一種運(yùn)動場地施工用單組分粘合劑性能表征及結(jié)果分析

摘 要：以單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯、聚醚多元醇、1，2?丙二醇、1，4?丁二醇、雙嗎啉基二乙基醚為原料制備了體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑，并對其粘接性能進(jìn)行了測試表征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著異氰酸酯基含量增加，單組分聚氨酯粘合劑粘度逐漸降低，初粘強(qiáng)度逐漸縮小，終粘強(qiáng)度先增大后減小，拉伸強(qiáng)度逐漸增大，斷裂伸長率先上升后極速下降；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體按照質(zhì)量比6∶4均勻混合制備而成粘合劑粘度較小，固化時(shí)間適度，粘接強(qiáng)度較好，整體性能優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：塑膠跑道；單組分；聚氨酯；粘合劑；粘接性能

中圖分類號：TQ433.4+32" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：1001-5922（2024）07-0046-04

Performance characterization and result analysis

of a one-component adhesive for sports field construction

ZHAO Shuyun

（Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710100，China）

Abstract： A single component polyurethane adhesive for sports venue construction were prepared using" aliphatic diphenylmethane diisocyanate， polyether polyol， 1，2?propanediol， 1，4?butanediol， and bimorpholinyl diethyl ether as raw materials， and their bonding properties were tested and characterized." The results showed that as the content of isocyanate groups increased， the viscosity of the single component polyurethane adhesive gradually decreased， the initial adhesive strength gradually decreased， the final adhesive strength first increased and then decreased， the tensile strength gradually increased， and the fracture elongation first increased and then rapidly decreased. The polyurethane prepolymer made from polyether polyol N220 system+isocyanate group+1，4?butanediol and the polyurethane prepolymer made from polyether polyol N330 system+isocyanate group+1，2?propanediol were uniformly mixed in a mass ratio of 6∶4 to form an adhesive with low viscosity， moderate curing time， good bonding strength， and excellent overall performance.

Key words：" plastic track；one?component；polyurethane；adhesive；adhesive performance

聚氨酯粘合劑擁有非常強(qiáng)的極性與化學(xué)性質(zhì)異常活潑的異氰酸酯基、氨酯基，對多孔材料、玻璃、橡膠、金屬等皆擁有較好粘附性。而聚氨酯內(nèi)部氨酯基間的氫鍵作用可增強(qiáng)內(nèi)聚力，提高粘合牢固性［1］。單組分聚氨酯粘合劑中的高反應(yīng)性異氰酸酯基團(tuán)、固化物結(jié)構(gòu)內(nèi)氨基甲酸酯基團(tuán)與橡膠、金屬等含活性氫的材料之間擁有良好化學(xué)粘接性能，目前已普遍應(yīng)用于體育運(yùn)動領(lǐng)域［2?3］。而且由于聚氨酯完全固化之后彈性良好，可賦予塑料跑道等體育運(yùn)動場地充足彈性，從而確保運(yùn)動舒適性與抗震性［4］

。其中聚氨酯粘合劑以其優(yōu)異機(jī)械性能、耐酸堿性、與基材良好粘合性得以脫穎而出，其是分子鏈內(nèi)富含氨基甲酸酯基團(tuán)或者異氰酸酯基團(tuán)的粘合劑［5］。而單組分聚氨酯粘合劑對水泥與瀝青具備良好粘著性，適用于體育場館、場地鋪設(shè)，是保障體育運(yùn)動場地綜合性能的關(guān)鍵要素之一［6?7］。據(jù)此，制備了體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑，并對其粘接性能進(jìn)行了測試分析。

1" "試驗(yàn)部分

1.1" "原料與儀器

體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑制備用原料主要包括，單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯，濟(jì)南弘耀化工有限公司；聚醚多元醇N220、聚醚多元醇N330，湖北成豐化工有限公司；1，2?丙二醇，無錫市晶科化工有限公司；1，4?丁二醇，濟(jì)南鑫超瑞化工有限公司；雙嗎啉基二乙基醚，山東林冠精細(xì)化工有限公司。

體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑制備用儀器主要包括，黏度計(jì)（DV2T），廣東東南科創(chuàng)科技有限公司；萬能試驗(yàn)機(jī)（STM-5），斯特瑪（上海）實(shí)業(yè)有限公司；硬度計(jì)（LX-A），揚(yáng)州市源峰檢測設(shè)備有限公司。

1.2" "試樣制備

1.2.1" "單組分聚氨酯粘合劑制備

將聚醚多元醇放置于四口燒瓶內(nèi)，以100～120 ℃溫度環(huán)境真空脫水處理120～180 min，干燥至含水量小于0.05%，再冷卻至50 ℃溫度狀態(tài)下?lián)饺雴谓M分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯，合理控制異氰酸酯指數(shù)為3.5，在65 ℃溫度下持續(xù)反應(yīng)60 min，添加小分子二醇繼續(xù)反應(yīng)120 min，溫度下降至室溫狀態(tài)，以二正丁胺-甲苯法對異氰酸酯基進(jìn)行測試低于質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%時(shí)，再添加既定比例雙嗎啉基二乙基醚并在50 ℃溫度狀態(tài)下保溫?cái)嚢?40 min，然后抽出真空出料，以此生成單組分聚氨酯粘合劑試樣，密封保存待用［8?10］。

1.2.2" "單組分粘合劑制塑膠跑道制備

按照質(zhì)量比1∶6、1∶8、1∶10將單組分聚氨酯粘合劑與三元乙丙橡膠顆粒（粒徑2～4 mm）進(jìn)行混合并攪拌均勻，然后倒置于330 mm×430 mm×10 mm、330 mm×430 mm×12 mm尺寸型號的模具內(nèi)，拍實(shí)并確保厚度均勻適中，試樣厚度為10、11、12 mm，室溫狀態(tài)下靜置1 d，脫膜之后放置于60 ℃溫度與60%相對濕度環(huán)境下，加速固化1 d，由此生成單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣。

單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣面層噴涂。以質(zhì)量比1∶2均勻混合DPSJ-01紅色粘稠液體與單組分聚氨酯粘合劑，然后噴涂于單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣，厚度約3 mm，試樣整體厚度為13、14、15 mm，室溫狀態(tài)下靜置固化1 d，脫膜之后放置于60 ℃溫度與60%相對濕度環(huán)境下，加速固化1 d，由此生成單組分粘合劑制塑膠跑道試樣［11?12］。

1.3" "性能表征

利用黏度計(jì)測試體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑黏度與粘接強(qiáng)度；以室溫環(huán)境下將粘合劑均勻涂抹于不銹鋼板材以測試體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑完全固化所需時(shí)間；按照GB/T 528—2009標(biāo)準(zhǔn)，利用萬能拉力機(jī)測試體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長率［13］；按照GB/T 531—2008標(biāo)準(zhǔn)，利用硬度計(jì)測試體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑硬度。

2" "結(jié)果與分析

2.1" "基于異氰酸酯基含量的體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

2.1.1" "基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑粘" "接強(qiáng)度

基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑粘接強(qiáng)度測試結(jié)果具體如表1所示。

由表1可知，預(yù)聚體內(nèi)異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%時(shí)，單組分聚氨酯粘合劑黏度最大，且隨著異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單組分聚氨酯粘合劑黏度呈現(xiàn)為逐漸降低態(tài)勢，這可能是由于單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯過量反而會導(dǎo)致預(yù)聚體相對分子質(zhì)量變小，致使粘合劑黏度降低［14?15］；隨異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單組分聚氨酯粘合劑初粘強(qiáng)度呈現(xiàn)為逐漸縮小狀態(tài)，以分子間作用力發(fā)揮主體性作用，與聚氨酯分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)、多元醇的結(jié)晶性息息相關(guān)［16］；隨異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，單組分聚氨酯粘合劑終粘強(qiáng)度呈現(xiàn)為先增大后減小狀態(tài)，這可能是由于異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%～3%時(shí)，合成與固化生成的氨基甲酸酯基與脲基隨異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而變多，而粘接強(qiáng)度越大；異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過3%時(shí)，粘接強(qiáng)度反而降低，限制了聚合物鏈段活動與擴(kuò)散，導(dǎo)致粘合力降低，粘接強(qiáng)度迅速降低［17］。由此可見，選擇適量異氰酸酯基才可有效提高單組分聚氨酯粘合劑粘接性能。

2.1.2" "基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑力"學(xué)性能

基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑力學(xué)性能測試結(jié)果具體如表2所示。

由表2可知，隨著異氰酸酯基質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高，單組分聚氨酯粘合劑拉伸強(qiáng)度逐漸增大，而斷裂伸長率呈現(xiàn)為先上升后極速下降的態(tài)勢。這可能是由于軟段分子量增加促使鏈段運(yùn)動更加容易，分子更易于調(diào)整結(jié)構(gòu)以分散局部較強(qiáng)應(yīng)力，粘合劑不易斷裂破壞；而異氰酸酯基含量過高會致使密集脲基與化學(xué)-物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，局限分子鏈段運(yùn)動，使得斷裂伸長率降低［18］。

2.2" "基于小分子二元醇的體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

將聚醚多元醇N220與N330分別摻入同物質(zhì)量的1，2?丙二醇與1，4?丁二醇中，以測試基于小分子二元醇的體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑的粘接性能，結(jié)果具體如表3所示。

由表3可知，聚醚多元醇N220體系單組分聚氨酯粘合劑中分別摻入同物質(zhì)量1，2?丙二醇與1，4?丁二醇后，對粘合劑的黏度與固化時(shí)間影響不顯著，但對粘合劑的粘接強(qiáng)度影響較明顯，這可能因1，4?丁二醇線性對稱結(jié)構(gòu)促合成聚氨酯硬段分子鏈更規(guī)整，且結(jié)晶度更高，分離度更大，粘接強(qiáng)度則隨之變大；聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑中分別摻入同物質(zhì)量1，2?丙二醇與1，4?丁二醇后，對粘合劑的粘接強(qiáng)度影響不顯著，但對粘合劑的黏度與固化時(shí)間影響較明顯。這表明1，4?丁二醇不利于聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑固化與施膠；聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑固化速率明顯高于聚醚多元醇N220體系粘合劑；但聚醚多元醇N220體系+1，4?丁二醇單組分聚氨酯粘合劑的黏度適宜且粘接強(qiáng)度最優(yōu)［19］。

2.3" "基于不同預(yù)聚體比例的體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

將基于聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體按照既定比例均勻混合，以生成新預(yù)聚體，再根據(jù)單組分聚氨酯粘合劑試樣制備流程摻入雙嗎啉基二乙基醚制成聚氨酯粘合劑。基于不同預(yù)聚體比例的體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能具體如表4所示。

由表4可知，隨著聚醚多元醇質(zhì)量比縮?。ň勖讯嘣糔330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體增加），單組分聚氨酯粘合劑黏度整體變化顯著，固化速率加快，粘接強(qiáng)度下降；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體按照聚醚多元醇N220體系與聚醚多元醇N330體系質(zhì)量比6∶4均勻混合時(shí)所制備而成聚氨酯粘合劑黏度較小，固化時(shí)間適度，粘接強(qiáng)度較好，整體性能優(yōu)異。

2.4" "基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道力學(xué)性能

基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道力學(xué)性能具體如表5所示。

由表5可知，基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道與GB/T 36246—2018標(biāo)準(zhǔn)要求［20］的力學(xué)性能相符，表明其綜合性能表現(xiàn)良好，可投入生產(chǎn)使用。

3" "結(jié)語

體育運(yùn)動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑基于聚合物內(nèi)異氰酸酯基與大氣內(nèi)水分或者粘接基材內(nèi)活潑氫原子之間反應(yīng)以實(shí)現(xiàn)粘接，固化之后粘接強(qiáng)度與黏度較好。隨著異氰酸酯基含量增加，單組分聚氨酯粘合劑黏度呈現(xiàn)為逐漸降低態(tài)勢，初粘強(qiáng)度呈現(xiàn)為逐漸縮小狀態(tài)，終粘強(qiáng)度呈現(xiàn)為先增大后減小狀態(tài)，由此可見選擇適量異氰酸酯基才可有效提高單組分聚氨酯粘合劑粘接性能；隨著異氰酸酯基含量提高，單組分聚氨酯粘合劑拉伸強(qiáng)度逐漸增大，而斷裂伸長率呈現(xiàn)為先上升后極速下降的態(tài)勢；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預(yù)聚體按照質(zhì)量比6∶4均勻混合時(shí)所制備而成聚氨酯粘合劑黏度較小，固化時(shí)間適度，粘接強(qiáng)度較好，整體性能優(yōu)異。基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道綜合性能表現(xiàn)良好，可投入生產(chǎn)使用。

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