運(yùn)動跑道用聚氨酯塑膠的耐候性研究

劉鵬力

（西安歐亞學(xué)院通識教育學(xué)院體育課程中心，陜西西安710065）

整體彈性良好、耐磨度較高的聚氨酯橡膠［1］常用于制作運(yùn)動跑道，因?yàn)檫\(yùn)動跑道占地面積較大，且安裝復(fù)雜，若材料出現(xiàn)疲勞、腐蝕、老化等現(xiàn)象，輕則導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失、體驗(yàn)感較差，重則將對健身、運(yùn)動人員造成身體傷害，故聚氨酯塑膠有助于整個運(yùn)動跑道的建設(shè)與完善跑道綜合性能，為開展跑步運(yùn)動、比賽活動以及專業(yè)體育訓(xùn)練提供了重要幫助，因此，對其耐候性與抗壓性展開研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

聚氨酯塑膠也叫液體塑膠，憑借性能優(yōu)勢在膠帶、防震橡膠等生產(chǎn)、加工中，得到了廣泛的應(yīng)用，根據(jù)理想的耐磨性，在體育運(yùn)動場地鋪設(shè)中使用了大量聚氨酯塑膠，使其成為現(xiàn)代田徑運(yùn)動跑道建設(shè)的主要素材。聚氨酯塑膠的成分是聚酯［2］或聚醚［3］與二異氰酸酯類化合物，其高彈性主要由分子主鏈里的氫鍵作用力產(chǎn)生［4］。

本文以聚氨酯塑膠為研究目標(biāo)，探索其耐候性。分析聚氨酯塑膠跑道的耐黃變性能與撕裂強(qiáng)度、永久變形程度、抗張強(qiáng)度以及伸長程度等物理機(jī)械性能；分析聚氨酯塑膠抗壓性，以提升屈服應(yīng)力，降低硬化點(diǎn)應(yīng)變率。

1 研究方法

為研究聚氨酯塑膠運(yùn)動跑道耐候性，選取某工廠生產(chǎn)的聚氨酯試片，放在戶外透明玻璃罩中的暴露臺上，為保證試片在陽光下暴露完全，防止風(fēng)雨因素影響，令臺面呈45℃仰角，根據(jù)暴曬試片與參考試片的反差，對比灰色色標(biāo)樣卡，記錄試片變色情況。為增強(qiáng)聚氨酯塑膠跑道的耐候性，以基于紫外光吸收劑與抗氧劑的穩(wěn)定劑作為添加材料，研究聚氨酯的耐黃變性能［5］與物理機(jī)械性能［6］。

2 聚氨酯塑膠耐候性老化分析

2.1 耐黃變性能探析

將紫外光吸收劑與抗氧劑加入聚氨酯塑膠配方，制備出相應(yīng)的10 個聚氨酯試片，將試片暴露在陽光下，通過記錄不同紫外光吸收劑與抗氧劑量下試片的黃變情況，圖1 為試片紫外光老化階段的黃變程度。

圖1 不同穩(wěn)定劑添加量的聚氨酯試片黃變示意圖Fig. 1 Yellowing diagram of polyurethane test pieces with different stabilizer contents

圖1 中，試片編號為1、2、3、4、5、6 屬于單一型穩(wěn)定劑：1 號試片不添加穩(wěn)定劑，2 號試片添加1.2%UV-531，3 號試片添加1.2%UV-P，4 號試片添加1.2%UV-9，5 號試片添加1.2% 264 型號抗氧劑，6 號試片添加1.2%UV-531、1.2%UV-P 與1.2%UV-9 混合物；試片編號為7、8、9、10 屬于混合型穩(wěn)定劑：7 號試片添加1.2%264 型號抗氧劑與1.2%UV-P 混合物，8 號試片添加1.2%264 型號抗氧劑與1.2%UV-9 混合物，9 號試片添加1.2%264 型號抗氧劑與1.2%UV-531 混合物，10 號試片添加1.2% 264 型號抗氧劑、1.2%UV-531、1.2%UV-P 與1.2%UV-9 混合物。

從圖1 可知，抗氧劑與所有紫外光吸收劑的混合添加形式具有最理想的黃變抑制性能，其次為抗氧劑與單一紫外光吸收劑的混合添加劑；黃變程度最大的是未添加穩(wěn)定劑的試片，其次為只添加單一的抗氧劑或者紫外光吸收劑。綜上所述，在聚氨酯塑膠產(chǎn)品中添加適量的混合穩(wěn)定劑，能夠抑制鏈斷裂自由基［7］的生成，防止多元醇組分內(nèi)形成過氧化物，通過吸收高能量紫外光與能量轉(zhuǎn)化，釋放無害的低輻射能，阻斷了物理或光化學(xué)降解，避免黃變發(fā)生［8］。

2.2 物理機(jī)械性能分析

日光照射除了使聚氨酯塑膠產(chǎn)品發(fā)生黃變，還會對其物理機(jī)械性能造成較大損失［9］，因此研究穩(wěn)定劑能否有效維持聚氨酯塑膠制品的物理機(jī)械性能。對不同穩(wěn)定劑添加情況下的十個試片進(jìn)行強(qiáng)日光照射，試片物理機(jī)械性能在照射前后的情況見表1。根據(jù)表1 中數(shù)據(jù)可知，性能損失程度最高的是未添加穩(wěn)定劑的1 號試片，其次為添加單一紫外光吸收劑或抗氧劑的試片；抗氧劑與所有紫外光吸收劑的混合添加劑性能損失程度最小，其次為抗氧劑與單一紫外光吸收劑的混合添加劑。究其原因是作為自由基清除劑的抗氧劑抑制了自由基降解，而紫外光吸收劑通過能量轉(zhuǎn)變，釋放熱能。

表1 照射前后各試片物理機(jī)械性能比較Table 1 Comparison of physical and mechanical properties of each specimen before and after irradiation

3 聚氨酯塑膠抗壓性分析

（1）表觀密度對屈服應(yīng)力影響：聚氨酯塑膠試件表觀密度對屈服應(yīng)力的影響示意圖如圖2 所示。

圖2 表觀密度對屈服應(yīng)力影響Fig. 2 Effect of apparent density on yield stress

從圖2 中可知，試件表觀密度越大，屈服應(yīng)力越大。

（2）基于50% 應(yīng)變率的表觀密度對屈服應(yīng)力影響程度：聚氨酯塑膠試件50% 應(yīng)變率的表觀密度與屈服應(yīng)力關(guān)系曲線如圖3 所示。

圖3 50% 應(yīng)變率下表觀密度對屈服應(yīng)力影響度示意圖Fig. 3 Influence of apparent density on yield stress at 50%strain rate

通過圖3 可以看出，當(dāng)應(yīng)變率為50% 時，試件表觀密度越大，應(yīng)力越大。

（3）表觀密度對硬化點(diǎn)應(yīng)變影響：聚氨酯塑膠試件表觀密度與硬化點(diǎn)應(yīng)變之間的曲線走勢如圖4 所示。

圖4 表觀密度對硬化點(diǎn)應(yīng)變影響示意圖Fig. 4 Schematic diagram of influence of apparent density on strain at hardening point

由圖4 可知，試件表觀密度越大，其硬化點(diǎn)應(yīng)變越小。

4 結(jié)語

本文以聚氨酯塑膠的耐候性為研究方向，探索性能的對應(yīng)強(qiáng)化方法。該項(xiàng)研究使聚氨酯塑膠跑道的物理機(jī)械性能具有較好的保持率，提升了對光的穩(wěn)定性能，不同密度的聚氨酯塑膠可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，擴(kuò)展了發(fā)展前景。在后續(xù)工作中應(yīng)繼續(xù)對以下幾個方面展開進(jìn)一步研究：應(yīng)探究聚氨酯塑膠的耐磨性，完善運(yùn)動跑道應(yīng)用作用；運(yùn)動跑道的主要作用之一就是擁有較好的緩沖減震性能，今后應(yīng)將一般溫度條件下的聚氨酯塑膠減震作為研究目標(biāo)，達(dá)到最大限度緩沖減震的目的。