新国标背景下聚氨酯塑胶跑道的发展

2020-04-17沈祖建

聚氨酯工业 2020年2期

沈祖建

(江苏长诺运动场地新材料有限公司江苏南京 211500)

随着全民健身运动的深入开展及体育运动地材行业技术水平的日益成熟,聚氨酯(PU)塑胶跑道因其优良的耐磨耐油防滑性、抗老性、抗冲击性、回弹性、色彩美观、易维护保养等特点得到了人们的普遍青睐,塑胶跑道也从专业竞技赛场走近大众生活,走进中小学校园[1]。

自2015年起,全国多地中小学相继爆发塑胶跑道质量安全事件,事件中出现了不明来源黑色橡胶颗粒和刺激性气味,导致一些孩子身体健康受到威胁,跑道的化学安全性备受质疑,引起了社会各界的广泛关注,使得原处在快速增长期的塑胶跑道行业遭到巨大冲击。这一事件的发生促使行业需进行优化升级,重视技术体系创新,强化工程质量监管,走绿色发展道路。

1 塑胶跑道行业发展现状及问题

塑胶跑道的制造和铺设工艺简单,入行门槛较低,需求量大利润高,高速增长的行业规模吸引众多商家蜂拥而入,导致塑胶跑道市场产品鱼龙混杂,质量参差不齐。

塑胶跑道是由聚氨酯预聚体、扩链剂、催化剂、颜料、填料等经一系列混合、加工、摊铺浇注而成的聚氨酯弹性体[2]。不良商家为追求低成本,在铺设跑道时违规添加有害物质或降低施工质量标准,造成跑道部分物质含量超标,物理机械性能不合格,为塑胶跑道质量安全埋下隐患。

2 塑胶跑道现行国家标准分析

为促进体育运动地材研发和生产的规范化发展,保证中小学生健康安全,我国于2018年11月1日正式实施塑胶跑道新国标GB 36246—2018《中小学合成材料面层运动场地》用于替代GB/T 19851.11—2005《中小学体育器材和场地第11部分:合成材料面层运动场地》(以下简称旧国标)。新国标由以往的国家推荐标准(GB/T)变更为国家强制标准(GB),增加跑道设计、施工、环保和验收等内容,对塑胶跑道面层厚度、物理机械性能、耐老化性能、无机填料含量、防滑胶粒高聚物含量、面层成品、固体和非固体原料中有害物质含量等多项内容做出限定[3]。

2.1 塑胶跑道化学指标限定

聚氨酯胶料中的氯化物、游离甲苯二异氰酸酯(TDI)、苯类化合物,黑色颗粒中的硫化物、多环芳烃化合物以及填料及胶中重金属,都属于塑胶跑道的潜在污染源。旧国标中限定了7项跑道面层有害物质,但苯、甲苯和二甲苯、游离TDI、可溶性重金属不能涵盖所有有害成分,新国标将范围扩大到18项,细分为有害物质含量、释放量和气味3大类[4]。

新国标中不仅重视对成品的化学指标的检测,更严格限定原材料中有害物质含量,详见表1。

表1 面层成品中有害物质限量(含量)

如表1所示,对塑胶成品中的游离 TDI、4,4′-二氨基-3,3′-二氯二苯甲烷 (MOCA)、可溶性重金属、短链氯化石蜡和邻苯二甲酸酯类化合物含量做出了严格限定,使得传统TDI-MOCA体系塑胶跑道受到冲击。同时,对总挥发性有机物(TVOC)含量及释放量、无机填料总量(≤65%)、面层防滑胶粒中高聚物总量(≥20%)进行限定,限制了有机溶剂或增塑剂的使用。国标中对舆论重点关注的化学指标如多环芳烃、苯并芘、甲醛、苯类和二硫化碳等都作出了明确的限量规定,同时增加了气味等级指标,要求塑胶面层在实际使用中接近于无气味状态,这些要求也促使厂家使用新料替代废弃橡胶制品制作弹性胶粒以适应环保发展要求[3]。

2.2 塑胶跑道物理机械指标限定

“毒跑道”事件过后,舆论重点关注跑道化学指标,不良商家通过牺牲跑道功能性和耐久性来降低成本,致使跑道物理机械性能不达标。跑道的物理性能与场地的安全保护性和运动性息息相关,若跑道中无机填料较多,含胶量少,胶粒过硬,或者跑道面层物理机械指标不达标,青少年运动过程中一旦发生意外,会对骨骼、关节等部位造成损伤[5]。

新国标中不仅对跑道化学指标做出严格限制,对其厚度和物理机械性能也做明确规定,详见表2。

表2 面层成品厚度及物理机械性能要求

如表2所示,新国标对塑胶跑道厚度的最低要求从10 mm提高至13 mm,并增加了对跑道冲击吸收、垂直变形、抗滑值、拉伸强度等物理指标的限定[3]。冲击吸收是衡量塑胶跑道运动性能和缓冲保护性能的核心指标,是影响中小学生足踝膝关节健康的重要因素,而跑道的铺装工艺质量对其物理机械性能影响巨大。

因此,塑胶跑道施工质量和原材料质量同样重要,新国标的规定不仅对跑道原材料及配方体系提出了技术要求,也对跑道工程设计、现场施工环节及监管验收提出了质量要求[6]。

3 新国标塑胶跑道配方设计的改进

与旧国标相比,新国标对化学有害物质限量指标做出大幅度的修订,不仅从跑道生产配方的角度进行考虑,更增加了对原料中可能包含的有害物质的限制和检测要求,有效防止部分企业在生产过程中改变配方、使用违规添加剂而导致毒跑道事件的发生。为适应新国标的要求,企业必须在原材料选用及配方设计上做出调整,以生产出合格的新产品。

3.1 MDI型聚氨酯胶料

鉴于新国标中对游离TDI、1,6-亚己基二异氰酸酯(HDI)含量的限制,以及TDI型塑胶跑道对人体存在的健康威胁,聚氨酯胶料采用挥发性较低、危害较小的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)或液化MDI体系代替TDI体系将是大势所趋,而且液化MDI的流动性好,制备聚氨酯预聚体不需额外添加有机溶剂,更符合环保要求[7]。侯芳等[8]成功研制出MDI环保型单组分体系替代TDI体系,且配方不含氯化石蜡、邻苯二甲酸二丁酯等增塑剂。

3.2 非MOCA 型扩链剂

MOCA扩链剂是一种芳香胺类化合物,属于低毒至基本无毒物质,但其是否致癌一直是科学界争论的焦点。由MOCA固化的聚氨酯弹性体的物理性能较好,但固化时间偏快,对现场施工要求较高,而且新国标要求固化后跑道面层中游离MOCA的含量低于1 g/kg。面对新要求,聚氨酯配方体系应做出相应的改变,铺设时注意使MOCA固化完全,或者选用非MOCA型扩链剂。孔克健等[10]提出使用非卤代二胺化合物如间苯二胺替代MOCA,国外拜耳公司的产品Baytec-1604以及国内广州赛诺公司的SN-4135都是MOCA替代品,但这些产品由于成本高或使用条件受限等因素,不易大面积推广[11]。

3.3 非重金属型催化剂

原来TDI-MOCA体系中常用的催化剂主要是有机酸的重金属衍生物,如辛酸铅、乙酸苯汞等,这类催化剂会造成重金属污染,损害人体健康。由于新国标中对可溶性重金属的限定,现在多采用有机铋、有机锌、有机锡或有机稀土复合催化剂替代传统催化剂[12]。

3.4 填充胶粒

聚氨酯塑胶跑道常用胶粒包括废橡胶胶粒、PU胶粒、乙丙橡胶 (EPDM)胶粒。使用废旧轮胎和废橡胶制品粉碎后的“黑颗粒”作跑道填充胶粒是行业惯例,2008年北京奥运会就曾使用废旧轮胎胶粒制成的赛道。但部分商家使用违规手段处理废旧轮胎,甚至掺杂其它化工废料和有害化学物质,导致跑道中多环芳烃和苯并芘含量超标,气味刺鼻。由于新国标中对多环芳烃和苯并芘的限定,现在行业内多采用EPDM合成橡胶颗粒替代废胶粒。巴斯夫等公司研制出E-TPU弹性体颗粒,并在上海铺设了全球首条E-TPU塑胶跑道[12]。国内有多家企业推出自结纹塑胶跑道,以防滑花纹层代替防滑胶粒,实现了跑道表面无颗粒。

3.5 无溶剂和增塑剂的聚氨酯胶料

有部分商家会在原料中添加劣质黑胶粒和无机填料以达到降低成本的目的,并曾使用苯、甲苯或二甲苯等有毒溶剂稀释聚氨酯胶液,这些溶剂是“毒跑道”的主要源头。新国标中对跑道面层的短链氯化石蜡和TVOC含量做了严格限定,聚氨酯胶料生产厂家必须限量添加无机填料,减少或弃用溶剂和增塑剂,无溶剂型和水性聚氨酯塑胶跑道将是未来的研究重点[12]。

4 塑胶跑道行业研究发展趋势

4.1 无溶剂聚氨酯塑胶跑道体系

无溶剂塑胶跑道面层采用的是MDI无溶剂聚氨酯与EPDM橡胶颗粒混合使用,中间层为MDI加强层,底层为MDI弹性层,同时改用蓖麻油替代短链氯化石蜡,有机铋替代重金属类催化剂[13]。

4.2 水性聚氨酯塑胶跑道体系

水性聚氨酯主要由聚氨酯/丙烯酸酯共混复合分散体、增稠剂、填料、颜料、助剂、水性固化剂等经一系列混合加工制成,综合了丙烯酸酯和聚氨酯的优点,又满足环保的要求,但其对施工条件要求较高,目前主要应用在透气型跑道及跑道面浆上[12]。

4.3 自结纹塑胶跑道

自结纹工艺是特种聚氨酯纯胶浆通过化学反应形成的聚氨酯共聚物,面层为喷涂后自然形成的无颗粒防滑层表面,在表结状态下自动生成凹凸均匀且防滑耐磨的纹理,它既有聚氨酯材料耐候耐老化的优点,又改善了传统聚氨酯跑道易脱粒的问题[14]。

4.4 预制型塑胶跑道

预制型塑胶跑道就是将成品塑胶卷材用聚氨酯胶黏剂粘接在跑道地基上。卷材由工厂统一制作,铺装简单,质量可靠性高,经济耐用性好，并能有效解决现场浇注面层在环保施工上的不足[12]。

4.5 纳米复合聚氨酯塑胶跑道

新国标对塑胶跑道物理化学性能提出了更高要求,使得纳米改性聚氨酯塑胶跑道重新受到关注。纳米改性的核心是在聚氨酯材料中引入层状纳米粒子,保证其均匀分散在基材中,利用纳米粒子结构的特殊性和小尺寸效应改善原材料性能。纳米复合聚氨酯不仅具有良好的综合力学性能,同时能大幅度提高聚氨酯的耐磨性、阻燃性和抗霉性，延长生命周期。2008年北京奥运会就曾使用高强度纳米复合聚氨酯塑胶跑道作为竞技赛道[15]。