張友安，陳瓊霞，吳立柱

(河北師范大學(xué) 公體部，河北 石家莊 050000)

塑膠跑道主要由橡膠和其他材料(例如聚氨酯)開發(fā)而成，具有一定程度的彈性和顏色[1-3]。同時(shí)，它還具有一定的抗紫外線和抗衰老能力，是全球公認(rèn)的最佳戶外運(yùn)動(dòng)地面材料[3-6]。本文針對(duì)聚氨酯橡膠跑道抗老化性能的分析和討論，與傳統(tǒng)的塑膠跑道相比，聚氨酯橡膠跑道具有更強(qiáng)的抗老化性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料與儀器

預(yù)聚體、色漿、聚氨酯膠、廢舊橡膠顆粒、2-乙基乙酸鉛、鄰苯二甲酸二異辛酯均為工業(yè)品。

JJ-1型電動(dòng)攪拌器；401A型老化箱；SN-500F氙氣老化試驗(yàn)箱；XWW-20電子萬能試驗(yàn)機(jī)；M-2000A 摩擦儀。

1.2 聚氨酯橡膠顆?；旌衔锏闹苽?/h3>

分兩步制備聚氨酯橡膠顆粒混合物：①預(yù)聚體和色漿按質(zhì)量比1∶3比例加入攪拌機(jī)，加入2-乙基乙酸鉛的鄰苯二甲酸二異辛酯溶劑作為催化劑，攪拌混合均勻，攪拌速度為200 r/min，攪拌時(shí)間為 1.5 min，制成膠漿；②將膠漿與橡膠顆粒混合，攪拌混合均勻，攪拌速度為300 r/min，根據(jù)混合量，混合時(shí)間為1.5～3 min。由于聚氨酯粘合劑在高溫條件下的高初始硬化速率，因此所有混合過程均在室溫下進(jìn)行。

1.3 耐老化性能測(cè)試

1.3.1 長(zhǎng)期熱老化試驗(yàn) 參照瀝青混合料的長(zhǎng)期老化試驗(yàn)方法(JTG E20—2011)[7]，采用長(zhǎng)期老化試驗(yàn)方法研究其抗老化性能[8-9]。

將制備的聚氨酯橡膠顆粒混合物的拉伸試驗(yàn)樣品置于(85±3)℃的老化箱中，并在強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱5 d。將老化的拉伸試驗(yàn)片與連接器粘接，粘接牢固后進(jìn)行直接拉伸試驗(yàn)?？估匣笜?biāo)是由老化和未老化的聚氨酯橡膠顆?；旌衔镏g的失效應(yīng)力、破壞應(yīng)變、斷裂能來確定的。

1.3.2 紫外線老化試驗(yàn)[10-12]紫外線老化是在氙氣老化試驗(yàn)箱中進(jìn)行的，該箱輻射290～340 nm的紫外線，額定功率為1.8 kW，溫度為(60±3)℃，相對(duì)濕度為(50±5)%。紫外線老化時(shí)間為0，200，400，750 h。

1.3.2.1 拉伸強(qiáng)度測(cè)試 根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 527：1，由萬能材料測(cè)試儀進(jìn)行拉伸測(cè)試。

1.3.2.2 摩擦和磨損測(cè)試 在摩擦儀上進(jìn)行，施加的磨損測(cè)試儀的載荷為210 N，干摩擦160 min，轉(zhuǎn)速為210 r/min。

將5個(gè)樣品的數(shù)據(jù)取平均值，以確定機(jī)械性能，拉伸強(qiáng)度的誤差通常為3%～7%，斷裂伸長(zhǎng)率的誤差通常為5%～25%，摩擦系數(shù)的誤差為4%～6%，比磨損率的誤差為8%～15%。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗熱老化性能

聚氨酯橡膠材料與傳統(tǒng)塑膠跑道經(jīng)熱老化后與未老化時(shí)，進(jìn)行直接拉伸測(cè)試的失效應(yīng)力、破壞應(yīng)變、斷裂能比較，結(jié)果見表1。

表1 未老化和老化聚氨酯橡膠跑道的 失效應(yīng)力、破壞應(yīng)變和斷裂能對(duì)比Table 1 Comparison of failure stress，failure strain and fracture energy of unaged and aged polyurethane rubber track

由表1可知，聚氨酯橡膠材料的失效應(yīng)力、破壞應(yīng)變、斷裂能均高于傳統(tǒng)塑膠跑道。老化后的聚氨酯橡膠材料與傳統(tǒng)塑膠跑道的失效應(yīng)力均降低了，但未老化的聚氨酯橡膠材料的失效應(yīng)力高于傳統(tǒng)塑膠跑道，這表明聚氨酯橡膠跑道的強(qiáng)度更好。聚氨酯橡膠跑道在老化后失效應(yīng)力降低了8.33%，而傳統(tǒng)塑膠跑道的失效應(yīng)力降低為22.41%。這意味著，熱老化會(huì)對(duì)材料拉伸強(qiáng)度及其產(chǎn)生較大影響，但聚氨酯橡膠材料的抗老化性能更好。破壞應(yīng)變方面，聚氨酯橡膠跑道的破壞應(yīng)變比傳統(tǒng)塑膠跑道更高，老化后聚氨酯橡膠跑道的破壞應(yīng)變下降了 29.41%，而傳統(tǒng)塑膠跑道的破壞應(yīng)變降低達(dá)到53.33%。

斷裂能是指試樣承受拉伸載荷并擴(kuò)展裂紋單位面積所需的能量[13-16]。它等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線下包含的面積與樣品特征長(zhǎng)度的乘積，并通過以下公式計(jì)算[17-18]：

其中，σ為應(yīng)力；ε0為總應(yīng)變；d為樣本的特征長(zhǎng)度。

材料的拉伸強(qiáng)度和延展性越高，斷裂能越大[19]。由表1可知，未老化聚氨酯橡膠材料具有最高的斷裂能，高于傳統(tǒng)塑膠跑道。熱老化后，聚氨酯橡膠跑道和傳統(tǒng)塑膠跑道的斷裂能均有下降，這意味著老化對(duì)材料性能有很大的影響。但聚氨酯橡膠跑道降低 39.54%，傳統(tǒng)塑膠跑道降低達(dá)到了 62.72%，老化對(duì)聚氨酯橡膠跑道的性能影響更小，其抗老化性能更好。

通過對(duì)未老化和老化的聚氨酯橡膠跑道的失效應(yīng)力，破壞應(yīng)變和斷裂能的比較分析，發(fā)現(xiàn)熱老化對(duì)跑道性能的影響是顯著的。在老化前后，斷裂能變化最為劇烈。因此，老化后的跑道的抗裂性顯著降低。但相比兩者的抗老化性能，聚氨酯橡膠材料具有更出色的抗老化性能，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)塑膠跑道。

2.2 耐紫外線老化性能分析

為了驗(yàn)證聚氨酯橡膠跑道的耐老化性能，對(duì)其進(jìn)行紫外線老化后，利用拉伸、摩擦和磨損測(cè)試，評(píng)估聚合物聚氨酯橡膠跑道耐老化性能，并與傳統(tǒng)塑膠跑道進(jìn)行對(duì)比。紫外線主要在老化的后期引起粘結(jié)斷裂，使跑道強(qiáng)度耐磨性降低。

2.2.1 機(jī)械學(xué)性能對(duì)比 聚氨酯橡膠跑道與傳統(tǒng)塑膠跑道拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率在紫外線老化前后對(duì)比見圖1和圖2。

圖1 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統(tǒng)塑膠跑道的拉伸強(qiáng)度Fig.1 Tensile strength of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

圖2 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統(tǒng)塑膠跑道的伸長(zhǎng)率Fig.2 Elongation of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由圖1和圖2可知，聚氨酯橡膠跑道強(qiáng)度在早期老化階段較高，然后迅速下降。當(dāng)老化時(shí)間達(dá)到750 h時(shí)，降解急劇發(fā)生，表現(xiàn)出拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率保持率分別為88.74%和69.52%。

傳統(tǒng)塑膠跑道強(qiáng)度在早期老化就較聚氨酯橡膠跑道低，同樣迅速下降，但老化750 h，拉伸強(qiáng)度保持率僅在80%左右，伸長(zhǎng)率保持在66.67%。說明聚氨酯塑膠跑道機(jī)械性能的耐老化性高于傳統(tǒng)塑膠跑道。

2.2.2 摩擦學(xué)性能對(duì)比 聚氨酯橡膠跑道與傳統(tǒng)塑膠跑道的摩擦系數(shù)變化及比磨損率變化在紫外線老化前后對(duì)比見圖3和圖4。

圖3 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統(tǒng)塑膠跑道的摩擦系數(shù)Fig.3 Friction coefficient of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由圖3可知，在摩擦學(xué)性能方面，聚氨酯橡膠跑道的摩擦系數(shù)較傳統(tǒng)塑膠跑道高。隨著時(shí)間的增加，摩擦系數(shù)均有增加，聚氨酯橡膠跑道增加了39.95%，而傳統(tǒng)塑膠跑道僅增加27.32%。這說明聚氨酯橡膠跑道較傳統(tǒng)塑膠跑道有更好的摩擦性能。

圖4 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統(tǒng)塑膠跑道的比磨損率Fig.4 Specific wear rate of polyurethane rubber track and traditional plastic track after aging

由圖4可知，聚氨酯橡膠跑道的比磨損率較傳統(tǒng)塑膠跑道高。時(shí)間增加，使比磨損率增加，至 750 h 聚氨酯橡膠跑道比磨損率增加了123.33%，傳統(tǒng)塑膠跑道雖有增加，但始終低于聚氨酯橡膠跑道。這說明聚氨酯橡膠跑道較傳統(tǒng)塑膠跑道有更好的耐磨性能。

由圖3和圖4 可知，聚氨酯橡膠跑道較傳統(tǒng)塑膠跑道有更好的摩擦學(xué)性能的耐老性。

3 結(jié)論

(1)熱老化對(duì)跑道性能的影響是顯著的，其強(qiáng)度和抗裂性能會(huì)降低。聚氨酯橡膠材料的抗老化性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)塑膠跑道。

(2)紫外線老化對(duì)跑道的機(jī)械學(xué)性能及摩擦學(xué)性能均有影響。但紫外線老化對(duì)聚氨酯橡膠跑道材料影響較傳統(tǒng)塑膠跑道低。

綜上所述，聚氨酯橡膠跑道具有維持強(qiáng)度好、耐磨的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中。