强钢板接触爆炸下的抗爆性能研究,分析不同面密度、不同聚脲涂覆位置下钢板的破坏模式及防护机理,探究在一定面密度下钢板-聚脲厚度比对复合结构抗爆性能的影响。研究结果表明:背爆面涂覆等厚度聚脲能够有效减小钢板背面穿孔及拉伸破坏,降低结构残余位移,迎爆面涂覆等厚度聚脲能够显著增强结构抗爆能力,使接触爆炸下的钢板损伤大大降低;相同面密度下,聚脲吸能性能与聚脲厚度正相关,但是聚脲过厚会导致复合结构变形加大,稳定性降低;综合考虑聚脲增强钢板结构的破坏变形、速度衰减以及能量吸收情况,在研究范围内,钢板迎爆面涂覆厚度比为1∶0.78的聚脲层具有最佳的抗爆性能。

聚脲涂层材料对农用拖拉机力学性能的影响规律

农用拖拉机在田间作业中经常受到严重的腐蚀影响,而聚脲涂层被广泛应用于农业机械的防腐保护中。为此,以农用拖拉机为研究对象,选取聚脲涂层厚度、纳米增强剂含量和抗腐蚀剂含量为影响因素,以抗拉强度和断面收缩率为评价指标开展三因素五水平正交试验,运用Design-Expert对数据完成方差分析和显著性检验,得到回归方程和响应曲面图,并通过分析各因素之间的交互作用及变化规律,明确聚脲涂层对农用拖拉机力学性能的影响机理,进一步探明最佳聚脲涂层参数组合。研究结果表明:当聚脲涂层厚度为0.4 mm、纳米增强剂含量为1.5%、抗腐蚀剂含量为15%时,聚脲涂层对农用拖拉机力学性能最好,满足生产要求。

聚脲涂层对装甲钢板抗爆性能影响的试验与数值分析

为研究聚脲涂层喷涂位置及涂层厚度对钢板抗爆性能的影响规律。对4种不同类型喷涂结构及纯钢板结构进行2 kg TNT(trinitrotoluene)炸药爆炸试验,并采用LS-DYNA仿真软件对试验工况进行数值模拟,比对试验结果验证数值计算的可靠性,同时在理论层面对迎、背面喷涂结构中的应力波衰减特性进行计算分析;在此基础上,进一步研究涂层厚度对背面喷涂结构抗爆性能的影响规律。结果表明:相比于无喷涂、迎面、双面喷涂结构,背面喷涂展现出更显著的抗爆潜力,其形成的大阻抗比结构是有效衰减应力波峰值的重要原因;等钢板厚度条件下,增加涂层厚度能有效提升结构抗力,但提升程度随着聚脲/钢板厚度比的增加而不断降低;等面密度条件下,增加涂层厚度结构呈现加剧破坏趋势。

天冬聚脲涂层的合成参数对其机械性能影响

聚脲弹性体材料是继聚氨酯弹性体基础上发展而来的一种新型高分子材料,具备众多优异的性能,如强度高、抗冲击性能、柔韧性好、耐化学腐蚀性能优异、耐磨损性能好等。因此,在建筑工程、航空航天、汽车高铁、水力发电以及国防军工等领域得到了广泛的应用。然而由于最初的聚脲弹性体材料大多数是通过异氰酸酯与伯胺化合物反应得到的,其反应速度迅速,仅需5~10s便可初步凝胶,这往往会导致聚脲材料在基体上附着力差,流平时间不足而产生橘皮等缺陷。

海洋环境中聚脲涂层防腐研究进展

聚脲因具有高拉伸强度、强附着力等物理优点以及优异的防水防腐性能,加之成熟的施工技术,在海洋防腐工程中有广泛的应用。综述了聚脲涂层技术的起源、特点和发展方向,总结了近年来聚脲涂层分别在海洋大气环境和海水环境中针对混凝土防护和金属防护等领域的应用情况。针对服役过程中温度、腐蚀性介质侵蚀、碰撞等复杂环境因素造成的涂层性能下降、失效等问题,探讨了新型聚脲涂层的研究进展,包括有机无机纳米粒子作为填料改进涂层耐腐、润湿、硬度等性能研究,能够智能响应、自主修复微裂纹的新型聚脲微胶囊涂层研究,以及静电纺丝等新型自修复材料加工制备工艺研究等。提出聚脲涂层研究中存在的不足和挑战,并展望了在海洋环境中聚脲涂层未来的研究趋势。

聚脲涂层的耐酸、碱、盐腐蚀试验及结果

采用海水浸泡、盐雾试验、硫酸浸泡和氢氧化钠浸泡腐蚀等方法,研究了聚脲涂层的耐腐蚀性能,并采用扫描电镜(SEM)观察了涂层老化后的表面形貌。结果表明,海水浸泡180天后,聚脲涂层的拉伸强度仅下降4%,断裂伸长率增加了1.2%。盐雾试验180天后涂层拉伸强度下降了25.7%,断裂伸长率增加了4.2%,涂层表面局部有孔洞,涂层仍致密,未影响内部结构。硫酸溶液腐蚀60天后拉伸强度降低了30%,断裂伸长率增加了1.1%,涂层表面产生严重的点状腐蚀,并伴随腐蚀孔洞产生,扩展到内部,形成许多降解产物。在氢氧化钠溶液腐蚀条件下,涂层拉伸强度降低了25%,断裂伸长率增加了9.6%,涂层表面粗糙度略有增加,但没有影响内部结构。可见,聚脲涂层具有较好的耐海水浸泡和盐雾老化能力,而在强酸、强碱溶液中耐蚀性略有降低。

聚脲涂层在两种不同摩擦条件下的磨损行为探讨

为研究聚脲涂层在干摩擦条件下和高速含砂水流冲蚀条件下的性能变化情况,用Taber磨损试验机和高速含沙水射冲蚀磨损试验机测试了聚脲涂层的磨损性能,用扫描电子显微镜和白光共焦三维轮廓仪观测涂层的磨损表面形貌,用表面红外光谱和电子显微镜能谱元素分析了涂层表面试验前后的组分变化,分析了涂层在2种摩擦条件下的磨损情况。试验结果表明:聚脲涂层在2种摩擦条件下都具有良好的耐磨性能;在干摩擦条件下,涂层受热作用而氧化,导致C/O两元素的比率下降;在冲蚀磨损条件下,涂层不易氧化,由于亲水性成分的损失而导致C/O两元素的比率增加。

聚脲涂层的耐阴极剥离性能研究

探讨了聚脲涂料在金属上的阴极剥离机理及聚脲弹性体配方的选择,分析了金属表面、聚脲/金属界面附着力、聚脲涂料配方对聚脲涂层的耐阴极剥离性能的影响。根据分析结果,提出了从改善聚脲/金属界面状态、提高聚脲涂层的玻璃化转变温度、降低聚脲涂层的水分渗透率和氧气透过率等几个方面改善聚脲涂料的耐阴极剥离能力,以制备具有良好耐阴极剥离性能的聚脲涂料。

不同硬段含量聚天冬氨酸酯聚脲涂层耐海洋环境老化性能

通过海洋大气环境户外暴晒老化试验和盐雾加速老化试验,试验研究了不同硬段含量的聚天冬氨酸酯(PAE)聚脲涂层的耐海洋环境老化性能。结果表明,PAE聚脲涂层具有良好的耐海洋环境老化能力。海洋大气环境户外暴晒老化350天,不同硬段含量的PAE聚脲涂层的失光率、拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率分别为12.7%~14.7%、5.2%~6.6%和4.3%~5.4%。PAE聚脲涂层的耐盐雾老化性能更好,老化350天失光率、拉伸强度变化率和断裂伸长率变化率分别为3.3%~5.7%、1.1%~4.0%和2.9%~4.4%。

聚脲涂层的冲蚀磨损机理研究

采用高速含沙水射流冲蚀磨损试验机测试了聚脲涂层的冲蚀磨损性能,试验结果表明所制备聚脲涂层具有优异的耐冲蚀性能.根据Bitter的塑性材料冲蚀模型,应用Matlab程序进行拟合计算,探讨聚脲涂层在不同冲蚀角度和速度下的冲蚀规律,研究表明聚脲涂层在冲蚀角度30°时切削磨损量最大,而接近90°时变形磨损量最大.

高拱坝迎水面聚脲涂层防渗结构动力变形性能试验研究

为研究高拱坝坝体表面增加聚脲防渗涂层在地震作用下的动力变形性能,以西南地区某高拱坝上游面聚脲防渗体系为研究对象,在圆柱体全级配混凝土试件表面喷涂聚脲涂层作为基础试件,采用MTS 15MN大型动态材料试验机,模拟坝体在地震作用下的横缝或裂缝瞬时张开工况,测试不同厚度聚脲涂层和不同结构形式横缝表面止水结构的动力变形性能。动力变形试验结果表明,在坝体混凝土横缝或裂缝瞬时张开时,聚脲涂层在一定开度范围内表现出柔性特性。模拟横缝动力变形试验结果表明,采用双峰结构型式的表面止水结构适应横缝大变形能力好,可推荐作为高震区拱坝横缝表面有效的止水结构型式。

聚脲涂层性能研究进展

综述了聚脲涂层宏观性能的影响因素,以及聚脲涂层的耐老化性、耐腐蚀性及附着力研究进展。影响因素研究结果表明:端氨基聚醚的官能度越高,相对分子质量越大,凝胶时间越长;涂层的力学性能随硬段含量的增加而显著提高;采用氨基化碳纳米管改性的聚脲涂层具有超高拉伸强度。聚脲涂层具有优异的耐老化性、良好的耐各种酸、碱、盐腐蚀性。聚脲涂层的附着力与基材处理、底漆及施工环境等因素密切相关。

海洋大气环境对聚脲涂层耐腐蚀性影响的研究

通过光泽度、吸水率、微观结构和附着力4方面的实验结果,对聚脲涂层在海洋大气环境下的耐腐蚀性进行分析研究。结果表明:聚脲涂层经过360 d户外自然曝晒老化和7 200 h QUV人工加速老化后,光泽度分别下降69.87%和93.50%;吸水率均有所上升,但幅度很小;表面微观形貌出现不同程度的裂纹;附着力分别下降25.58%和42.16%,但仍保持较高的水平。因此聚脲仍然具有良好的防护作用。

NUKOTE聚脲涂层在管道外防腐上的应用

NUKOTE(纽科)聚脲涂层是由专用的端胺基聚醚、异氰酸酯预聚体和胺扩展链在特制设备内反应成中间产物，然后喷涂成型。它是一种绿色涂层，具有韧性好、寿命长、一体无缝的耐腐蚀性和防水性。本文阐述了纽科聚脲涂层的基本概念和基本特性，涂敷工艺和涂敷技术。通过与其它防腐涂层对比，对聚脲防腐涂层给予肯定。阐明了聚脲涂层作为新的防腐涂层，从涂层性能、施工方法、现场补口等方面都具有广阔的发展前景。

混凝土聚脲涂层配套单组分聚氨酯底漆的附着性研究

研究了3种用于混凝土防护的聚脲涂层的单组分聚氨酯底漆（底漆1～底漆3）的缺陷封闭效果，考察了环境温度和湿度对聚氨酯底漆与混凝土附着性能的影响，以及喷涂聚脲后涂层与混凝土之间附着力随时间的变化规律。结果表明，底漆涂刷前为均匀黏稠体，无凝胶、结块，涂刷后漆膜质量良好，未出现发泡、回缩或缩孔现象；喷涂聚脲后，涂刷3种聚氨酯底漆后聚脲对混凝土的附着力随着时间的增加而分别增至5．63、5．39、6．09MPa，随后趋于稳定。

海洋混凝土结构防护用聚脲涂层研究进展

综述了聚脲涂层的抗氯离子渗透性、抗冻融性、耐海水冲蚀磨损性及耐海洋环境老化性的研究成果。介绍了聚脲涂层在海洋混凝土工程上的最新应用。研究结果表明,聚脲涂层能有效提高海洋混凝土结构的耐久性。

聚脲涂层复合结构防护性能研究现状

为了了解聚脲涂层复合结构防护性能的研究现状,分别从抗弹、抗爆两方面对国内外聚脲涂层复合结构抗冲击性能的研究进行归纳总结:1)聚脲喷涂的底材多以钢或铝等均质材料为主;2)聚脲的应变率效应明显,其本构和失效模型较复杂,现有仿真难以完全描述其动力学行为;3)目前研究尚不构成体系,对喷涂聚脲复合结构的防护效应研究相关规律尚没有揭示,难以形成指导性的设计原则以及优化设计方法。

聚脲涂层复合结构抗侵彻机理实验研究

为研究聚脲涂层复合靶板的抗侵彻性能,利用球形弹丸开展了相近面密度下的钢质靶板与喷涂聚脲涂层复合结构的弹道冲击实验,得到了钢靶与采用不同涂覆方式制备的聚脲涂层复合结构的抗侵彻性能,分析了失效模式和吸能机理。结果表明:冲击过程中,前聚脲涂层能有效缓冲弹体与钢靶之间的撞击载荷,使钢靶产生预变形,降低弹体的相对侵彻速度,延缓钢靶绝热剪切破坏的发生,提高复合结构的弹道极限;后聚脲涂层可与钢靶协调变形,形成冲塞质量块吸能,吸收弹体动能,在弹速较高时有较好的吸能能力。