劉毅

摘 要：由于聚氨酯塑膠跑道在發(fā)展過程中出現(xiàn)異味、重金屬含量超標等現(xiàn)象，針對聚氨酯塑膠跑道中出現(xiàn)異味、重金屬含量超標現(xiàn)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(jié)構(gòu)性能的關(guān)系進行詳細分析，通過耐候性試驗以及擴鏈劑與結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)論，具有一定的研究價值。

關(guān)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(jīng)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(yīng)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(jié)而成，該構(gòu)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(yīng)用于大型比賽場地有利于運動員在任何環(huán)境下進行訓(xùn)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(xiàn)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(yīng)用于世界性田徑比賽的標準跑道。經(jīng)證實，于1968年在墨西哥經(jīng)過當?shù)氐膴W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(shù)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(xiàn)了多種問題，比如異味、重金屬含量超標等現(xiàn)象接連出現(xiàn)，因此，配方的改良以及性能的提升成為亟待解決的技術(shù)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(yīng)生成含有氨基甲酸酯基團的大分子主鏈結(jié)構(gòu)，而基于聚氨酯的塑膠主要通過澆注的方法進行實現(xiàn)，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(yù)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(shè)場地的不同，可以將聚氨酯塑膠跑道分為兩層結(jié)構(gòu)，使其具有更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，而其結(jié)構(gòu)分別是基礎(chǔ)層以及膠面層，其中基礎(chǔ)層的構(gòu)成材料為無機材料，而膠面層使用的材料則為聚氨酯，依據(jù)不同類別可以分為聚氨酯膠面層結(jié)構(gòu)、聚氨酯異構(gòu)體類型，其中聚氨酯膠面層結(jié)構(gòu)由全塑型、復(fù)合型、混合型以及顆粒型構(gòu)成;而聚氨酯異構(gòu)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(gòu)成。根據(jù)相關(guān)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(zhì)出現(xiàn)在塑膠跑道之中[1]。

2 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展現(xiàn)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(xiàn)場進行鋪設(shè)，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(jīng)成為我國多數(shù)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(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)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(jīng)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(yù)聚體中，并揮發(fā)至空氣中引發(fā)人體器官出現(xiàn)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(xiàn)，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(gòu)成一定的危害，因此，應(yīng)明令禁止該類型的聚氨酯塑膠跑道出現(xiàn)在人類生活中，通過不斷的研究，最終發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)對稱性4，4-MDI以及分子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)性能的關(guān)系

3.1 擴鏈劑對結(jié)構(gòu)性能的影響

通過相關(guān)試驗表明聚氨酯塑膠跑道中的擴鏈劑對于跑道的結(jié)構(gòu)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(yù)聚體與擴鏈劑會產(chǎn)生強烈反應(yīng)，最終生成大分子鏈，其反應(yīng)過程如下所示：

最終生成可以取代氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)直鏈聚合物。

而將二胺作為擴鏈劑時的反應(yīng)過程如下所示：

最終生成可以取代脲結(jié)構(gòu)的直鏈聚合物。

通過一系列的反應(yīng)可以證明擴鏈劑的選擇對于彈性體的結(jié)構(gòu)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(nèi)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(xiàn)，其中大氣老化需要一定的曝露條件，對于試驗地點應(yīng)選擇空曠位置，避免外界干擾因素的產(chǎn)生，并以23°緯度角作為曝露角度，根據(jù)實驗分析最終得出的試驗結(jié)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(shù)據(jù)將通過圖表的形式進行展現(xiàn)，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(jié)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(shù)的不斷發(fā)展，聚氨酯塑膠跑道仍具有一定的危害性應(yīng)小心使用[5]。

4 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展趨勢

隨著天然災(zāi)害的不斷發(fā)生表明在災(zāi)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(yīng)，該現(xiàn)象的不斷發(fā)生都在提示著人類應(yīng)當積極響應(yīng)環(huán)?；顒樱瑥淖陨碜銎?，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(chǔ)，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(yīng)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(xiàn)，最終由四針狀結(jié)構(gòu)的纖維狀單晶體展現(xiàn)，而晶須補強聚氨酯的形成過程最主要的核心物質(zhì)為晶須材料與聚醚多元醇，通過將二者進行復(fù)合作用，將復(fù)合作用后形成的物質(zhì)經(jīng)過異氰酸酯組分反應(yīng)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(yīng)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(fù)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(jù)相關(guān)新聞報道，各地方出現(xiàn)“毒跑道”現(xiàn)象，因此，相關(guān)政府以及教育部門針對該現(xiàn)象成立了治理小組，對“毒跑道”現(xiàn)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(shè)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(shè)計對其進行加急處理，施工工藝設(shè)計會對聚氨酯塑膠跑道的原材料進行嚴格審核，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時，通過可靠的工程設(shè)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(chǎn)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(shù)過硬的專業(yè)人員進行質(zhì)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(yīng)用

5.1 水性樹脂塑膠跑道體系的應(yīng)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(chǔ)，在其中加入適當?shù)妮o助劑，通過適當?shù)男麄?，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(yīng)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(xiàn)，對于相關(guān)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(xiàn)象相關(guān)業(yè)內(nèi)人員正在不斷研發(fā)新產(chǎn)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(chǎn)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(yīng)用可以減小聚氨酯塑膠跑道的體積，從而實現(xiàn)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(yīng)用

發(fā)泡熱塑性彈性體的應(yīng)用的核心思路主要通過不斷增加產(chǎn)品的彈性以及強度為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，不斷減少相應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)象、高溫易變形等問題。

6 結(jié)語

隨著我國經(jīng)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(xiàn)危機，因此，全民運動隨之產(chǎn)生，人們將時間花費在運動方面，對于塑膠跑道的關(guān)注度漸漸加強，聚氨酯塑膠跑道隨之出現(xiàn)，但是，通過相關(guān)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(shù)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。

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