聚氨酯在塑胶跑道中的研究分析

刘毅

摘 要：由于聚氨酯塑胶跑道在发展过程中出现异味、重金属含量超标等现象，针对聚氨酯塑胶跑道中出现异味、重金属含量超标现象进行有效解决的目的，采用配方的改良以及性能的提升的方法，并对聚氨酯塑胶跑道的扩链剂与结构性能的关系进行详细分析，通过耐候性试验以及扩链剂与结构性能的测试，得出聚氨酯在跑道中可以摆脱其毒性的劣势，并且可以应用于新国标之中，具有一定的环保性以及稳定性等特点的结论，具有一定的研究价值。

关键词：聚氨酯;塑胶跑道;扩链剂;耐候性

中图分类号：TU533;TU581 文献标识码：A 文章编号：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

隨着我国的经济迅速发展，我国的官方赛道正在不断升级，甚至将传统的煤渣制成的官方赛道替换成聚氨酯塑胶跑道，因其具有弹性好、耐磨、耐老化等优势被应用于比赛场地的铺地材料，不但如此，由于聚氨酯塑胶跑道是由液态聚氨酯胶固化后聚结而成，该构成原理促使聚氨酯塑胶跑道具有与地面紧密贴合的优势，可以保证一定的粘着性且维护费用极低，将其应用于大型比赛场地有利于运动员在任何环境下进行训练发生意外时，以最大限度的方式保证自身安全，通过聚氨酯塑胶跑道的大面积使用，我国政府渐渐发现聚氨酯塑胶跑道的广泛用途，因此，聚氨酯塑胶跑道得到了人们的广泛认可，正式宣布聚氨酯塑胶跑道可以替代传统的煤渣跑道，聚氨酯塑胶跑道的不断发展甚至可以应用于世界性田径比赛的标准跑道。经证实，于1968年在墨西哥经过当地的奥运会组委会的研究商讨，最终一致决定聚氨酯塑胶跑道可以作为官方赛道，此后的PU塑胶跑道得到了全世界的大力推广。但是，中国的聚氨酯塑胶跑道是通过专业人员不断研究改进而成的，通过大量技术的引进，终于我国第一条聚氨酯塑胶跑道于1979年成功研制，随着大量引用的同时，渐渐出现了多种问题，比如异味、重金属含量超标等现象接连出现，因此，配方的改良以及性能的提升成为亟待解决的技术难题。

1 聚氨酯塑胶跑道简述

聚氨酯的形成原理实际上是异氰酸酯与羟基化合物加聚反应生成含有氨基甲酸酯基团的大分子主链结构，而基于聚氨酯的塑胶主要通过浇注的方法进行实现，最终成为良好的聚氨酯弹性体，而聚氨酯塑胶的生成过程是采用混合、加工、摊铺浇注的方法将聚氨酯预聚体、扩链剂、催化剂、助剂、颜料以及填料进行一系列加工，因此具有稳定性强且粘着性好等优势最终形成聚氨酯塑胶跑道供运动赛道使用。因铺设场地的不同，可以将聚氨酯塑胶跑道分为两层结构，使其具有更加稳定的结构，而其结构分别是基础层以及胶面层，其中基础层的构成材料为无机材料，而胶面层使用的材料则为聚氨酯，依据不同类别可以分为聚氨酯胶面层结构、聚氨酯异构体类型，其中聚氨酯胶面层结构由全塑型、复合型、混合型以及颗粒型构成;而聚氨酯异构体类型由甲苯二异氰酸酯（TDI）和二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）构成。根据相关规定，于2018年11月1日起，新国标中明令规定禁止重金属等有害物质出现在塑胶跑道之中[1]。

2 聚氨酯塑胶跑道发展现状

2.1 TDI型聚氨酯塑胶跑道

TDI型聚氨酯塑胶跑道的形成中最主要的核心要素是甲苯二异氰酸酯和3，3-二氯-4，4-二氨基二苯甲烷，通过二者之间的相互配合最终形成完善的聚氨酯塑胶跑道，倘若在其制作过程中加入一定的辅助剂，通过工作人员去现场进行铺设，最终进行固化而形成的塑胶跑道，将具有工艺简单、成本较低等优势，因此，已经成为我国多数运动场地的首选之一。 TDI型聚氨酯塑胶跑道具有多种优势的同时，也带来不小的影响。根据相关实验数据表明， TDI型聚氨酯塑胶跑道具有毒性作用，在常温状态下即可进行挥发，经专业人员进行鉴定，其毒性可达到二级，除此之外，TDI可以通过—NCO基团的促进从而残留至聚氨酯预聚体中，并挥发至空气中引发人体器官出现损害。不但如此，MOCA扩链剂以及聚氨酯催化剂皆成为危害人体健康的重要因素，而聚氨酯塑胶跑道中还会添加甲醛、苯等有害助剂，成为不容忽视的因素[2]。

2.2 MDI型聚氨酯塑胶跑道

通过对TDI型聚氨酯塑胶跑道的研究可以发现，该类型的聚氨酯塑胶跑道具有较强的毒性，可以对人们的健康构成一定的危害，因此，应明令禁止该类型的聚氨酯塑胶跑道出现在人类生活中，通过不断的研究，最终发现MDI型聚氨酯塑胶跑道可以利用自身优势取代TDI型聚氨酯塑胶跑道，相对于TDI型聚氨酯塑胶跑道的巨大毒性，MDI型的聚氨酯塑胶跑道危害较小，其形成方法主要采用非MOCA扩链剂，并通过低重金属盐催化剂，最终形成聚氨酯，为将MDI型聚氨酯塑胶跑道的危害性降至最低，将对MDI、MOCA扩链剂以及催化剂进行改性，其中MDI改性主要通过将分子结构对称性4，4-MDI以及分子结构不对称的2，4-MDI以1：1比例进行充分混合，并在其中加入标准计量的催化剂和20%的橡胶颗粒，最终得到碳化二亚胺改性MDI，具有一定的稳定性以及环保性，除此之外，还可以不受气候条件影响。而针对扩链剂改性将以环保作为主要目標，在20世纪80年代，通过二甲留基甲苯二胺作为MOCA扩链剂的替代物，具有一定的优势。针对催化剂改性可以通过FAE-1或者二甲基催化剂提供聚氨酯塑胶跑道的稳定性[3]。

3 聚氨酯塑胶跑道的扩链剂与结构性能的关系

3.1 扩链剂对结构性能的影响

通过相关试验表明聚氨酯塑胶跑道中的扩链剂对于跑道的结构具有一定的影响，因此，本文将采用MOCA（4，4-甲撑双邻氯苯胺）以及二醇为扩链剂制成1#和2#两种试样。在聚氨酯塑胶跑道的形成过程中预聚体与扩链剂会产生强烈反应，最终生成大分子链，其反应过程如下所示：

最终生成可以取代氨基甲酸酯结构直链聚合物。

而将二胺作为扩链剂时的反应过程如下所示：

最终生成可以取代脲结构的直链聚合物。

通过一系列的反应可以证明扩链剂的选择对于弹性体的结构性能具有一定的影响，除此之外，扩链剂的使用可以在弹性体内部形成大量脲键，对于提高聚氨酯塑胶跑道的物理性能具有重要作用，不同扩链剂对物理性能的影响如表1所示[4]。

3.2 耐候性试验

针对耐候性试验主要通过大气老化以及人工气候老化试验进行实现，其中大气老化需要一定的曝露条件，对于试验地点应选择空旷位置，避免外界干扰因素的产生，并以23°纬度角作为曝露角度，根据实验分析最终得出的试验结果为：试验1#比试验2#的老化性能好，无论从性能角度还是配方对比量皆证明试验1#比试验2#的优势要更强一些，而性能的数据将通过图表的形式进行展现，大气老化时间对物理性能的影响如表2所示。而人工气候老化的试验条件为：将试验1#比试验2#暴露于6kW水冷式的氙灯之下，将其作为该试验的光源，在实验过程中需要将试验箱的温度定为4±52℃，相对湿度为6±55℃，降雨周期为12分/60分，通过该试验可以确定最终结果为MOCA作为扩链剂的聚氨酯塑胶跑道耐候性更强，光照时间对物理性能变化的影响如表3所示。通过最终试验可以表明随着技术的不断发展，聚氨酯塑胶跑道仍具有一定的危害性应小心使用[5]。

4 聚氨酯塑胶跑道发展趋势

随着天然灾害的不断发生表明在灾难面前，人类显得极其渺小，长时间的工业污染、污染气体随意排放、水污染、生活垃圾污染以及大气等污染造成冰川融化、动物流离失所、人类因长时间呼入大量危害气体造成不良反应，该现象的不断发生都在提示着人类应当积极响应环保活动，从自身做起，而随着环保要求的日益加强为聚氨酯塑胶跑道提供了有力基础，通过聚氨酯塑胶跑道的不断发展以及其自身的优势皆表明，聚氨酯塑胶跑道将成为未来发展的新趋势[6]。

4.1 纳米改性聚氨酯

纳米改性实际上指的是在聚氨酯的形成过程中加入纳米材料，并通过原位聚合法制备的纳米改性聚氨酯，通过纳米改性聚氨酯可以最大限度的提升聚氨酯塑胶跑道的使用周期，为其增添一定的耐磨性。纳米改性聚氨酯的核心的在聚氨酯材料中加入 蒙脱土（MMT）和纳米二氧化硅（SiO2）等纳米粒子，在引入过程中应注意 蒙脱土（MMT）和纳米二氧化硅（SiO2）的分散程度，均匀的分散有利于发挥自身的最大优势，蒙脱土（MMT）、纳米二氧化硅（SiO2）改性聚氨酯弹性体塑胶跑道性能指标如表4所示，从表中可以看出，通过纳米改性后的聚氨酯具有一定的阻燃性、耐磨性等优势[7]。

4.2 晶须补强聚氨酯

晶须主要以立体的形式呈现，最终由四针状结构的纤维状单晶体展现，而晶须补强聚氨酯的形成过程最主要的核心物质为晶须材料与聚醚多元醇，通过将二者进行复合作用，将复合作用后形成的物质经过异氰酸酯组分反应最终形成聚氨酯弹性体，晶须补强聚氨酯具有补强、增韧等作用。晶须补强聚氨酯的改性主要通过偶联剂对钛酸钾晶须进行改性，改性过程中应保证晶须材料的充分分散，并通过与甲苯二异氰酸酯、聚醚多元醇等原料形成复合性材料，具有一定的拉伸性[8]。

4.3 塑胶跑道回收处置

根据相关新闻报道，各地方出现“毒跑道”现象，因此，相关政府以及教育部门针对该现象成立了治理小组，对“毒跑道”现象进行处理，对于回收后的塑胶跑道如何处理仍然处于待解决问题[9]。

4.4 施工工艺设计

为保证聚氨酯塑胶跑道的全面发展，将采取施工工艺设计对其进行加急处理，施工工艺设计会对聚氨酯塑胶跑道的原材料进行严格审核，在保证产品质量的同时，通过可靠的工程设计以及施工工艺方法对聚氨酯塑胶跑道进行全方位把控，坚决杜绝“小工厂”、“黑作坊”产生，除此之外，为保证聚氨酯塑胶跑道行业的良性发展，将通过技术过硬的专业人员进行质量监督，促进该事业的全面发展[10]。

5 新型塑胶跑道体系的开发与应用

5.1 水性树脂塑胶跑道体系的应用

水性树脂塑胶跑道体系通过将脂环族二异氰酸酯作为聚氨酯塑胶跑道的原材料，将聚氨酯改性聚丙烯酸纸乳胶作为聚氨酯塑胶跑道的基础，在其中加入适当的辅助剂，通过适当的宣传，具有良好的群众反响，可以达到环保的目的，但是存在成型差、易受外界因素影响等劣势。

5.2 微发泡单组分或聚氨酯脲体系的应用

随着聚氨酯塑胶跑道的不断完善，最终形成新型聚氨酯塑胶跑道，但是，随着新型聚氨酯塑胶跑道的出现，对于相关有机溶剂使用规格要求十分严格，造成体系黏度不断上升，因此，新型聚氨酯塑胶跑道的配方材料中的无机填料的使用量不断减少，随之造成的问题是成本大幅度上升，对于该现象相关业内人员正在不断研发新产品，替代新型聚氨酯塑胶跑道的制造，微发泡单组分的聚氨酯跑道随之产生，主要通过单组分的聚氨酯进行湿固化作用，或者通过聚氨酯脲体系的双组分进行发泡，从而获得密度较小的微孔弹性体，微发泡单组分或聚氨酯脲体系的应用可以减小聚氨酯塑胶跑道的体积，从而实现控制成本的目的。通过研究表明，目前的微发泡单组分或聚氨酯脲体系仍存在施工工艺的问题，需要不断完善，从而得到耐用的聚氨酯塑胶跑道。

5.3 发泡热塑性弹性体的应用

发泡热塑性弹性体的应用的核心思路主要通过不断增加产品的弹性以及强度为基础，在此基础上，不断减少相应的比重以及体积，从而达到控制成本的目的，发泡热塑性弹性体可以通过聚乙烯等弹性体颗粒替代EPDM橡胶颗粒，将弹性体颗粒充分且均匀的散发至塑胶跑道的制造过程中，可以发挥其优势，实现塑胶跑道的制作，但是，发泡热塑性弹性体在施工工艺上仍存在多种问题，有待进一步完善，比如发泡热塑性弹性体的细微颗粒因密度低而造成上浮现象、高温易变形等问题。

6 结语

随着我国经济的不断发展，人们的生活渐渐走向小康生活，促使消费水平的提高，人们从最开始的吃饱穿暖即可满足对生活的需求，到如今的享受生活，但是，人类的健康正在出现危机，因此，全民运动随之产生，人们将时间花费在运动方面，对于塑胶跑道的关注度渐渐加强，聚氨酯塑胶跑道随之出现，但是，通过相关研究证明，聚氨酯塑胶跑道具有一定的揮发性，且挥发出的气体具有一定的毒性，随着新技术的不断完善，推动聚氨酯塑胶跑道向着安全、环保、高性能的方向全面发展，具有重要意义。

参考文献

[1]侯芳，刘涛.环保型单组分聚氨酯塑胶跑道胶水的研制及制品的力学性能[J].化学推进剂与高分子材料，2019（05）：67-69.

[2]施京京.提供一把严格的“新标尺” 《中小学合成材料面层运动场地》国家标准解读[J].中国质量技术监督，2019（02）：10-11.

[3]罗永超.一种透气排水自结纹复合塑胶跑道研究[J].居舍，2017（24）：141-142.

[4]王新灵，渠海，孙德梅，等.纳米改性塑胶跑道研究[J].塑料工业，2016（04）：39-42.

[5]李谭芳，张倩楠.塑胶跑道存在的问题及对策[J].内蒙古石油化工，2017（09）：56-57.

[6]徐岩.塑胶跑道，如何脱下“毒”帽子？[J].中国石油和化工，2016（07）：9-11.

[7]铉令强.学校体育运动使用塑胶场地引发的思考——评《塑胶面层运动场地建设与保养指南》[J].塑料工业，2019（08）：164-165.

[8]刘干，郑伟涛.合成材料面层运动场地标准的发展和质量管控[J].中小学实验与装备，2018（06）：4-5.

[9]许银玉.塑胶跑道中有害物质的检测[J].中国标准化，2018（14）：184-185.

[10]周润声.塑胶跑道及其有害物质的调查与思考[J].山东化工，2017（24）：192-194.