聚氨酯在塑膠跑道中的研究分析

劉毅

摘 要：由于聚氨酯塑膠跑道在發(fā)展過程中出現異味、重金屬含量超標等現象，針對聚氨酯塑膠跑道中出現異味、重金屬含量超標現象進行有效解決的目的，采用配方的改良以及性能的提升的方法，并對聚氨酯塑膠跑道的擴鏈劑與結構性能的關系進行詳細分析，通過耐候性試驗以及擴鏈劑與結構性能的測試，得出聚氨酯在跑道中可以擺脫其毒性的劣勢，并且可以應用于新國標之中，具有一定的環(huán)保性以及穩(wěn)定性等特點的結論，具有一定的研究價值。

關鍵詞：聚氨酯;塑膠跑道;擴鏈劑;耐候性

中圖分類號：TU533;TU581 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0151-05

Study and Analysis of Polyurethane in Plastic Runway

Liu Yi

（School of Physical Education，Xi an Peihua University， Xi an 710065， China ）

Abstract：Due to the phenomenon of peculiar smell and excessive heavy metal content in the development process of polyurethane plastic track， for the purpose of effectively solving the phenomenon of peculiar smell and excessive heavy metal content in the polyurethane plastic track， the method of formula improvement and performance improvement is adopted. A detailed analysis of the relationship between the chain extender and structural properties of the polyurethane plastic runway. Through the weather resistance test and the test of the chain extender and structural properties， it is concluded that polyurethane can get rid of its toxicity disadvantage in the runway and can be applied to the new national standard. The conclusions that have certain environmental protection and stability characteristics are of certain research value.

Key words：polyurethane; plastic runway; chain extender; weather resistance

0 引言

隨著我國的經濟迅速發(fā)展，我國的官方賽道正在不斷升級，甚至將傳統(tǒng)的煤渣制成的官方賽道替換成聚氨酯塑膠跑道，因其具有彈性好、耐磨、耐老化等優(yōu)勢被應用于比賽場地的鋪地材料，不但如此，由于聚氨酯塑膠跑道是由液態(tài)聚氨酯膠固化后聚結而成，該構成原理促使聚氨酯塑膠跑道具有與地面緊密貼合的優(yōu)勢，可以保證一定的粘著性且維護費用極低，將其應用于大型比賽場地有利于運動員在任何環(huán)境下進行訓練發(fā)生意外時，以最大限度的方式保證自身安全，通過聚氨酯塑膠跑道的大面積使用，我國政府漸漸發(fā)現聚氨酯塑膠跑道的廣泛用途，因此，聚氨酯塑膠跑道得到了人們的廣泛認可，正式宣布聚氨酯塑膠跑道可以替代傳統(tǒng)的煤渣跑道，聚氨酯塑膠跑道的不斷發(fā)展甚至可以應用于世界性田徑比賽的標準跑道。經證實，于1968年在墨西哥經過當地的奧運會組委會的研究商討，最終一致決定聚氨酯塑膠跑道可以作為官方賽道，此后的PU塑膠跑道得到了全世界的大力推廣。但是，中國的聚氨酯塑膠跑道是通過專業(yè)人員不斷研究改進而成的，通過大量技術的引進，終于我國第一條聚氨酯塑膠跑道于1979年成功研制，隨著大量引用的同時，漸漸出現了多種問題，比如異味、重金屬含量超標等現象接連出現，因此，配方的改良以及性能的提升成為亟待解決的技術難題。

1 聚氨酯塑膠跑道簡述

聚氨酯的形成原理實際上是異氰酸酯與羥基化合物加聚反應生成含有氨基甲酸酯基團的大分子主鏈結構，而基于聚氨酯的塑膠主要通過澆注的方法進行實現，最終成為良好的聚氨酯彈性體，而聚氨酯塑膠的生成過程是采用混合、加工、攤鋪澆注的方法將聚氨酯預聚體、擴鏈劑、催化劑、助劑、顏料以及填料進行一系列加工，因此具有穩(wěn)定性強且粘著性好等優(yōu)勢最終形成聚氨酯塑膠跑道供運動賽道使用。因鋪設場地的不同，可以將聚氨酯塑膠跑道分為兩層結構，使其具有更加穩(wěn)定的結構，而其結構分別是基礎層以及膠面層，其中基礎層的構成材料為無機材料，而膠面層使用的材料則為聚氨酯，依據不同類別可以分為聚氨酯膠面層結構、聚氨酯異構體類型，其中聚氨酯膠面層結構由全塑型、復合型、混合型以及顆粒型構成;而聚氨酯異構體類型由甲苯二異氰酸酯（TDI）和二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）構成。根據相關規(guī)定，于2018年11月1日起，新國標中明令規(guī)定禁止重金屬等有害物質出現在塑膠跑道之中[1]。

2 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展現狀

2.1 TDI型聚氨酯塑膠跑道

TDI型聚氨酯塑膠跑道的形成中最主要的核心要素是甲苯二異氰酸酯和3，3-二氯-4，4-二氨基二苯甲烷，通過二者之間的相互配合最終形成完善的聚氨酯塑膠跑道，倘若在其制作過程中加入一定的輔助劑，通過工作人員去現場進行鋪設，最終進行固化而形成的塑膠跑道，將具有工藝簡單、成本較低等優(yōu)勢，因此，已經成為我國多數運動場地的首選之一。 TDI型聚氨酯塑膠跑道具有多種優(yōu)勢的同時，也帶來不小的影響。根據相關實驗數據表明， TDI型聚氨酯塑膠跑道具有毒性作用，在常溫狀態(tài)下即可進行揮發(fā)，經專業(yè)人員進行鑒定，其毒性可達到二級，除此之外，TDI可以通過—NCO基團的促進從而殘留至聚氨酯預聚體中，并揮發(fā)至空氣中引發(fā)人體器官出現損害。不但如此，MOCA擴鏈劑以及聚氨酯催化劑皆成為危害人體健康的重要因素，而聚氨酯塑膠跑道中還會添加甲醛、苯等有害助劑，成為不容忽視的因素[2]。

2.2 MDI型聚氨酯塑膠跑道

通過對TDI型聚氨酯塑膠跑道的研究可以發(fā)現，該類型的聚氨酯塑膠跑道具有較強的毒性，可以對人們的健康構成一定的危害，因此，應明令禁止該類型的聚氨酯塑膠跑道出現在人類生活中，通過不斷的研究，最終發(fā)現MDI型聚氨酯塑膠跑道可以利用自身優(yōu)勢取代TDI型聚氨酯塑膠跑道，相對于TDI型聚氨酯塑膠跑道的巨大毒性，MDI型的聚氨酯塑膠跑道危害較小，其形成方法主要采用非MOCA擴鏈劑，并通過低重金屬鹽催化劑，最終形成聚氨酯，為將MDI型聚氨酯塑膠跑道的危害性降至最低，將對MDI、MOCA擴鏈劑以及催化劑進行改性，其中MDI改性主要通過將分子結構對稱性4，4-MDI以及分子結構不對稱的2，4-MDI以1：1比例進行充分混合，并在其中加入標準計量的催化劑和20%的橡膠顆粒，最終得到碳化二亞胺改性MDI，具有一定的穩(wěn)定性以及環(huán)保性，除此之外，還可以不受氣候條件影響。而針對擴鏈劑改性將以環(huán)保作為主要目標，在20世紀80年代，通過二甲留基甲苯二胺作為MOCA擴鏈劑的替代物，具有一定的優(yōu)勢。針對催化劑改性可以通過FAE-1或者二甲基催化劑提供聚氨酯塑膠跑道的穩(wěn)定性[3]。

3 聚氨酯塑膠跑道的擴鏈劑與結構性能的關系

3.1 擴鏈劑對結構性能的影響

通過相關試驗表明聚氨酯塑膠跑道中的擴鏈劑對于跑道的結構具有一定的影響，因此，本文將采用MOCA（4，4-甲撐雙鄰氯苯胺）以及二醇為擴鏈劑制成1#和2#兩種試樣。在聚氨酯塑膠跑道的形成過程中預聚體與擴鏈劑會產生強烈反應，最終生成大分子鏈，其反應過程如下所示：

最終生成可以取代氨基甲酸酯結構直鏈聚合物。

而將二胺作為擴鏈劑時的反應過程如下所示：

最終生成可以取代脲結構的直鏈聚合物。

通過一系列的反應可以證明擴鏈劑的選擇對于彈性體的結構性能具有一定的影響，除此之外，擴鏈劑的使用可以在彈性體內部形成大量脲鍵，對于提高聚氨酯塑膠跑道的物理性能具有重要作用，不同擴鏈劑對物理性能的影響如表1所示[4]。

3.2 耐候性試驗

針對耐候性試驗主要通過大氣老化以及人工氣候老化試驗進行實現，其中大氣老化需要一定的曝露條件，對于試驗地點應選擇空曠位置，避免外界干擾因素的產生，并以23°緯度角作為曝露角度，根據實驗分析最終得出的試驗結果為：試驗1#比試驗2#的老化性能好，無論從性能角度還是配方對比量皆證明試驗1#比試驗2#的優(yōu)勢要更強一些，而性能的數據將通過圖表的形式進行展現，大氣老化時間對物理性能的影響如表2所示。而人工氣候老化的試驗條件為：將試驗1#比試驗2#暴露于6kW水冷式的氙燈之下，將其作為該試驗的光源，在實驗過程中需要將試驗箱的溫度定為4±52℃，相對濕度為6±55℃，降雨周期為12分/60分，通過該試驗可以確定最終結果為MOCA作為擴鏈劑的聚氨酯塑膠跑道耐候性更強，光照時間對物理性能變化的影響如表3所示。通過最終試驗可以表明隨著技術的不斷發(fā)展，聚氨酯塑膠跑道仍具有一定的危害性應小心使用[5]。

4 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展趨勢

隨著天然災害的不斷發(fā)生表明在災難面前，人類顯得極其渺小，長時間的工業(yè)污染、污染氣體隨意排放、水污染、生活垃圾污染以及大氣等污染造成冰川融化、動物流離失所、人類因長時間呼入大量危害氣體造成不良反應，該現象的不斷發(fā)生都在提示著人類應當積極響應環(huán)保活動，從自身做起，而隨著環(huán)保要求的日益加強為聚氨酯塑膠跑道提供了有力基礎，通過聚氨酯塑膠跑道的不斷發(fā)展以及其自身的優(yōu)勢皆表明，聚氨酯塑膠跑道將成為未來發(fā)展的新趨勢[6]。

4.1 納米改性聚氨酯

納米改性實際上指的是在聚氨酯的形成過程中加入納米材料，并通過原位聚合法制備的納米改性聚氨酯，通過納米改性聚氨酯可以最大限度的提升聚氨酯塑膠跑道的使用周期，為其增添一定的耐磨性。納米改性聚氨酯的核心的在聚氨酯材料中加入 蒙脫土（MMT）和納米二氧化硅（SiO2）等納米粒子，在引入過程中應注意 蒙脫土（MMT）和納米二氧化硅（SiO2）的分散程度，均勻的分散有利于發(fā)揮自身的最大優(yōu)勢，蒙脫土（MMT）、納米二氧化硅（SiO2）改性聚氨酯彈性體塑膠跑道性能指標如表4所示，從表中可以看出，通過納米改性后的聚氨酯具有一定的阻燃性、耐磨性等優(yōu)勢[7]。

4.2 晶須補強聚氨酯

晶須主要以立體的形式呈現，最終由四針狀結構的纖維狀單晶體展現，而晶須補強聚氨酯的形成過程最主要的核心物質為晶須材料與聚醚多元醇，通過將二者進行復合作用，將復合作用后形成的物質經過異氰酸酯組分反應最終形成聚氨酯彈性體，晶須補強聚氨酯具有補強、增韌等作用。晶須補強聚氨酯的改性主要通過偶聯(lián)劑對鈦酸鉀晶須進行改性，改性過程中應保證晶須材料的充分分散，并通過與甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇等原料形成復合性材料，具有一定的拉伸性[8]。

4.3 塑膠跑道回收處置

根據相關新聞報道，各地方出現“毒跑道”現象，因此，相關政府以及教育部門針對該現象成立了治理小組，對“毒跑道”現象進行處理，對于回收后的塑膠跑道如何處理仍然處于待解決問題[9]。

4.4 施工工藝設計

為保證聚氨酯塑膠跑道的全面發(fā)展，將采取施工工藝設計對其進行加急處理，施工工藝設計會對聚氨酯塑膠跑道的原材料進行嚴格審核，在保證產品質量的同時，通過可靠的工程設計以及施工工藝方法對聚氨酯塑膠跑道進行全方位把控，堅決杜絕“小工廠”、“黑作坊”產生，除此之外，為保證聚氨酯塑膠跑道行業(yè)的良性發(fā)展，將通過技術過硬的專業(yè)人員進行質量監(jiān)督，促進該事業(yè)的全面發(fā)展[10]。

5 新型塑膠跑道體系的開發(fā)與應用

5.1 水性樹脂塑膠跑道體系的應用

水性樹脂塑膠跑道體系通過將脂環(huán)族二異氰酸酯作為聚氨酯塑膠跑道的原材料，將聚氨酯改性聚丙烯酸紙乳膠作為聚氨酯塑膠跑道的基礎，在其中加入適當的輔助劑，通過適當的宣傳，具有良好的群眾反響，可以達到環(huán)保的目的，但是存在成型差、易受外界因素影響等劣勢。

5.2 微發(fā)泡單組分或聚氨酯脲體系的應用

隨著聚氨酯塑膠跑道的不斷完善，最終形成新型聚氨酯塑膠跑道，但是，隨著新型聚氨酯塑膠跑道的出現，對于相關有機溶劑使用規(guī)格要求十分嚴格，造成體系黏度不斷上升，因此，新型聚氨酯塑膠跑道的配方材料中的無機填料的使用量不斷減少，隨之造成的問題是成本大幅度上升，對于該現象相關業(yè)內人員正在不斷研發(fā)新產品，替代新型聚氨酯塑膠跑道的制造，微發(fā)泡單組分的聚氨酯跑道隨之產生，主要通過單組分的聚氨酯進行濕固化作用，或者通過聚氨酯脲體系的雙組分進行發(fā)泡，從而獲得密度較小的微孔彈性體，微發(fā)泡單組分或聚氨酯脲體系的應用可以減小聚氨酯塑膠跑道的體積，從而實現控制成本的目的。通過研究表明，目前的微發(fā)泡單組分或聚氨酯脲體系仍存在施工工藝的問題，需要不斷完善，從而得到耐用的聚氨酯塑膠跑道。

5.3 發(fā)泡熱塑性彈性體的應用

發(fā)泡熱塑性彈性體的應用的核心思路主要通過不斷增加產品的彈性以及強度為基礎，在此基礎上，不斷減少相應的比重以及體積，從而達到控制成本的目的，發(fā)泡熱塑性彈性體可以通過聚乙烯等彈性體顆粒替代EPDM橡膠顆粒，將彈性體顆粒充分且均勻的散發(fā)至塑膠跑道的制造過程中，可以發(fā)揮其優(yōu)勢，實現塑膠跑道的制作，但是，發(fā)泡熱塑性彈性體在施工工藝上仍存在多種問題，有待進一步完善，比如發(fā)泡熱塑性彈性體的細微顆粒因密度低而造成上浮現象、高溫易變形等問題。

6 結語

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，人們的生活漸漸走向小康生活，促使消費水平的提高，人們從最開始的吃飽穿暖即可滿足對生活的需求，到如今的享受生活，但是，人類的健康正在出現危機，因此，全民運動隨之產生，人們將時間花費在運動方面，對于塑膠跑道的關注度漸漸加強，聚氨酯塑膠跑道隨之出現，但是，通過相關研究證明，聚氨酯塑膠跑道具有一定的揮發(fā)性，且揮發(fā)出的氣體具有一定的毒性，隨著新技術的不斷完善，推動聚氨酯塑膠跑道向著安全、環(huán)保、高性能的方向全面發(fā)展，具有重要意義。

參考文獻

[1]侯芳，劉濤.環(huán)保型單組分聚氨酯塑膠跑道膠水的研制及制品的力學性能[J].化學推進劑與高分子材料，2019（05）：67-69.

[2]施京京.提供一把嚴格的“新標尺” 《中小學合成材料面層運動場地》國家標準解讀[J].中國質量技術監(jiān)督，2019（02）：10-11.

[3]羅永超.一種透氣排水自結紋復合塑膠跑道研究[J].居舍，2017（24）：141-142.

[4]王新靈，渠海，孫德梅，等.納米改性塑膠跑道研究[J].塑料工業(yè)，2016（04）：39-42.

[5]李譚芳，張倩楠.塑膠跑道存在的問題及對策[J].內蒙古石油化工，2017（09）：56-57.

[6]徐巖.塑膠跑道，如何脫下“毒”帽子？[J].中國石油和化工，2016（07）：9-11.

[7]鉉令強.學校體育運動使用塑膠場地引發(fā)的思考——評《塑膠面層運動場地建設與保養(yǎng)指南》[J].塑料工業(yè)，2019（08）：164-165.

[8]劉干，鄭偉濤.合成材料面層運動場地標準的發(fā)展和質量管控[J].中小學實驗與裝備，2018（06）：4-5.

[9]許銀玉.塑膠跑道中有害物質的檢測[J].中國標準化，2018（14）：184-185.

[10]周潤聲.塑膠跑道及其有害物質的調查與思考[J].山東化工，2017（24）：192-194.