塑胶跑道用聚氨酯粉末胶粘剂的配比优化及性能研究

倪德财 闫鹏旗

摘 要：针对传统体育塑胶跑道用胶粘剂易挥发，造成环境污染的问题，提出一种环保型聚氨酯粉末胶粘剂的制备。对聚氨酯粉末胶粘剂的配比进行优化，并对其性能进行研究。结果表明，预聚体软段和硬段质量比为3.0∶1，—NCO 基团与—OH 基团的摩尔比（R值）为1.17，分散液为纳米级聚氟化乙烯丙烯分散液，通过三乙醇胺进行中和后，制备的聚氨酯粉末胶粘剂性能最佳，此时聚氨酯粉末胶粘剂施胶温度为85 ℃，初期剥离强度为70.4 N/cm，后期剥离强度为124 N/cm，拉伸强度为7.2 MPa，撕裂强度为11.8 MPa，伸长率为110%，硬度为50 HA，回弹率为38%，各项指标均满足GB 36246—2018 标准要求，可以在体育塑胶跑道发挥作用。

关键词：塑胶跑道；聚氨酯粉末；环保胶粘剂；预聚体配比；优化

中图分类号：TQ433.4+32

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0019-04

Optimization of the ratio and performance study of polyurethane powder adhesive for plastic track

NI Decai  ，YAN Pengqi

（Shanxi Fashion Engineering College，Xian，712406，China）

Abstract：In response to the problem of environmental pollution caused by the volatile solvent of traditional sports plastic track adhesives，a preparation of environmentally friendly polyurethane powder adhesive is proposed.The experiment first optimized the ratio of polyurethane powder adhesive，and then studied its performance.The experimental results showed that the mass ratio of soft and hard segments of the prepolymer was 3.0∶1，the molar ratio （R value） of —NCO group to —OH group was 1.17，and the dispersion was a nanoscale polyfluoroethylene propylene dispersion.After neutralization with triethylamine，the polyurethane powder adhesive prepared had the best performance.At this time，the application temperature of the polyurethane powder adhesive was 85 ℃，the initial peel strength was 70.4 N/cm，the later peel strength was 124 N/cm，and the tensile strength was 7.2 MPa，The tear strength is 11.8 MPa，the elongation is 110%，the Shore A hardness is 50，and the rebound rate is 38%.All indicators meet the requirements of GB 36246—2018 standard and can play a role in sports plastic tracks.

Key words：plastic runway；polyurethane powder；environmentally friendly adhesive；prepolymer ratio；optimization

傳统体育塑胶跑道胶粘剂多为溶剂型胶粘剂，在使用的过程中易挥发，造成环境污染，给使用者的健康带来不良影响。开发一种环保型体育塑胶跑道用胶粘剂对提升塑胶的跑道的安全性有重要意义。对此，部分学者也进行了很多研究，如制备了环保型塑胶跑道用胶粘剂，并对胶粘剂的粘接性能进行研究［1］。对彩色防滑路面中环氧树脂胶的应用进行了研究［2］。制备了一种无溶剂型双组分环氧封端聚氨酯胶粘剂，并对其力学性能进行研究［3］。制备了一种改性的性能稳定的聚氨酯胶粘剂［4］。以上学者的研究为塑胶跑道胶粘剂性能的优化提供了一些参考。基于此，试验以文献［5］方法为参考，制备了一种环保型聚氨酯粉末胶粘剂，为体育塑胶跑道用的胶粘剂的发展提供参考。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：聚醚多元醇，AR，兀仪新材料；二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI），AR，吉鑫益邦生物科技；1，4-丁二醇（BDO），AR，文成化工；二月桂酸二丁基锡（DBTDL），AR，吉业升化工；丙酮，AR，玖丰隆化工；二甲基甲酰胺，AR，千祥化工；甲基吡咯烷酮，AR，宙合化工；三乙醇胺，AR，金晟新材料。

主要设备：XL-KH50型拉力试验机（禧隆设备）；YG-PUR型 PUR 热熔胶复合机（宏远轻化设备）；SC-TGA1150型热重分析仪（三创设备）；HM-3020型红外光谱仪（恒美电子科技）；LX-D-2型邵氏硬度计（高鑫仪器）。

1.2 试验方法

1.2.1 聚氨酯预聚体的制备

（1）将聚醚多元醇放入真空干燥箱中进行真空脱水处理，脱水温度和时间分别为120 ℃和60 min;

（2）加入计量MDI和催化剂DBTDL，60 ℃初聚合1 h;

（3）加入扩链剂BDO和适量丙酮继续搅拌反应1 h;

（4）反应结束后，放入二甲基甲酰胺的甲基吡咯烷酮溶液（质量比1∶1），将温度降至40 ℃后，放入计量三乙醇胺中和反应，反应时间为4 h，得到聚氨酯预聚体。

1.2.2 聚氨酯粉末胶粘剂的制备

（1）将聚氨酯预聚体置于15 ℃环境，加入分散液进行搅拌熟化，搅拌转速和时间分别为8 000 r/min和60 min;

（2）减压过滤后，将过滤产物放入电热烘箱内进行干燥处理，干燥温度为35 ℃，得到白色聚氨酯粉末胶粘剂。

1.3 性能测试

1.3.1 剥离强度测试

参照GB/T 532—2008 标准，通过XL-KH50型拉力试验机对材料剥离强度进行测试［6-7］。

（1）提前对橡胶进行表面处理，然后在经过处理的橡胶表面均匀铺上聚氨酯粉末胶粘剂，在压力为2 MPa的压力作用下进行热熔处理，热熔时间为10 s；

（2） 将铺有胶粘剂的橡胶置于室温条件下放置，放置时间为25 min，通过拉力试验机对胶粘剂的初期剥离强度进行测试，拉力机作用速率为100 mm/min；

（3）将铺有胶粘剂的橡胶置于室温条件见放置24 h，对其后期剥离强度进行测试。

1.3.2 施胶温度测试

将聚氨酯粉末胶粘剂均匀铺设在经过处理的橡胶上，然后置于YG-PUR型 PUR 热熔胶复合机上，根据粉末胶的熔化情况确定施胶温度。

1.3.3 热稳定性测试

按照50 mL/min的速率将氮气通入SC-TGA1150型热重分析仪中，使得整个反应在氮气气氛条件下进行。按照10 ℃/min的升温速率将温度从30 ℃提升至800 ℃，通过样品质量变化对材料热稳定性进行研究。

1.3.4 红外光谱测试

通过红外光谱仪对粉末胶粘剂官能团进行测试。

1.3.5 其他性能测试

将粉末胶粘剂与催化剂熔融混合后固化，在常温阴凉处放置，时间为14 d，然后对胶粘剂其他性能进行测试。

拉伸強度、撕裂强度、回弹率伸长率：通过拉力试验机进行［8-9］。

硬度：通过邵氏硬度计进行测试［10-11］。

2 结果与讨论

2.1 预聚体软硬段质量比优化

在聚氨酯预聚体中，软段为聚醚多元醇，硬段为MDI、DBTDL和BDO。通过固定硬段用量，改变软段用量，进而对软硬段比例进行调节，观察软硬段质量比对预聚体造粒的影响，结果见表1。由表1可知，当软硬段质量比过大时，聚氨酯预聚体自身具备较大的黏度，亲水扩链反应无法均匀进行，预聚体无法正常分散［12-13］。随预聚体软硬段质量比的降低，预聚体的分散效果得到明显的优化。当预聚体软段和硬段质量比降低至3.0∶1时，预聚体表现出较好的分散性，粒径范围为100～180目。继续降低预聚体质量比至2.1∶1时，预聚体中硬段含量过多，—NCO基团剩余含量过多，增加了造粒过程中的极性键，使得预聚体储存稳定性变差［14］。综上，选择适合的预聚体软硬段质量比为3.0∶1。

2.2 胶粘剂配比优化

2.2.1 R值优化

R值为—NCO 基团与—OH 基团的摩尔比，其对胶粘剂性能的影响见表2。

由表2可知，R值越大，胶粘剂的施胶温度越高，当R值达到1.50时，胶粘剂的施胶温度已经超过了150 ℃，在实际应用过程中，无法达到施胶条件，因此不再进行下一步测试。同时还能从表2中观察到， 随R值的增加，胶粘剂的剥离初期剥离强度和后期剥离强度均有一定上升。所有R值条件下制备的胶粘剂强度均满足市场对跑道用胶粘剂初期剥离强度超过30 N/cm，后期剥离强度超过40 N/cm的要求。由于R值越高，施胶温度也越高，对施胶的要求也越高，综合胶粘剂的施胶温度和剥离强度，选择适合的R值为1.17，此时施胶温度为85 ℃，初期剥离强度为70.4 N/cm，后期剥离强度为124 N/cm。

2.2.2 分散液种类优化

试验共选择4种分散液，观察分散液对聚氨酯胶粘剂形态和成粒过程的影响，结果见表3。

由表3可知，以液体石蜡作为分散液时，预聚体只有较少的颗粒出现。而以水作为分散液时，聚氨酯预聚体出现溶胀发白的情况，在一般条件下不形成颗粒。二者间出现明显的相分离，必须通过低温高速切割才能形成颗粒。以正丁醇作为分散液时，聚氨酯预聚体出现大量的颗粒，但颗粒的柔软度较高，使其互相粘结，对其分散性能产生影响［17］。而选择纳米级聚氟化乙烯丙烯分散液（FEP）时，聚氨酯预聚体产生大量的白色细颗粒，且颗粒间不互相粘结，表现出良好的分散效果，在经过熟化处理后变硬，经过过滤烘干处理后，得到聚氨酯粉末胶粘剂。

2.2.3 中和处理的影响

表4为中和处理对胶粘剂的影响。

由表4可知，经过中和处理后的聚氨酯胶粘剂施胶温度明显降低，剥离强度明显增加，热稳定性也得到了明显提升。出现以上变化的主要原因为预聚体经过三乙醇胺中和后，促进了分散液中的活性基团与—COO-的作用，使—COO-被封闭，施胶温度降低。在熔融施胶的过程中，被封闭的—COO-更易与基材发生作用，因此剥离强度得到明显增加［18-19］。同时，三乙醇胺在体系内可以发挥成盐剂的作用，对预聚体在分散液中参与下一步聚合反应有积极的作用，增强了聚氨酯胶粘剂的热稳定性［20］。

2.3 红外光谱分析

以聚氨酯预聚体为对比，对聚氨酯粉末胶粘剂特征峰变化进行表征，结果见图1。

由图1可知，2种材料的红外曲线变化基本一致。对比聚氨酯预聚体红外曲线和聚氨酯粉末胶粘剂红外曲线，胶粘剂红外曲线在2 280～2 260 cm-1处出现—NCO振动引起的细微波动。这说明在分散制粉时，残余的—NCO 基團发生了进一步聚合，完全参与了反应。

2.4 其他基础性能测试

由于本试验制备的聚氨酯粉末胶粘剂主要用于体育塑胶跑道，因此对其基础性能也有一定的要求。参照GB 36246—2018 标准对胶粘剂基础性能进行表征，结果见表5。

由表5可知，聚氨酯粉末胶粘剂拉伸强度为7.2 MPa，撕裂强度为11.8 MPa，断裂伸长率为110%，硬度为50 HA，回弹率为38%，各项指标均满足GB 36246—2018 标准要求，可以在体育塑胶跑道发挥作用。

3 结语

（1）预聚体软段和硬段质量比为3.0∶1时，预聚体表现出良好的分散性;

（2）当R值为1.17时，制备的聚氨酯粉末胶粘剂施胶温度为85 ℃，初期剥离强度为70.4 N/cm，后期剥离强度为124 N/cm，满足体育塑胶跑道剥离强度30～40 N/cm的要求;

（3）选择纳米级聚氟化乙烯丙烯分散液时，聚氨酯预聚体产生大量的白色细颗粒，且颗粒间不互相粘结，分散效果良好;

（4）经过三乙醇胺中和处理后的聚氨酯胶粘剂施胶温度明显降低，剥离强度明显增加，热稳定性也得到了明显提升;

（5）红外光谱中可观察到—NCO 基团的特征吸收峰。表明在分散制粉时，残余的—NCO 基团发生了进一步聚合，完全参与了反应;

（6）聚氨酯粉末胶粘剂拉伸强度为7.2 MPa，撕裂强度为11.8 MPa，断裂伸长率为110%，硬度为50 HA，回弹率为38%，各项指标均满足GB 36246—2018 标准要求，可以在体育塑胶跑道发挥作用。

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收稿日期：2023-10-15；修回日期：2024-01-12

作者简介：倪德财（1983-），男，讲师，研究方向：体育教育训练学;E-mail：22106674@qq.com。

基金项目：2022年陕西省体育局常规课题（项目编号：2022057）。

引文格式：倪德财，闫鹏旗.塑胶跑道用聚氨酯粉末胶粘剂的配比优化及性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：19-22.