聚脲树脂涂层在污水基础设施环境中对选定侵蚀性溶液耐久性的评估

下水道涂层为何关系重大

隐匿于街道之下的混凝土管道和池体默默输送并净化我们的废水。如果这些结构失效，维修既昂贵又扰民，并可能威胁环境。本研究考察了一种现代保护材料——聚脲树脂涂层在常见污水处理厂中存在的强烈化学物质下的表现。了解哪些化学物质会削弱这些涂层以及削弱的速度，有助于城市设计更耐久、更安全的下水道系统。

为混凝土结构提供的坚韧外皮

聚脲涂层像一层无缝的橡胶状外皮喷涂在混凝土上。它们几秒钟即可固化，以柔韧性、防水性和对多种化学物质的抗性著称。由于能跨接微小裂缝并牢固附着于混凝土，工程师越来越多地用它们来保护池体、渠槽及污水处理厂的其他构件。然而在这些环境中，涂层不仅要抵御水和砂砾，还要面对由工业排放和生活废弃物分解产生的不断变化的酸性和有机化学物质混合物。

污水中的三大“麻烦制造者”

研究者将注意力集中在污水系统中特别重要的三种化学物质：硫酸、苯酚和尿素。硫酸是在通风不良的管道中，细菌将硫化氢转化时形成的，会使局部酸性升高到足以侵蚀裸露混凝土的程度。苯酚主要来自工业和制药源，即使在低浓度下也已知会攻击许多建筑材料。尿素是尿液的主要成分，会分解为氨和二氧化碳，也与材料降解有关。虽然这些物质在实际工厂中的典型浓度通常较低，研究团队故意使用更高的“加速测试”浓度，以在数周内模拟多年暴露的效应。

涂层的测试方法

将三种市售聚脲涂层（厚度和初始强度各异）喷涂到试验样板上，并在受控条件下固化。样品随后被完全浸入五种溶液之一中，浸泡时间为7天或28天：1%或10%硫酸、0.1%或1%苯酚，或3%尿素。浸泡后，团队用肉眼检查是否出现开裂、鼓泡和变色；称重以评估吸收了多少液体；用标准压入工具测量表面硬度；并拉伸涂层条带直至其达到最大拉伸强度，以观察强度和延展性发生了多大变化。

哪些表现良好，哪些受损

乍看之下，所有涂层外观出乎意料地完整。除了一种产品在强酸后出现轻微发黄，另一种在苯酚处理后光泽下降外，没有明显的裂缝或脱落。但测量结果揭示了隐含情况。硫酸即使在10%时，三者中对涂层的破坏最轻：仅造成少量质量变化、硬度最多约下降10%，以及抗拉强度下降10–30%。尿素则有更明显的软化作用，尤其在更长时间浸泡后。置于3%尿素中的涂层吸收更多水分，硬度最多可下降约13%，使其更易被划伤和磨损，尽管其抗拉强度仍仅在10–30%范围内下降。

苯酚：沉默的涂层杀手

苯酚的影响则完全不同。即便仅为0.1%，它也会引起中度膨胀并显著削弱涂层，抗拉强度下降40–60%。在1%时，苯酚从“有害”变为真正的破坏性物质：涂层质量增加到最多约30%，硬度下降约四分之一，抗拉强度下跌高达80%。涂层在达到极限强度前的安全延展能力也显著降低。一项综合损伤评分（平均考虑质量、硬度、强度和延展性的变化）进一步确认了苯酚是迄今最具侵蚀性的化学物质，尿素为中等，硫酸的危害最小。

对污水系统的意义

对非专业读者来说，结论很明确：聚脲涂层是保护大多数污水环境中混凝土的有前景且耐用的选择，尤其在硫酸为主要威胁的情况下。它们即便面对强酸也仅有适度的性能损失。在尿素含量较高的系统中，工程师仍应考虑涂层的软化以及被砂砾磨损的风险。然而，在可能含有即便是中等量苯酚的区域，这些涂层可能迅速劣化，无法提供可靠的长期保护。在这种情况下，需要采用更坚固的涂层配方或完全不同的材料，以保持我们污水基础设施这一隐秘骨干的完好。

引用: Francke, B., Michalak, H., Kula, D. et al. Assessment of the durability of polyurea resin coatings against selected aggressive solutions in the sewage infrastructure environment. Sci Rep 16, 6806 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37921-0

关键词: 聚脲涂层, 废水基础设施, 混凝土防护, 化学腐蚀, 污水处理厂