適用于塑膠跑道的新型水性膠粘劑制備及施工工藝研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.009

摘 要：為制備無毒無污染的環(huán)保型塑膠跑道水性膠粘劑，選擇二苯基甲烷-4，4′-二異氰酸酯、聚醚二元醇和聚醚三元醇為原料，采用小分子聚醚多元醇為固化劑，制備聚氨酯膠粘劑應(yīng)用于塑膠跑道，并討論了不同聚醚多元醇質(zhì)量比、—NCO質(zhì)量濃度、催干劑等對(duì)制品性能影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)m（聚醚多元醇220）∶m（聚醚多元醇 303）為3∶2、固化劑按照n（聚醚多元醇 303）∶n（ TMP） 為2∶1、—NCO質(zhì)量濃度為5%和催干劑用量為0.3%時(shí)，制備的聚氨酯塑膠制品力學(xué)性能優(yōu)異，實(shí)用性強(qiáng)，固化時(shí)間適中，實(shí)現(xiàn)了無毒無味、環(huán)保健康的要求。制備的新型水性膠粘劑與不同粒徑的MPV混合可鋪設(shè)環(huán)保性塑膠跑道。

關(guān)鍵詞：水性膠粘劑；塑膠跑道；聚醚多元醇

中圖分類號(hào)：TQ433.⁴+32"""""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " "文章編號(hào)：1001-5922（2024）02-0031-04

Research on the preparation and construction processing of new water-based adhesives suitable for plastic runways

WEI Ruikai1，YANG Bo2

（1.Shantou Preschool Education College in Guangdong，Shantou "515000，Guangdong China；

2.Zhaoqing University，Zhaoqing 526061，Guangdong China）

Abstract：In order to prepare a non-toxic and non-polluting environmentally friendly water-based adhesive for plastic runway，diphenylmethane-4，4-diisocyanate，polyether binary alcohol and polyether ternary alcohol were selected as raw material，and small molecule polyether polyol was used as curing agent to prepare polyurethane adhesive for plastic runway，and the effects of different polyether polyol mass ratios，—NCO mass concentration，and drier on the performance of the products were discussed.The results showed that when m（polyether polyol 220）∶m（polyether polyol 303） was 3∶2，curing agent according to n（polyether polyol 303）∶n（TMP） was 2∶1，—NCO concentration was 5%，drying agent was 0.3%，the prepared polyurethane plastic products had excellent mechanical properties，strong practicability，moderate curing time，and realized the non-toxic，no-smelly，environmental protection and health requirements.The new water-based adhesive prepared could be mixed with MPV of different particle size and used for laying environmental protection plastic runway.

Key words：water-based adhesive;plastic runway;polyether polyol

傳統(tǒng)塑膠跑道由聚氨酯膠粘劑與彈性顆粒組分組成，聚氨酯（PUR）材料是作為典型的合成樹脂材料，以其成型方便、耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)跑道的標(biāo)準(zhǔn)地面材料^[1-2]。但在實(shí)際使用過程中，由于聚氨酯膠粘劑在聚合反應(yīng)中會(huì)生成對(duì)人體有害的TDI^[3]、MOCA有毒物質(zhì)^[4]，因此，開發(fā)新型的環(huán)保塑膠跑道成為關(guān)注的熱點(diǎn)^[5-8]。為限制塑膠跑道中有害物質(zhì)，相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)場地面層質(zhì)量和物質(zhì)限量進(jìn)行了規(guī)定^[9-10]。為滿足環(huán)保跑道要求，相關(guān)學(xué)者和企業(yè)開展了環(huán)保型塑膠跑道材質(zhì)的研究工作。如基于無溶劑聚氨酯膠粘劑和環(huán)境友好型的水性丙烯酸塑膠跑道膠粘劑等^[11]，其中不含有TDI和MOCA等有害物質(zhì)，同時(shí)鋪設(shè)更環(huán)保、性價(jià)比更高^[12]；如采用水性丙烯酸技術(shù)鋪設(shè)的環(huán)境友好型塑膠跑道，實(shí)現(xiàn)了膠粘劑技術(shù)的商業(yè)化產(chǎn)品^[13]。本文選擇二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）作為預(yù)聚體原料制備聚氨酯膠粘劑，固化劑選用小分子聚醚多元醇，分析討論了不同固化劑參數(shù)、異氰酸酯（—NCO）基團(tuán)濃度和催干劑對(duì)聚氨酯膠粘劑的性能影響，從而得到滿足環(huán)保要求的塑膠跑道膠粘劑產(chǎn)品。

1"試驗(yàn)材料與方法

1.1"原材料

主要實(shí)驗(yàn)材料：二苯基甲烷-4，4′-二異氰酸酯：MDI-50，分析純，煙臺(tái)萬華聚氨酯股份有限公司；聚醚二元醇220 、聚醚三元醇 303：分析純，山東藝龍有限公司；三羥甲基丙烷（TMP）、三乙醇胺：分析純，山東微觀有限公司；長鏈氯化石蠟（N52）：工業(yè)級(jí)，江蘇德魯特有限責(zé)任公司；碳酸二甲 ：工業(yè)級(jí)，山東維克多新有限責(zé)任公司；環(huán)保鉍鋅復(fù)合催干劑：CUCAT-V12，南京維塔利達(dá)橡塑有限公司。

1.2"儀器設(shè)備

LDS-500N 型拉力試驗(yàn)機(jī)，意大利菲方有限公司；JJ-1BA 型電動(dòng)攪拌器，常州南方機(jī)電有限公司；DHG-9075AE鼓風(fēng)干燥箱，重慶市科比拉特有限公司；MXY-A 型研磨機(jī) ，天津市拉斯特羅有限公司；JE201 型電子天平，上海微電子儀器有限公司；RLX-A 型邵氏硬度計(jì)，上海微山立科有限公司；VDV-1型黏度計(jì)，上?？堤┓怯邢薰?；ADKS-4 型硫化機(jī)，安德魯公司；PE 材質(zhì)模具、不銹鋼模具。

1.3"試驗(yàn)制備

1.3.1"聚氨酯膠粘劑制備

（1）預(yù)聚體組份制備：按照試驗(yàn)要求比例將聚醚二元醇和小分子聚醚三元醇加入 120 ℃燒瓶中真空脫水 2 h，自然冷卻至室溫，加入定量二苯基甲烷-4，4′-二異氰酸酯 MDI-50 ，置于80 ℃恒溫水浴充分反應(yīng)，測試—NCO含量，作為A組份。將固化劑、增塑劑、助劑、顏填料加入鋼筒研磨均勻，置于 120 ℃水浴抽真空脫水 1 h，設(shè)為B組份。

（2）將試驗(yàn)A、B組按照質(zhì)量比1∶3 混合，加入定量橡膠顆粒和環(huán)保催干劑，均勻攪拌后置于60 ℃不銹鋼模具中，在12 MPa壓力下硫化2 h，獲得聚氨酯塑膠跑道制品。

1.3.2"測定表征

聚氨酯制品在室溫下靜止28 d后，按照GB 36248—2018進(jìn)行拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、斷裂伸長率等力學(xué)性能測試；采用數(shù)字黏度計(jì)在（25±1）℃進(jìn)行制品黏度測試^[14]。

2"結(jié)果與討論

2.1"聚醚多元醇的影響

選擇不同質(zhì)量比m（聚醚多元醇220）∶m（聚醚三元醇303）進(jìn)行配比，固化劑按照摩爾比n（聚醚多元醇303）∶n（TMP）為2∶1進(jìn)行配比，催干劑用量0.3%。分別比較了不同比例的聚醚二元醇和聚醚三元醇塑膠制品力學(xué)性能，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著著聚醚多元醇比例的不斷提升，拉伸強(qiáng)度、硬度和黏度均獲得上升，斷裂伸長率下降，當(dāng) m（220）∶m（303）=2∶3 時(shí)，試驗(yàn)組觀察到明顯的抱團(tuán)凝膠現(xiàn)象?？紤]實(shí)際施工可行性，按照質(zhì)量比m（220）∶m（303）=3∶2 來作為基礎(chǔ)預(yù)聚體原料聚醚組份。

2.2"預(yù)聚體—NCO質(zhì)量濃度的影響

以m（220）∶m（303）=3∶2的預(yù)聚體聚醚組分為原料，固化劑采用摩爾比n（聚醚多元醇303）∶n（TMP）=2∶1，催干劑用量為0.3%，采用二正丁胺反滴定法測試不同—NCO質(zhì)量濃度塑膠制品力學(xué)性能，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著—NCO質(zhì)量濃度的增大，預(yù)聚體的黏度、邵氏硬度、斷裂伸長率均下降；拉伸強(qiáng)度提高。黏度較小的塑膠跑道物理性能優(yōu)異，施工便捷，但成本較高，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用性角度考慮，確定—NCO濃度在5%為宜。

2.3"固化劑的影響

固化劑與預(yù)聚體反應(yīng)生成聚氨酯長鏈段，以m（220）∶m（303）=3∶2 的預(yù)聚體聚醚組分為原料，—NCO質(zhì)量濃度為5%，催干劑用量為0.3%。采用環(huán)保型小分子聚醚多元醇、三乙醇胺及 TMP等為交聯(lián)固化劑，獲得固化劑種類下塑膠制品的力學(xué)性能，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，以三乙醇胺和 TMP 為固化劑時(shí)，所獲得的塑料制品在抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率和邵氏硬度方面都表現(xiàn)出了較高的水平，然而在實(shí)際操作過程中，三乙醇胺具有叔胺催化活性，導(dǎo)致固化過程時(shí)間段，難以滿足實(shí)際工程需求^[15]。聚醚多元醇獲得的塑料制品綜合力學(xué)性能較低，且施工可操作性較差^[16]。而采用聚醚多元醇和TMP復(fù)合配比下獲得的塑料制品具有較高的拉伸強(qiáng)度和邵氏硬度，斷裂伸長率也能滿足實(shí)際工藝要求，且實(shí)際施工過程可操作性強(qiáng)。因此，選擇n（聚醚多元醇303）∶n（TMP）=2∶1作為固化劑配比。

2.4"催干劑用量對(duì)膠粘劑固化時(shí)間的影響

塑膠跑道施工中絕大部分都是室外空曠場合，且施工周期相對(duì)較長，天氣變化較大。由于戶外溫濕度的變化，容易引起塑膠跑道質(zhì)量下降，因此為控制塑膠跑道施工中的固化時(shí)間，提升施工工序科學(xué)性，需要配合環(huán)保型催干劑來使用。試驗(yàn)確定增塑劑用量15%，分析鉍鋅復(fù)合催干劑用量下的固化時(shí)間、適用性參數(shù)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，隨著鉍鋅復(fù)合催干劑的增加，固化時(shí)間和適用期縮短，縮短了施工周期，但鉍鋅復(fù)合催干劑價(jià)格昂貴，成本上升。因此，確定催干劑用量0.3%，也可根據(jù)不同地區(qū)的溫度、濕度和氣候條件，根據(jù)施工進(jìn)度選擇催化劑用量。

2.5"產(chǎn)品綜合性能

通過單因素試驗(yàn)，以 m（聚醚二醇）∶m（聚醚三醇）=3∶2為預(yù)聚體原料聚醚組分，采用 n（聚醚多元醇）∶ n（TMP）=2∶1為固化劑組分，—NCO質(zhì)量濃度為5%，催干劑用量為0.3%。將各單組分混合均勻，設(shè)定固化時(shí)間為16 h，適用期為60 min，根據(jù)GB 36246—2018測量制品的綜合力學(xué)性能和總有機(jī)揮發(fā)物（TVOC），測試結(jié)果如表5所示。制品的各項(xiàng)力學(xué)性能都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且總有機(jī)揮發(fā)物含量為21 g/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，具備了較好的環(huán)保性能。

3"水性膠粘劑塑膠跑道的施工工藝

水性膠粘劑塑膠跑道鋪設(shè)的工藝流程：基礎(chǔ)處理→涂抹底漆→攤鋪彈性底層→刮涂封閉加強(qiáng)層→噴涂防滑面層→劃線^[17]。

3.1"基礎(chǔ)處理

在施工前需檢查瀝青路面表面層有無脫殼或松動(dòng)、坑洞污染，瀝青表面用高壓水槍加入洗滌劑進(jìn)行沖洗，直到表面無返油現(xiàn)象。要求水泥混凝土基礎(chǔ)表面無脫殼、起沙、開裂等問題。若存在問題，則用打磨機(jī)加特制鋼絲打磨表面浮沙或起皮，或用鹽水水容易清洗路面，待表面不在產(chǎn)生氣泡后，用清水沖洗，露出表面毛細(xì)孔，提高附著表面機(jī)械咬合力，坑洞、破損采用聚合物沙漿修補(bǔ)。

3.2"底漆的施工

對(duì)于水性底漆，控制基層含水率常小于8%，對(duì)瀝青混凝土路面，可采用原液兌清水將水性底層膠黏劑稀釋后作為底膝使用，對(duì)于水泥混凝土基礎(chǔ)，需采用高滲透性底膝。底膝涂抹可采用刷子或滾筒，通常重復(fù)涂抹2遍，確?；鶎尤采w，待底漆完全干燥后再進(jìn)入后續(xù)操作。

3.3"彈性底層的攤鋪

按照質(zhì)量比照1∶5～6比例將水性底層膠粘劑與粒徑2～4 mm的MPV顆粒均勻混合，作為底層鋪攤料。采用塑膠跑道攤鋪機(jī)攤鋪彈性底層，鋪設(shè)過程中保證機(jī)器行走速度均勻、不斷料，鋪設(shè)底層厚度滿足設(shè)計(jì)要求，鋪設(shè)完成后，應(yīng)保證底層顆粒無松動(dòng)、脫落現(xiàn)象，無明顯接縫，表面光滑。

3.4"封閉加強(qiáng)層的刮涂

按照質(zhì)量比1∶0.65～0.70比例將水性底層膠粘劑與細(xì)度80目的MPV顆粒均勻混合作為批刮料。采用橡膠皮耙批刮對(duì)加強(qiáng)層進(jìn)行封閉施工。批刮均勻，接邊平滑，不漏底，接縫處沿縫隙左右延伸15 cm進(jìn)行預(yù)批刮處理^[18]。批刮施工以2遍為宜；但干燥固化后進(jìn)行場地試水試驗(yàn)，將低洼處批刮料補(bǔ)平，凸起處打磨平整。

3.5"防滑面層的噴涂和劃線

按照質(zhì)量比1∶1將水性底層膠粘劑與粒徑0.5～2 mm的MPV均勻攪拌作為噴涂料。防滑面應(yīng)相反方向噴涂2遍，在噴涂過程中，要求48 h內(nèi)無雨，風(fēng)力在5級(jí)以下。噴涂時(shí)嚴(yán)格控制噴料配合比，保持出料稠度，噴涂后的面層應(yīng)均勻無堆積，表面膠粘劑均勻飽滿，粘接牢固。待面層固化后，按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行標(biāo)志和標(biāo)線。

4"結(jié)語

（1）采用m（聚醚多元醇220）∶m（聚醚多元醇303）為3∶2，固化劑按照n（聚醚多元醇303）：n（TMP）為2∶1，—NCO質(zhì)量濃度為5%，催干劑用量為0.3%時(shí)，制備的聚氨酯塑膠制品力學(xué)性能優(yōu)異，實(shí)用性強(qiáng)，固化時(shí)間適中，實(shí)現(xiàn)了無毒無味、環(huán)保健康的要求，且施工便捷，具有較高的市場使用價(jià)值;（2）制備的新型水性膠黏劑與不同粒徑的MPV混合鋪設(shè)環(huán)保性塑膠跑道，采用傳統(tǒng)的施工工藝鋪設(shè)施工。同時(shí)，需注意基礎(chǔ)處理，按照一定配比涂抹底漆和攤鋪彈性底層 、刮涂封閉加強(qiáng)層，滿足塑膠報(bào)道環(huán)保性能和使用性能。

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收稿日期：2023-09-15；修回日期：2023-12-08

作者簡介：韋瑞凱（1980-），男，副教授，主要從事體育教育研究;E-mail：weirk@gdstpec.edu.cn。

引文格式：韋瑞凱，楊"博.適用于塑膠跑道的新型水性膠粘劑制備及施工工藝研究[J].粘接，2024，51（2）：42-45.