在日常生活中如果我们足够细心的话就会发现，很多的摩天大楼，卡车车罩，石油平台，以及防弹装备等上面都有一种共同的材料——聚脲。聚脲的普及和推广据说是来源于一群意大利人的实验。他们尝试把涂了聚脲的西瓜从45米的高空中自由落下，结果西瓜落地之后弹起来了，而且外表完好无损。

       为了进一步验证聚脲的防护能力，我们也尝试在鸡蛋上喷涂聚脲也进行了测试，结果鸡蛋也一样完好无损。在纸杯上喷上聚脲涂料，纸杯可以承受一个成年人的重量。在空的啤酒瓶上喷上聚脲涂料，啤酒瓶可以承受怎么敲打都不破裂。

       凭借着优异的防护性能，聚脲在从重工业到农业的各个领域的应用也越来越广泛，尤其是在防护产品领域，其应用也越来越有前景。

聚脲分子的结构特点

       聚脲是一类用途广泛的高性能聚合物，由异氰酸酯组分(-NCO)和氨基组分(-NH2)通过快速聚合反应生成。主要原料包括异氰酸酯单体、多元胺、扩链剂以及其他助剂等，目前多采用两步法合成，先将异氰酸酯与多元醇或多元胺反应生成预聚物。再将其与胺类扩链剂混合，迅速交联固化，生成聚脲。涉及到的主要化学反应如下图所示：

       即异氰酸酯与胺类化合物中活泼氢发生的氢转移反应，反应速度极快。因此研究者不断对聚脲配方进行改进，以降低反应速度，延长凝胶时间。经过几十年的探索，在聚脲工业领域已有芳香族聚脲、脂肪族聚脲、聚天冬氨酸酯族聚脲等三代聚脲投入商用，其中尤以第三代聚天冬氨酸酯族聚脲综合性能好佳。聚天冬氨酸酯中的活泼氢由于空间位阻的影响，活性降低，以此合成的聚脲反应时间可控、性能可调，越来越受到人们的重视。

       早期研究多注重于聚脲的使用工艺和力学性能，现阶段对聚脲结构与性能关系的探索已成为研究人员关注的热点。由于合成组分性质的差异，聚脲的分子链可以软段和硬段来描述，如图下所示：

       软段的玻璃化转变温度低于室温，主要包括长段碳链、聚醚、聚酯等柔性链段，容易改变构象。而硬段主要是异氰酸酯、胺类扩链剂、交联剂等，玻璃化转变温度较高，较为僵硬，赋予聚脲较高的模量和强度。由于软硬段间热力学不相容性以及硬段间强烈的氢键作用，聚脲结构内部呈现微相分离的独特形态。如下图所示，硬段微区分布在连续的软相基质中，起着类似于纳米填料的作用，使聚脲具有优良的综合性能。已有研究表明，化学配比、原料种类、软段链长、扩链剂等都对聚脲的宏观性能产生至关重要的影响，可通过调节聚脲的配方，从而获得具有特种性能的产品。

       聚脲的综合力学性能十分优异，静态力作用下展现较高的强度与韧性，断裂伸长率可高达1000%，这在其他弹性体材料中是没有的。尤其是在动态负载下，聚脲的力学行为呈现高度的应变率敏感性以及非线性的应力应变关系。在应变率10-3～105s-1范围内，聚脲可以从柔软的橡胶态转变为硬质塑料态，可吸收弥散相当部分能量，展现一系列优异的力学特性，这些特点都使得聚脲在抗爆抗冲击方面展现出诱人的应用前景。

聚脲的抗冲击性能测试

       结构在正常使用过程中，冲击荷载会对被撞击结构表面以及结构产生损坏，甚至会导致结构完全丧失功能性，从而引发二次伤害．对于金属板、钢结构和容器等。在外界冲击荷载作用时，极易引发板的破裂，钢结构失稳等，造成重大人员财产损失。目前，成品油运输罐车罐体有两项重要的安全附属设施：安全阀与紧急切断阀．这两种安全设施都是通过间接的方式切断气相和液相与外界的通路，使得容器成为独立密闭的空间，防止容器液体外漏．对于直接的抗冲击结构，受结构功能、自重以及结构使用环境等因素限制，设计难度大。因此，发展新型抗冲击材料和新工艺就显得尤为重要。

       喷涂聚脲弹性体技术是一种高效的涂层防护技术，具有施工方便、质量轻、吸收冲击能量高的优点，可有效提高结构构件的抗爆性能。该技术于1986年由美国Texaco（现Huntsman）公司化学家Dudley J.PrimeauxⅡ率先研制成功。

       1995年，黄微波等对喷涂聚脲体技术进行了前期探索，并于1999年将喷涂聚脲技术成功投入商业应用。黄微波等系统地研究了喷涂聚脲弹性体技术，并应用于防水、耐磨、结构防腐蚀以及结构振动控制等领域，得到了广泛的工程应用。为提高罐体结构的抗冲击性能，本研究基于Qtech T501黏弹性阻尼材料，在黏弹性阻尼材料中加入碳纤维粉进行纤维增强，以提高涂层的抗冲击性能，研究纤维增强对涂层抗冲击性能的影响。

       基于自由阻尼结构（图(a））提出了新型抗冲击结构，将黏弹性阻尼材料作为中间层，覆盖一层抗冲击聚脲层，形成约束阻尼抗冲击结构（图(b）），研究等涂层厚度下约束阻尼抗冲击结构对涂层抗冲击性能的影响。

       本次低速冲击试验所用的冲击设备采用自行装配的落球冲击测试装置，如图(a）所示，采用直径110mm PVC圆管矫正落球轨迹，以保证落球垂直作用于试样平面；底座为钢支架，试样四周施加约束，保证试样不发生回弹；支座固定于缓冲层上，防止落球对地面造成冲击损坏。在试样下表面粘贴应变片，测点布置如图(b）所示，冲击点为试样几何中心处，采用DH5960动态信号测试分析系统进行数据采集。

       在冲击试验仪上配备激光测距仪，保证落球高度，激光测距仪测距端配有用于冲击落点标定的激光头，保证钢球做自由落体运动击中冲击点。落球冲击装置可改变试验钢球的质量以及钢球下落高度调整冲击能量。由于本次试验是考察单次冲击作用下复合抗冲击钢板的损伤情况，因此试验设定保证单次冲击可造成试样肉眼可观察到的足够大的变形量。

       经过多次预试验，当钢球质量为1.8kg，下落高度为5.0m左右时，单次冲击可对试样产生可观测破坏，由此确定试验钢球质量与下落高度，此时冲击能量为88.2J，作用于试样瞬时速度为9.9m/s。在冲击过程中采集试件变形，并得到各测点应变时程曲线，冲击结束后对试样下表面损伤情况进行记录，并用数显游标卡尺记录损伤面积的长轴与宽轴的数值。

聚脲的抗冲击性能测试结果

       1、Qtech T501黏弹性阻尼材料受落球冲击后，涂层与基材表面保持紧密，未发生脱落现象，表明黏弹性阻尼材料与钢板的附着力满足低速冲击（9.9m/s）的要求。

       2、碳纤维粉的加入使Qtech T501黏弹性阻尼材料的抗拉强度、撕裂强度分别提高82.56%和116.41%，并且碳纤维粉使阻尼涂层的防护效率得到提高。

       3、自由阻尼结构和约束阻尼结构都大幅度提高了钢板的抗冲击能力，基于约束阻尼理论的聚脲抗冲击约束阻尼结构提升了传统自由阻尼结构的防护性能，是一种高效的抗冲击涂层结构。