运动跑道用聚氨酯塑胶的耐候性研究

刘鹏力

（西安欧亚学院通识教育学院体育课程中心，陕西西安710065）

整体弹性良好、耐磨度较高的聚氨酯橡胶［1］常用于制作运动跑道，因为运动跑道占地面积较大，且安装复杂，若材料出现疲劳、腐蚀、老化等现象，轻则导致经济损失、体验感较差，重则将对健身、运动人员造成身体伤害，故聚氨酯塑胶有助于整个运动跑道的建设与完善跑道综合性能，为开展跑步运动、比赛活动以及专业体育训练提供了重要帮助，因此，对其耐候性与抗压性展开研究具有重要的现实意义。

聚氨酯塑胶也叫液体塑胶，凭借性能优势在胶带、防震橡胶等生产、加工中，得到了广泛的应用，根据理想的耐磨性，在体育运动场地铺设中使用了大量聚氨酯塑胶，使其成为现代田径运动跑道建设的主要素材。聚氨酯塑胶的成分是聚酯［2］或聚醚［3］与二异氰酸酯类化合物，其高弹性主要由分子主链里的氢键作用力产生［4］。

本文以聚氨酯塑胶为研究目标，探索其耐候性。分析聚氨酯塑胶跑道的耐黄变性能与撕裂强度、永久变形程度、抗张强度以及伸长程度等物理机械性能；分析聚氨酯塑胶抗压性，以提升屈服应力，降低硬化点应变率。

1 研究方法

为研究聚氨酯塑胶运动跑道耐候性，选取某工厂生产的聚氨酯试片，放在户外透明玻璃罩中的暴露台上，为保证试片在阳光下暴露完全，防止风雨因素影响，令台面呈45℃仰角，根据暴晒试片与参考试片的反差，对比灰色色标样卡，记录试片变色情况。为增强聚氨酯塑胶跑道的耐候性，以基于紫外光吸收剂与抗氧剂的稳定剂作为添加材料，研究聚氨酯的耐黄变性能［5］与物理机械性能［6］。

2 聚氨酯塑胶耐候性老化分析

2.1 耐黄变性能探析

将紫外光吸收剂与抗氧剂加入聚氨酯塑胶配方，制备出相应的10 个聚氨酯试片，将试片暴露在阳光下，通过记录不同紫外光吸收剂与抗氧剂量下试片的黄变情况，图1 为试片紫外光老化阶段的黄变程度。

图1 不同稳定剂添加量的聚氨酯试片黄变示意图Fig. 1 Yellowing diagram of polyurethane test pieces with different stabilizer contents

图1 中，试片编号为1、2、3、4、5、6 属于单一型稳定剂：1 号试片不添加稳定剂，2 号试片添加1.2%UV-531，3 号试片添加1.2%UV-P，4 号试片添加1.2%UV-9，5 号试片添加1.2% 264 型号抗氧剂，6 号试片添加1.2%UV-531、1.2%UV-P 与1.2%UV-9 混合物；试片编号为7、8、9、10 属于混合型稳定剂：7 号试片添加1.2%264 型号抗氧剂与1.2%UV-P 混合物，8 号试片添加1.2%264 型号抗氧剂与1.2%UV-9 混合物，9 号试片添加1.2%264 型号抗氧剂与1.2%UV-531 混合物，10 号试片添加1.2% 264 型号抗氧剂、1.2%UV-531、1.2%UV-P 与1.2%UV-9 混合物。

从图1 可知，抗氧剂与所有紫外光吸收剂的混合添加形式具有最理想的黄变抑制性能，其次为抗氧剂与单一紫外光吸收剂的混合添加剂；黄变程度最大的是未添加稳定剂的试片，其次为只添加单一的抗氧剂或者紫外光吸收剂。综上所述，在聚氨酯塑胶产品中添加适量的混合稳定剂，能够抑制链断裂自由基［7］的生成，防止多元醇组分内形成过氧化物，通过吸收高能量紫外光与能量转化，释放无害的低辐射能，阻断了物理或光化学降解，避免黄变发生［8］。

2.2 物理机械性能分析

日光照射除了使聚氨酯塑胶产品发生黄变，还会对其物理机械性能造成较大损失［9］，因此研究稳定剂能否有效维持聚氨酯塑胶制品的物理机械性能。对不同稳定剂添加情况下的十个试片进行强日光照射，试片物理机械性能在照射前后的情况见表1。根据表1 中数据可知，性能损失程度最高的是未添加稳定剂的1 号试片，其次为添加单一紫外光吸收剂或抗氧剂的试片；抗氧剂与所有紫外光吸收剂的混合添加剂性能损失程度最小，其次为抗氧剂与单一紫外光吸收剂的混合添加剂。究其原因是作为自由基清除剂的抗氧剂抑制了自由基降解，而紫外光吸收剂通过能量转变，释放热能。

表1 照射前后各试片物理机械性能比较Table 1 Comparison of physical and mechanical properties of each specimen before and after irradiation

3 聚氨酯塑胶抗压性分析

（1）表观密度对屈服应力影响：聚氨酯塑胶试件表观密度对屈服应力的影响示意图如图2 所示。

图2 表观密度对屈服应力影响Fig. 2 Effect of apparent density on yield stress

从图2 中可知，试件表观密度越大，屈服应力越大。

（2）基于50% 应变率的表观密度对屈服应力影响程度：聚氨酯塑胶试件50% 应变率的表观密度与屈服应力关系曲线如图3 所示。

图3 50% 应变率下表观密度对屈服应力影响度示意图Fig. 3 Influence of apparent density on yield stress at 50%strain rate

通过图3 可以看出，当应变率为50% 时，试件表观密度越大，应力越大。

（3）表观密度对硬化点应变影响：聚氨酯塑胶试件表观密度与硬化点应变之间的曲线走势如图4 所示。

图4 表观密度对硬化点应变影响示意图Fig. 4 Schematic diagram of influence of apparent density on strain at hardening point

由图4 可知，试件表观密度越大，其硬化点应变越小。

4 结语

本文以聚氨酯塑胶的耐候性为研究方向，探索性能的对应强化方法。该项研究使聚氨酯塑胶跑道的物理机械性能具有较好的保持率，提升了对光的稳定性能，不同密度的聚氨酯塑胶可应用于各种领域，扩展了发展前景。在后续工作中应继续对以下几个方面展开进一步研究：应探究聚氨酯塑胶的耐磨性，完善运动跑道应用作用；运动跑道的主要作用之一就是拥有较好的缓冲减震性能，今后应将一般温度条件下的聚氨酯塑胶减震作为研究目标，达到最大限度缓冲减震的目的。