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原料对塑胶跑道用单组分聚氨酯胶粘剂性能的影响

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2015-12-23 聚氨酯工业

  摘要: 研究了塑胶跑道用单组分聚氨酯胶粘剂各个组分对其性能影响。综合分析表明,当聚醚多元醇N-340G 的相对分子质量在4000 ~ 5000、特种助剂E 的使用量在10%左右时,合成的胶粘剂机械性能和性价比最值; 老化实验结果表明,同等条件下,用胶粘剂6 制得的样品老化后仍比其它品种胶粘剂的机械性能高。

塑胶跑道

  聚氨酯( PU) 塑胶跑道材料具有优良的防滑、阻燃、吸震性能,且具有抗静电、色彩美观等特点,首先在国外开发及应用,我国1972 年开始研制运动场地用PU 材料,经过多年的发展,目前已拥有混合型塑胶跑道、全PU 球场专用地板料( 包含硅PU 等) 和室内塑胶地板料等PU 塑胶跑道材料产品[2],但这些品种还远不能达到满足市场的需求。未来塑胶跑道的铺装材料的发展趋势将体现在以下几个方面: ( 1) 新产品的开发,如表面压花预成型无颗粒塑胶跑道和现场浇注压花型无颗粒塑胶跑道。( 2) 产品性价比的竞争,如低成本的透气型跑道和高性价比的混合型塑胶跑道、全PU 球场地板料。透气型跑道产品主要体现在跑道用胶粘剂产品的竞争。( 3) 环境友好型铺装材料的开发。

  透气型塑胶跑道主要由底层面胶、中间层9 mm黑颗粒层、面层喷涂3 mm 防滑层所组成,它具有透气、透水、高弹性,且成本低、外观可以各种色彩喷涂等特点广为用户所喜爱。但国内对中间层黑颗粒层粘接的单组分聚氨酯胶粘剂的研究文献报道却较少,因此本工作针对用于低成本的透气型塑胶跑道中间层单组分聚氨酯胶粘剂进行研究。探讨了各个组分对其使用性能的影响,为该用途胶粘剂的开发提供参考。

  1 实验部分

  1. 1 主要原料

  聚醚多元醇: N-220( 羟值54.5~57.5 mgKOH/g,Mn=2000)、N-330(羟值54.5~57.5mgKOH/g,Mn=3000)、N-340G(羟值31~35mgKOH/g,Mn=4000~5000),工业级,江苏钟山化工有限公司;异氰酸酯( MI-50、TDI),工业级,上海巴斯夫聚氨酯有限公司;特种助剂E( 酯类增塑剂),工业级,温州大成化工有限公司;氯化石蜡,工业级,安徽星鑫化工科技有限公司;单组分聚氨酯胶粘剂(MDI型),山东市场热销产品;PU 橡胶颗粒(粒径3~4mm),自制。

  1. 2 主要设备与仪器

  万能拉力机,型号XD-121,上海信任达仪器有限公司; 旋转式粘度计,型号NDJ-1,上海赛德利思精密仪器仪表有限公司。

  1. 3 跑道样品制备及工艺

  按配方称取一定量的聚醚,加入三口烧瓶,然后再按理论计算值称取一定的异氰酸酯,加入其中烧瓶,加热至80 ~ 90 ℃恒温反应2 h,冷却至50 ℃,加入一定量的氯化石蜡和特种助剂E,出料,得单组分聚氨酯胶粘剂( NCO 质量分数6% ~ 7%) 。

  按照质量比1 ∶ 7 称取250 g 自制的胶粘剂和1750 g PU 橡胶颗粒混合搅拌均匀,摊铺在30 cm ×50 cm 钢模具上,压实,制备成30 cm × 50 cm ×0. 9 cm 的透气型跑道样块,放置1 ~ 2 周,制成测试样品,按照国标GB /T14833—2011 测试机械性能和耐老化性能。

  2 结果与讨论

  2. 1 聚醚多元醇对胶粘剂性能的影响

  按照上述1. 3 节工艺,分别以N-330 或N-340G与N-220( 质量比2 ∶ 1) 制备胶粘剂1 和胶粘剂2,胶粘剂2 中氯化石蜡和特种助剂E 用量均为10%,另选山东市场热销的单组分胶作胶粘剂3 作为参照。力学性能测试结果见表1。

胶粘剂编号 1 2 3 GB/T14833—2011
扯断伸长率/% 44 95 67 ≥40
拉伸强度/Mpa 0.7 1.1 0.9 ≥0.7

表1 聚醚多元醇对胶粘剂制跑道样品性能影响


  由表1 可以看出,胶粘剂2 制得的跑道样品比胶粘剂1 制得的跑道样品扯断伸长率高出2 倍多,拉伸强度高出50%。同时也均高于单组分胶粘剂3样品; 因胶粘剂1 原料聚醚多元醇用的是N-330,其相对分子质量为3000,而胶粘剂2 原料聚醚多元醇用的是N-340G,其相对分子质量为4000 ~ 5000,相差1000 ~ 2000。说明聚醚的相对分子质量越大,胶粘剂的伸长率性能越好,拉伸强度越高。

  在同等条件下,胶粘剂1、胶粘剂2 与PU 橡胶颗粒按照1 ∶ 7、1 ∶ 8、1 ∶ 10、1 ∶ 12 制作样片,测试性能见表2。

机械性能 1 ∶ 7 1 ∶ 8 1 ∶ 10 1 ∶ 12
伸长率/% 拉伸强度/Mpa 伸长率/% 拉伸强度/Mpa 伸长率/% 拉伸强度/Mpa 伸长率/% 拉伸强度/Mpa
胶粘剂1 44 0.7 40 0.65 35 0.5 25 0.4
胶粘剂2 95 1.1 92 1.05 88 1 80 0.9

表2 胶粘剂与PU 橡胶颗粒比例对塑胶样品机械性能的影响


  从表2 可以看出,由于胶粘剂2 聚醚组分相对分子质量较大,在提高胶粘剂与橡胶颗粒的混合比例的同等条件下,其机械性能下降幅度比胶粘剂1 小,且混合比例扩大为1 ∶ 12 时,仍能够满足检测标准要求。胶粘剂1 在混合比例扩大为1 ∶ 8 时已经不能满足检测标准要求。由此可见,聚醚相对分子质量的提高可以扩大跑道颗粒与胶粘剂的混合比例,节约施工胶粘剂的使用量,降低原料成本。

  2. 2 助剂对胶粘剂性能的影响

  固定聚醚N-340G 和N-220 质量比2 ∶ 1,在聚合好的胶粘剂内加入用量为10% 的氯化石蜡以及分别加入用量为0%、5%、10%、15%、20% 的特种助剂E,制备的胶粘剂编号为4、5、6、7、8,与不加氯化石蜡和特种助剂E 制备的胶粘剂9,再制作跑道样品,测试其机械性能及固化成型稳定时间,比较结果见表3 和表4。

胶粘剂编号 4 5 6 7 8 9
扯断伸长率/% 80 84 94 88 70 76
拉伸强度/Mpa 0.9 0.97 1.1 1 0.75 0.9

表3 助剂对胶粘剂性能的影响

  从表3 可以看出,胶粘剂6 中氯化石蜡和特种助剂E 的用量均为10% 时,样品的机械性能为最佳。胶粘剂4、5、6、7,助剂总用量≤25%,机械性能均高于不加助剂的胶粘剂9; 但胶粘剂7 机械性能已明显下降,胶粘剂8 性能下降后低于不加助剂胶粘剂9 性能,说明增塑剂不能使用过高。增塑剂合理搭配,能够提高胶粘剂性能,过高的增塑剂则降低了胶粘剂性能。

样品放置时间/周 胶粘剂9 胶粘剂4 胶粘剂6 胶粘剂8
1 2 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4
扯断伸长率/% 76 75 56 80 81 55 92 91 50 65 70 69
拉伸强度/Mpa 0.9 0.9 0.7 0.9 0.85 0.7 1.05 1 0.6 0.7 0.75 0.75
表4 助剂使用量对样品固化成型稳定时间的影

  从表4 可以看出,氯化石蜡和特种助剂E 对胶粘剂的固化成型稳定有延缓作用。在不加助剂时,如胶粘剂9,其固化成型稳定1 周与2 周所测性能一致,说明1 周就可以达到应有的机械强度; 而胶粘剂4、6、8分别在2 周、2 周、3 周才达到应有的机械强度。这可能是由于氯化石蜡是增塑剂,塑化能力强,导致聚氨酯分子链相分离速度放慢,机械性能迟滞。特种助剂E 的用量增加,其和氯化石蜡相互配合,这种现象更加明显,胶粘剂8 需3 周后才达到应有的机械强度。助剂虽然可以降低成本,但从固化成型稳定及耐老化角度考虑,氯化石蜡和特种助剂E 的用量不宜用多,否则会影响胶粘剂耐老化性能。

  综合考虑,胶粘剂6 固化时间和机械性能都达到了最佳值,且成本也较低。

  2. 3 异氰酸酯对胶粘剂性能的影响

  选择TDI 和MI-50( MDI) 分别与聚醚N-340G、N-220( N-340G 与N-220 质量比2 ∶ 1) 制作胶粘剂,助剂选择10% 的氯化石蜡和10% 的特种助剂E。性能比较见表5。

类型 气味 扯断伸长率/% 拉伸强度/Mpa 粘度/Pa·s
TDI型 刺激 75 0.8 4.5
MDI型 94 1.1 5.3
表5 异氰酸酯对胶粘剂性的影响

  由表5 可以看出,TDI 型胶粘剂其粘度比较小,在施工时比较方便,但其有刺激毒性,需要戴防毒面具操作; 机械性能方面,伸长率和拉伸强度低于用MDI 型做的胶粘剂,这是由于MDI 结构比TDI 规整,更有利于胶粘剂成型固化后的相分离。综合比较,使用MDI( MI-50) 比较适宜。

  2. 4 样品耐老化性能比较

  用胶粘剂3、6、9 制备塑胶样品,按照GB/T14833—2011 做老化试验,老化时间168 h。老化前后机械性能数据比较见表6。

机械性能 胶粘剂3 胶粘剂6 胶粘剂9
扯断伸长率/% 拉伸强度/Mpa 扯断伸长率/% 拉伸强度/Mpa 伸长率/% 拉伸强度/Mpa
老化前 67 0.9 95 1.1 76 0.9
老化后 40 0.6 85 0.95 70 0.8
表6 胶粘剂对塑胶跑道样品耐老化性的影响

  从表6 可以看出,经过老化后的胶粘剂3 机械性能下降最大,拉伸强度甚至达不到标准要求; 而本实验确定的配方胶粘剂6 老化前和老化后扯断伸长率和拉伸强度分别下降10%和13%,并且仍远远超出标准要求; 不加助剂的胶粘剂9,老化前后扯断伸长率和拉伸强度分别下降8%和11%。

  3 结论

  聚醚相对分子质量及助剂对透气型塑胶跑道用单组分聚氨酯酸胶粘剂性能有明显影响,当N-340G与N220 按质量比2 ∶ 1混合,氯化石脂和特种助剂E用量均为10%时,制备的单组分胶粘剂用于塑胶跑道的样品综合性能最优。该胶粘剂目前已获专利授权( 专利号ZL200910263253. 7) ,并且已经工业化生产和使用,用户反映良好。

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