基于偶联剂改性钛酸钾晶须的聚氨酯田径跑道面层复合材料研究

赵 阳

(陕西国际商贸学院,陕西西安712046)

现阶段，田径场地铺设工作中常使用的是聚氨酯跑道铺面材料，其兼具防滑、弹性优良、稳定性好等多重特点，因此是田径场地工程中较为可行的应用材料。

钛酸钾晶须(PTW)具有规则的外形，长径比相对较高，部分情况下可达到1000，由于该材料具备较好的半导体导电性，因此是改善复合材料性能的重要掺入剂，可起到补强、提升抗静电改性等多重效果。本文则将PTW作为补强增韧剂，对该材料采取表面改性处理措施，聚合物基体选择普通聚氨酯铺面材料，分析制得的聚氨酯田径跑道面层材料的性能。

1 实验部分

1.1 主要原料

甲苯二异氰酸酯(TDI)，试剂级；聚醚多元醇3050(Mn=3000，f=3)，工业级；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯甲烷(MOCA)，工业级；氧化铁红，工业级;白炭黑，工业级；滑石粉，工业级；氯化石蜡，工业级；二月桂酸二丁基锡，分析纯；无水乙醇，分析纯；硅烷偶联剂(KH550)、钛酸酯偶联剂(NDZ-201)，工业级；硬脂酸，分析纯；六钛酸钾晶须(TP-W-P1，L/D=5)。

1.2 材料制备

1.2.1 晶须表面改性

选取适量的偶联剂，转移至100g无水乙醇中实现溶解，精确称量10g的TP-W-P1，将其添加后再超声分散处理1h。此后，将其转移至离心分离机中，设备维持2000r/min的转速状态，进行30min的分离处理，将上部清液去除，使用无水乙醇多次清洗（根据实际情况确定，通常为3次），转移至自然环境下使其晾干，再使用80℃恒温烘箱持续处理2h，最终得到改性PTW。

1.2.2 甲组分制备

选择三口烧瓶（内部设置搅拌器、控温仪和真空接口），将称量好的聚醚多元醇掺入，在100℃～120℃的温度环境中不断的抽真空脱水，约1h～2h后检测水的质量分数，水分控制在0.05%内并且温度下降至80℃时，即可掺入适量的TDI，适当降低反应温度，使其在(80±2)℃的环境中保持1.5h～2h，经充分反应并且无气泡产生时，可获得甲组分。

1.2.3 乙组分制备

按表1配方，将各原材料充分混合，倒入三辊研磨机处理，若细度≤50μm并且不再产生气泡时即可，最终得到乙组分。

表1 乙组分基本配方Table 1 Basic formula of component B

1.2.4 样片制作与性能测试

R值设定为1.2，选取上述制得的甲、乙组分，经过充分混合后再抽真空处理，满足不产生气泡的条件时则倒入模具内（要求在试验前涂上脱模剂），在常温常压环境下固化，产生的试样静置14d，此后进行性能测试，检验材料在拉伸强度、扯断伸长率及老化后拉伸强度的具体情况。

2 结果分析

2.1 各类偶联剂对聚氨酯铺面材料性能的影响

PTW的尺寸偏小，同时具有较高的表面活性，在树脂基体中表现为难分散的特点，为提升其性能，较为可行的是对表面进行处理，材料以偶联剂为主。本次试验中，选择的是硅烷偶联剂(KH-550)、硬脂酸和钛酸酯偶联剂(NDZ-201)，各类原料的用量保持一致，均为PTW的3%，分析各材料所带来的应用效果，具体见表2。

表2 偶联剂种类对 PTW 增强聚氨酯性能的影响Table 2 The effect of type of coupling agent to PTW reinforced polyurethane

根据表2可知，使用PTW后，在其作用下聚氨酯铺面材料表现出力学性能提升的特点，若使用偶联剂表面处理的PTW，实际效果更为显著，主要原因在于偶联剂能够良好的裹覆PTW，发挥出桥梁的作用，可连接PTW与聚氨酯基体，荷载可有效传递至PTW，此过程中存在范德华力与化学键，通过此方式可在PTW与聚氨酯基体间构成界面，该处的强度也较为良好[1]。在该界面区域的作用下，可发挥出传导作用，将聚氨酯所承受的荷载完整传至PTW，最终达到提升铺面材料强度的效果。三种材料用于表面处理后，通过对复合材料的性能试验得知，各自在扯断伸长率上大体相同，但拉伸强度则发生较大的变化，以KH-550最为良好，排在末位的是硬脂酸。经过一系列后期试验后，最终确定表面改性剂的类型，即KH-550。

2.2 晶须含量对聚氨酯铺面材料性能的影响

以PTW质量为准，使用的KH-550用量为该值的3%，实现对PTW表面的改性处理。此后，将获得的PTW以多种配比分别置于聚氨酯体系内，由此分析PTW增强聚氨酯铺面材料的性能，根据所得结果绘制图形，具体如图1所示。

图1 改性PTW不同比例对聚氨酯铺面材料力学性能的影响Fig.1 Effect of different proportion of modified PTW on mechanical properties of polyurethane pavement

根据图1可知，由于掺入了改性PTW，大幅改善了聚氨酯铺面材料性能，使其具备较强的拉伸强度与扯断伸长率。不同掺入比例的影响结果有所不同，改性PTW的质量分数为2.5%时，处理所得的复合材料具备最为优良的力学性能，由未采取任何改进措施时的0.9MPa大幅提升至2.9MPa，并且也改变了扯断伸长率，由原本的107%上升至340%；若PTW质量分数超过2.5%，则会出现力学性能不断下降的情况。随PTW用量不断增加复合材料的力学性能变化趋势为先增后降，这一现象的出现主要与PTW阻碍裂纹扩展等因素有关。若PTW质量分数在2.5%以内，则有效避免裂纹扩展，并且改性PTW与聚氨酯基体间将产生界面效应，在其作用下可改善荷载传递不良的问题，聚氨酯获得荷载后，则会有效地传递至改性PTW，由于该材料的强度性能更为优良，因此复合材料在力学性能方面得到较明显的改善[2]。若改性PTW质量分数提升至2.5%以上的水平，因应力集中的存在将表现出极为明显的破坏效应，致使PTW的分散效果下降，在聚氨酯基体中出现分布不均的情况，不利于改性PTW与聚氨酯基体的接触，伴随较明显的团聚现象，在此影响下将引发复合材料内部缺陷问题，整体力学性能不良。

2.3 复合材料耐久性能

上文主要围绕改性PTW增强PU展开分析，为探讨该材料与普通聚氨酯跑道面层材料（即普通PU）在力学性能指标上的差异，此处以照射持续时间为变量，对比两类材料在拉伸强度与扯断伸长率两项指标上的实际情况，结果见表3。

表3 不同照射时间对 PU跑道面层复合材料性能的影响Table 3 Effect of different irradiation time on properties of polyurethane runway surface composite

由表3可知，因照射时间的增加，两种复合材料均表现出一定程度的性能下降现象，不同于普通PU的是，改性PTW增强PU虽然性能有所下降，但幅度偏小[3]。从导致这一现象的成因来看，与紫外线照射有关，在其作用下将使得聚氨酯分子断链，随之表现出性能下降的现象，而使用改性PTW后，不仅可以减缓紫外线照射强度，由于晶须的存在还具有补强的效果，可避免性能大幅度下降。

2.4 复合层材料性能评价

综合对比两类复合材料，具体的性能情况以及检验标准和要求见表4。

由表4可知，不同于普通PU材料的是，改性PTW增强PU材料的综合性能更为优良，其中拉伸强度由1.0MPa大幅提升至2.9MPa，并具有较好的扯断伸长率，即由原本的126%提升至340%，两项力学性能指标都远超现阶段田径场地的相关规定要求。

表4 改性 PTW 增强聚氨酯与普通聚氨酯性能对比Table 4 performance comparison between modified PTW reinforced polyurethane and ordinary polyurethane

3 结语

(1)PTW若未经过表面处理，将其用于聚氨酯材料中对性能提升不大。通过偶联剂改性PTW，复合材料力学性能大幅提升，以KH-550的应用效果最为良好，NDZ-201次之，排于末位的是硬脂酸。若使用KH-550，此时改性PTW质量分数应控制在2.5%水平，复合材料的性能最为良好，无论拉伸强度还是扯断伸长率都与行业要求相符。

(2)通过耐久性能试验得知，因照射时间的延长，受紫外线的影响将出现复合材料性能下降的现象，但掺入晶须的材料下降幅度相对更小。