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什么是聚氨酯塑膠跑道？
時(shí)間: 2021-01-13 15:25
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什么是聚氨酯塑膠跑道？
1961年，美國(guó)3M公司首次采用聚氨酯(PU)材料鋪設(shè)賽馬跑道，1968年的墨西哥奧運(yùn)會(huì)組委會(huì)宣布正式啟用聚氨酯塑膠跑道作為官方賽道，并將其指定為國(guó)際體育賽事必備設(shè)施。此后，PU塑膠跑道在世界各國(guó)得到大力推廣應(yīng)用。中國(guó)塑膠跑道工業(yè)是從自主研發(fā)起步，經(jīng)過(guò)引進(jìn)技術(shù)發(fā)展，并依靠技術(shù)創(chuàng)新不斷完善，國(guó)內(nèi)第一條塑膠跑道誕生于1979年，建設(shè)在北京工人體育館。隨著全民健身運(yùn)動(dòng)的深入開展及塑膠跑道行業(yè)技術(shù)水平的日益成熟，塑膠跑道也從專業(yè)競(jìng)技賽場(chǎng)走近大眾生活。久而久之，聚氨酯塑膠跑道也暴露出一些問(wèn)題，改善材料的配方設(shè)計(jì)缺陷并提高其性能成為聚氨酯跑道領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。
1961年，美國(guó)3M公司首次采用聚氨酯(PU)材料鋪設(shè)賽馬跑道，1968年的墨西哥奧運(yùn)會(huì)組委會(huì)宣布正式啟用聚氨酯塑膠跑道作為官方賽道，并將其指定為國(guó)際體育賽事必備設(shè)施。此后，PU塑膠跑道在世界各國(guó)得到大力推廣應(yīng)用。中國(guó)塑膠跑道工業(yè)是從自主研發(fā)起步，經(jīng)過(guò)引進(jìn)技術(shù)發(fā)展，并依靠技術(shù)創(chuàng)新不斷完善，國(guó)內(nèi)第一條塑膠跑道誕生于1979年，建設(shè)在北京工人體育館。隨著全民健身運(yùn)動(dòng)的深入開展及塑膠跑道行業(yè)技術(shù)水平的日益成熟，塑膠跑道也從專業(yè)競(jìng)技賽場(chǎng)走近大眾生活。久而久之，聚氨酯塑膠跑道也暴露出一些問(wèn)題，改善材料的配方設(shè)計(jì)缺陷并提高其性能成為聚氨酯跑道領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)難題。
1 聚氨酯塑膠跑道簡(jiǎn)述
異氰酸酯與羥基化合物經(jīng)加聚反應(yīng)，生成含有氨基甲酸酯基團(tuán)的大分子主鏈結(jié)構(gòu)，即聚氨酯。聚氨酯塑膠是指采用澆注方法成型的聚氨酯彈性體，主要由聚氨酯預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑、催化劑、助劑、顏料、填料等經(jīng)一系列混合、加工、攤鋪澆注而成，聚氨酯塑膠穩(wěn)定性強(qiáng)，力學(xué)性能優(yōu)異，是鋪設(shè)運(yùn)動(dòng)賽道的不二之選。聚氨酯塑膠跑道包括基礎(chǔ)層和膠面層兩層結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)層通常由無(wú)機(jī)材料構(gòu)成，膠面層鋪設(shè)聚氨酯材料。按聚氨酯膠面層結(jié)構(gòu)可分為全塑型、復(fù)合型、混合型、顆粒型四類。按聚氨酯異構(gòu)體類型可分為甲苯二異氰酸酯(簡(jiǎn)稱TDI)型和二苯基甲烷二異氰酸酯(簡(jiǎn)稱MDI)型兩類。自2018年11月1日起，我國(guó)中小學(xué)校園塑膠跑道建設(shè)開始實(shí)施新國(guó)標(biāo)“GB36246-2018”即《中小學(xué)合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地》，新國(guó)標(biāo)對(duì)塑膠跑道建設(shè)中可能產(chǎn)生的毒害物種類和建成跑道的揮發(fā)性有機(jī)化合物濃度做出了限定。而國(guó)標(biāo)中明令禁止的鉛、鉻、汞重金屬、甲苯二異氰酸酯和苯系等有毒有害物都是TDI型聚氨酯塑膠跑道中的“?？?rdquo;。
2 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展現(xiàn)狀
2.1 TDI型聚氨酯塑膠跑道
TDI型跑道因其生成工藝簡(jiǎn)單、施工便捷、成本低廉等特性，已國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地中覆蓋率最高的塑膠跑道，現(xiàn)有TDI型跑道膠面采用甲苯二異氰酸酯(簡(jiǎn)稱TDI) 和3,3-二氯-4,4-二氨基二苯甲烷( 簡(jiǎn)稱MOCA) 體系配合，佐以助劑，現(xiàn)場(chǎng)攤鋪固化成型。然而，TDI型跑道帶來(lái)的負(fù)面影響卻不容小覷。TDI在常溫下易揮發(fā)毒性大，屬于Ⅱ級(jí)毒害物，而且TDI受其—NCO基團(tuán)活性影響，可能會(huì)殘留在聚氨酯預(yù)聚體中，游離TDI在施工及使用過(guò)程中連續(xù)揮發(fā)，污染空氣，長(zhǎng)期吸入后會(huì)對(duì)人體多器官臟器造成損傷。MOCA擴(kuò)鏈劑是一種芳香胺類化合物，它對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)有刺激性，長(zhǎng)期以來(lái)都被看作致癌嫌疑物，遭到人們的口誅筆伐。目前聚氨酯催化劑主要分為胺類、金屬類和復(fù)合型催化劑。TDI-MOCA體系中常用的催化劑主要是有機(jī)酸的重金屬衍生物，如辛酸鉛、乙酸苯汞等，這類催化劑會(huì)造成重金屬污染，損害人體健康。另外，聚氨酯跑道中常會(huì)添加甲醛、苯及苯系物等有毒有害助劑。
2.2 MDI型聚氨酯塑膠跑道
鑒于TDI型塑膠跑道對(duì)人體存在的健康威脅，行業(yè)內(nèi)逐漸采用揮發(fā)性較低、危害較小的MDI代替TDI，同時(shí)采用非MOCA 型擴(kuò)鏈劑及低重金屬鹽催化劑合成聚氨酯。
2.2.1 MDI改性
MDI屬二苯基甲烷二異氰酸酯系化合物，仍具有微量毒性，但其常溫下不易揮發(fā)，短時(shí)間暴露接觸所產(chǎn)生的毒害較小。若完全由4, 4 -MDI 制備預(yù)聚體，4位異氰酸酯基團(tuán)的高活性會(huì)使反應(yīng)可控性變差，生成粘度大，流動(dòng)性差的預(yù)聚體，不利于現(xiàn)場(chǎng)澆注工藝的實(shí)施。徐海濤等用分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的4，4'-MDI 和分子結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性、有空間位阻、凝固點(diǎn)低的2.4' -MDI各占50%混合所得MDI-50與聚酪-2000反應(yīng)，并加入滿足施工要求用量的催化劑和20%橡膠顆粒，得MDI - 50塑膠跑道制品，碳化二亞胺改性MDI(簡(jiǎn)稱MDI) 是MDI的主要改性產(chǎn)品，通過(guò)引入入碳化二亞胺，改善聚氨酯的耐水解性及室溫穩(wěn)定性。孫少文等[通過(guò)磷酸三丁酯催化、薄膜蒸發(fā)器脫除工藝生產(chǎn)出環(huán)保型碳化二亞胺改性MDI，解決了MDI塑膠制品VOC 濃度超標(biāo)的問(wèn)題。茍小青等使用液化MDI與聚碳酸亞丙酯二元醇(PPC)合成了一種光-濕固化的聚氨酯預(yù)聚體，不含VOC，并且施工工藝不受天氣條件限制。
2.2.2 擴(kuò)鏈劑改性
為追求環(huán)保型塑膠跑道，研究人員始終致力于開發(fā)MOCA擴(kuò)鏈劑的替代品。二甲硫基甲苯二胺（簡(jiǎn)稱DMTDA）作為MOCA最早的替代品，于20世紀(jì)80年代面世，該產(chǎn)品無(wú)潛在致病風(fēng)險(xiǎn)，且得到的聚氨酯固化物具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此可作為MOCA的理想替代品?？卓私〉忍岢鍪褂梅躯u代二胺化合物例如間苯二胺替代MOCA。王巖等以苯胺為母體，對(duì)苯二胺為封端試劑，采用化學(xué)氧化的方法，在酸性水溶液中合成了溶解性能好的雙氨基封端的苯胺三聚體，將通過(guò)雙氨基封端的苯胺三聚體與1，4-丁二醇作為混合擴(kuò)鏈劑合成性能優(yōu)異的聚氨酯彈性體?；┣绲劝l(fā)現(xiàn)在MDI／PTMG體系中，以乙二醇(簡(jiǎn)稱EG) 取代MOCA作擴(kuò)鏈劑，可制得物理機(jī)械性能兼優(yōu)的微孔聚氨酯彈性體。
2.2.3 催化劑改性
蘇政權(quán)等研制的異辛酸稀土/異辛酸鋅（2∶1）有機(jī)稀土復(fù)合催化劑，在可操作時(shí)間、成本及固化性能等方面表現(xiàn)優(yōu)異，可完全取代Pb /Hg、Pb /Zn 等復(fù)合催化劑，杜絕了跑道的重金屬污染。上海某企業(yè)研制出一種金屬鹽和有機(jī)羧酸合成的復(fù)合催化劑FAE-l，其成本及毒性較常規(guī)復(fù)合催化劑低，催化活性高，鋪設(shè)工藝簡(jiǎn)單，尤其適用于混合型復(fù)合型結(jié)構(gòu)的PU塑膠跑道。陶氏化學(xué)公司下屬Acima特殊化學(xué)品公司推出一種二甲基催化劑—Metatin Katalysator 1230催化劑，可用于替代二丁基錫和二辛基催化劑。在硅烷改性聚氨酯的研究中，段先健等采用有機(jī)鉍和蒙脫土作為復(fù)合催化劑，通過(guò)原位聚合法合成了硅烷化聚氨酯/蒙脫土復(fù)合材料。蒙脫土能夠催化-NCO和-OH的加成反應(yīng)，與有機(jī)鉍起協(xié)同催化作用，提高材料穩(wěn)定性。
3 聚氨酯塑膠跑道發(fā)展趨勢(shì)
隨著國(guó)內(nèi)環(huán)境形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，環(huán)保要求日益加強(qiáng)，開發(fā)低成本高性能、環(huán)境友好型聚氨酯塑膠跑道材料是大勢(shì)所趨?？偨Y(jié)國(guó)內(nèi)外最新研究成果，可以預(yù)測(cè)出聚氨酯塑膠跑道行業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。
3.1 納米改性聚氨酯
納米改性是指在聚氨酯彈性體制備的擴(kuò)鏈階段混入經(jīng)分散處理的納米材料，通過(guò)原位聚合發(fā)制備納米改性聚氨酯。納米改性聚氨酯具有良好的綜合力學(xué)性能，同時(shí)能大幅度提高聚氨酯的耐磨性、阻燃性、抗霉性和生命周期。國(guó)內(nèi)首條一流水平的高強(qiáng)度納米復(fù)合聚氨酯塑膠跑道于2008年8月亮相北京奧運(yùn)會(huì)賽場(chǎng)。
納米改性的核心是在聚氨酯材料中引入層狀納米粒子，保證其均勻分散在的基材中。蒙脫土和納米二氧化硅都是聚氨酯納米改性中常用的納米粒子。陳宇飛等通過(guò)原位聚合法將有機(jī)化蒙脫土（簡(jiǎn)稱OMMT）摻雜到PUE中，使單體在蒙脫土層間聚合，制備出有機(jī)化蒙脫土/聚氨酯彈性體（OMMT/PUE）納米復(fù)合材料。
黃國(guó)波等在聚氨酯預(yù)聚物中加入納米SiO2，利用粒子表面的原位聚合效應(yīng)分散納米粒子團(tuán)聚體，分散粒子的誘導(dǎo)結(jié)晶作用和與聚氨酯大分子的化學(xué)鍵合，顯著提高了聚氨酯彈性體綜合性能。
表1是試驗(yàn)納米塑膠跑道性能指標(biāo)， 其中蒙脫土添加量和納米二氧化硅的添加量均為3%左右。
表1 蒙脫土(MMT)、納米二氧化硅（SiO2）改性聚氨酯彈性體塑膠跑道性能指標(biāo)
3.2 晶須補(bǔ)強(qiáng)聚氨酯
晶須是一種纖維狀單晶，呈立體四針狀結(jié)構(gòu)，為單晶體微纖維，晶須補(bǔ)強(qiáng)聚氨酯是指將晶須材料與聚醚多元醇復(fù)合，使晶須均勻分散在聚醚多元醇中，與異氰酸酯組分反應(yīng)形成彈性體，彈性體中分散的晶須，對(duì)彈性體的表面和里層缺陷起補(bǔ)強(qiáng)、增韌作用，防止聚氨酯鋪面材料斷裂。
陳紅霞等采用偶聯(lián)劑對(duì)鈦酸鉀晶須（簡(jiǎn)稱PPW）進(jìn)行表面改性，再與甲苯二異氰酸酯、聚醚多元醇等原料制備了改性鈦酸鉀晶須增強(qiáng)聚氨酯跑道面層復(fù)合材料，添加2.5%的PTW，能有效提高改性PTW增強(qiáng)聚氨酯材料的力學(xué)指標(biāo)。
黃進(jìn)等將乙?；募讱に鼐ы?簡(jiǎn)稱AChW) 分散處理后加入聚氨酯中，當(dāng)AChW的含量達(dá)到6wt%時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大，比純聚氨酯高79.1%。
3.3 塑膠跑道回收處置
針對(duì)部分地方和學(xué)校出現(xiàn)的“毒跑道”問(wèn)題，教育部專門成立了塑膠跑道綜合治理工作組，全面推進(jìn)“毒跑道”治理工作。截至2016年9月，全國(guó)各地中小學(xué)塑膠跑道已停建2191塊，鏟除93塊，預(yù)計(jì)數(shù)年后我國(guó)每年將產(chǎn)生35萬(wàn)噸無(wú)法自然降解的聚氨酯跑道廢品。如何處置這些“毒垃圾”也將成為亟待解決的社會(huì)問(wèn)題。
3.4 施工工藝設(shè)計(jì)
在保證材質(zhì)的前提下，關(guān)注工程設(shè)計(jì)階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段、審查驗(yàn)收階段的質(zhì)量監(jiān)督。真實(shí)可靠的工程設(shè)計(jì)，切實(shí)有效的塑膠跑道施工工藝方法，技術(shù)過(guò)硬的施工、監(jiān)理隊(duì)伍，有資質(zhì)的檢驗(yàn)和驗(yàn)收單位是聚氨酯跑道鋪設(shè)工程的重要保障，把握好這些環(huán)節(jié)的審查工作，才能淘汰掉一批“小工廠”、“黑作坊”，保證聚氨酯塑膠跑道行業(yè)的良性發(fā)展。
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