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期刊专利论文

环保型聚氨酯塑胶跑道胶粘剂的研究

来源:互联网2020年09月27日

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  环保型聚氨酯塑胶跑道胶粘剂的研究
  
  杨志,杨瑞卿,贾迎泽
  
  (山西省建筑科学研究院有限公司,山西太原030001)
  
  来源:新型建筑材料,中国科技核心期刊
  
  摘要
  
  选用MDI-50、聚醚二元醇和聚醚三元醇的复合多元醇为原料,以小分子聚醚多元醇及小分子醇类作为固化剂组份,制备了不同配比的环保型塑胶跑道用胶粘剂预聚体。讨论了聚醚多元醇摩尔比、NCO 质量分数、固化剂种类对产品性能的影响。结果表明,MDI-50 体系中,当n(聚醚二元醇)∶n(聚醚三元醇)=3∶2,NCO 含量为6%,选用复配固化剂[n(聚醚多元醇303)∶n(TMP)=2∶1]时,所制备的胶粘剂综合性能最佳,各项性能均符合GB 36246—2018 要求。
  
  关键词
  
  环保型塑胶跑道;MDI;预聚体;固化剂
  
  引言
  
  聚氨酯(PUR)是由多元醇和多异氰酸酯反应制得的一类主链中带有氨基甲酸酯(—NHCOO—)基团的聚合物,聚氨酯材料是一类产品形态多样的合成树脂材料,它以泡沫塑料、弹性体、胶粘剂、铺装材料等产品形式广泛应用于建筑、机械、电子设备、医疗卫生等领域。聚氨酯铺装材料以其成型方便、弹性好、耐磨等特点成为运动跑道、球场以及幼儿园等场所的标准地面材料。
  
  聚氨酯塑胶跑道是由聚氨酯预聚体、混合聚醚、EPDM 橡胶颗粒或PU 颗粒、颜填料、助剂等制成,具有平整度好、硬度弹性适当、一定的耐老化性,是最佳的全天候室外运动场地材料之一。针对之前出现的“毒跑道”事件,国家加大了对运动场地的环保安全督查力度,出台了新的国家标准GB 36246—2018《中小学合成材料面层》,对有害物质做了严格的限定。本研究采用低毒、低挥发性的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)取代传统的甲苯二异氰酸酯(TDI)作为预聚体的原料,采用小分子聚醚多元醇作为固化交联剂替代传统的MOCA 固化剂,制备了双组份聚氨酯胶粘剂并将其应用在塑胶跑道当中,得到符合GB 36246—2018 要求的环保型产品。采用该胶粘剂进行塑胶跑道施工时操作简单、环保健康,具有良好的社会效益和经济效益。
  
  1 试验
  
  1.1 主要原料
  
  二苯基甲烷二异氰酸酯:MDI-50,工业级,烟台万华股份有限公司;聚醚二元醇220、聚醚三元醇3050、小分子聚醚三元醇303、小分子聚醚三元醇305:工业级,山东一诺威新材料有限公司;三羟甲基丙烷(TMP)、三乙醇胺:分析纯,上海阿拉丁试剂有限责任公司;长链氯化石蜡(N52):工业级,江苏德米新材料有限公司;脱模剂:XTEDN800,美国AXEL 塑料研究所;环保铋锌复合催干剂:CUCAT-V12,广州优润合成材料有限公司。
  
  1.2 主要仪器设备
  
  拉力试验机:LDS-500N 型,济南中创工业测试系统有限公司;悬壁式数显电动搅拌器:JJ-1BA 型,常州润华电器有限公司;鼓风干燥箱:JC101 型,北京中兴伟业仪器有限公司;电子天平:JE201 型,上海浦春计量仪器有限公司;篮式研磨机:MXY-A 型,上海沐轩实业有限公司;黏度计:NDJ-8S 型,上海方瑞仪器有限公司;邵氏硬度计:LX-A 型,北京沃威科技有限公司;硫化机:BLD-2020 型,东莞博莱德仪器设备有限公司;PE 材质模具:150 mm×150 mm×50 mm;不锈钢模具:200 mm×200 mm×(13、10、8)mm。
  
  1.3 聚氨酯塑胶跑道制品的制备
  
  (1)预聚体组份的制备:将一定比例的聚醚二元醇和聚醚三元醇加入到三口烧瓶中在120 ℃左右抽真空脱水2 h,冷却至室温后加入计算好的二苯基甲烷而异氰酸酯MDI-50 使之在80 ℃反应5 h,测试NCO 含量后作为预聚体A 组份备用。将固化剂、增塑剂、助剂、颜填料等按比例混合加入到不锈钢钢筒中,在室温下,用篮式研磨机研磨分散均匀,转移至圆底烧瓶中,于120 ℃左右抽真空约1 h,脱除水气后作为B 组份备用。
  
  (2)按质量比1∶3 称取A、B 组份并混合一定量的橡胶颗粒和适量的环保型催干剂,搅拌均匀后加入不锈钢模具(预先涂抹脱模剂)中,在温度60 ℃、压力12 MPa 条件下,硫化2 h后脱模即得聚氨酯塑胶跑道制品。
  
  1.4 性能测试方法
  
  将制得的聚氨酯塑胶跑道制品在室外自然环境条件下静置14~28 d 后,按照GB 36246—2018 测试硬度、拉伸强度、断裂伸长率等力学性能。
  
  2 结果与讨论
  
  2.1 聚醚多元醇对聚氨酯塑胶制品力学性能的影响
  
  聚醚多元醇的分子结构直接影响塑胶跑道的物理性能,对不同分子质量、不同官能度的聚醚多元醇复配使用可以有效提高塑胶跑道的性能。试验选用二官能度的聚醚多元醇220 和三官能度聚醚多元醇3050A 进行复配使用,其中预聚体中NCO 的质量浓度为6%,固化剂采用聚醚多元醇303 与TMP 复配(二者摩尔比为2∶1),增塑剂用量为15%,催干剂用量为0.3%。考察m(聚醚二元醇220)∶m(聚醚三元醇3050A)对塑胶制品力学性能的影响,结果见表1。
  
  由表1 可以看出,随着三官能度聚醚多元醇比例的增大,拉伸强度、硬度和黏度增大,但断裂伸长率减小,当m(220)∶m(3050A)=2∶3 时,有时会出现反应抱团凝胶现象,影响工业生产,同时给施工操作带来困难。考虑黏度和性能,优选m(220)∶m(3050A)=3∶2 作为预聚体反应原料的聚醚组份。
  
  2.2 预聚体NCO 质量浓度对聚氨酯塑胶制品力学性能的影响
  
  选择m(220) ∶m(3050A)=3∶2 的组合聚醚多元醇作为A组份原料,固化剂采用复配固化剂[n(聚醚多元醇303)∶n(TMP)=2∶1],增塑剂用量为15%,催干剂用量为0.3%,考察NCO 质量浓度对塑胶制品力学性能的影响,结果见表2。其中NCO 的质量浓度采用二正丁胺反滴定法测试。
  
  由表2 可知,随着NCO 浓度的增大,预聚体的黏度减小,硬段含量的提升使得胶黏剂的撕裂强度提高,断裂伸长率减小。黏度减小有利于塑胶跑道的生产施工且物理性能更优,但由于MDI 原料价格较高,体系的成本也随之上升,综合考虑施工性能及性价比,选择NCO 的质量浓度为6%。
  
  2.3 固化剂种类对聚氨酯塑胶制品力学性能的影响
  
  B 组份中的固化剂与预聚体反应生成聚氨酯长链段,固化剂的选用对制品的硬度和物理性能均有影响[4]。以m(220)∶m(3050A)=3∶2 的组合聚醚多元醇,制备NCO 含量为6%的预聚体作为A 组份(下同)。B 组份中增塑剂用量为15%,催干剂用量为0.3%。由于胺类固化剂MOCA 疑似有致癌性,E300有刺激性臭味,E100 反应快、容易凝胶等缺点,试验采用环保型小分子聚醚多元醇303、聚醚多元醇305、三乙醇胺及TMP等作为交联固化剂。固化剂种类对聚氨酯塑胶制品力学性能的影响见表3。
  
  由表3 可知,采用三乙醇胺和TMP 作为固化剂时,制品性能较优。但三乙醇胺兼有叔胺催化活性,使得固化反应适用期较短,施工困难;采用小分子聚醚三元醇时性能较差,但由于其羟值较三乙醇胺和TMP 低,一定用量可同时改善B 组份的黏度和施工可操作性。综合考虑,以下试验采用聚醚多元醇303 与TMP 复配固化剂[n(聚醚多元醇303)∶n(TMP)=2∶1]。
  
  2.4 增塑剂用量对聚氨酯塑胶制品力学性能的影响
  
  添增塑剂可有效降低B 组份的黏度,提高施工可操作性,降低生产成本。但增塑剂本身不参与反应,随着增塑剂用量的增加,会影响B 组份的稳定性。试验选用B 组份中催干剂用量为0.3%,以环保型长链氯化石蜡为增塑剂,考察增塑剂用量对B 组份黏度及聚氨酯塑胶制品物理性能的影响,结果见表4。
  
  由表4 可知,随着增塑剂用量的增加,B 组份的黏度变小,同时制品的力学性能降低。综合考虑,确定增塑剂的用量为15%。
  
  2.5 催干剂用量对胶黏剂固化时间的影响
  
  在塑胶跑道的施工中,由于户外温湿度变化大,在施工中需要配合使用环保型催干剂,使得固化时间可控,便于施工工序的安排。试验选用增塑剂用量为15%,通过改变铋锌复合催干剂CUCAT-V12 的用量,得到了不同适用期和固化时间的塑胶跑道制品,试验结果如表5 所示。
  
  由表5 可见,随着催干剂用量增加,适用期和固化时间缩短,综合考虑施工操作因素,催干剂的用量选用0.3%较为合适。实际施工中还可以根据温湿度、当地气候条件以及工程进度安排等情况合理选用催化剂用量。
  
  2.6 产品性能
  
  通过上述单因素试验,确定了环保型双组份聚氨酯塑胶跑道胶黏剂的各组份配比:以m(220)∶m(3050A)=3∶2 的组合聚醚多元醇,制备NCO 含量为6%的预聚体为A 组份。B 组份采用聚醚多元醇303 与TMP 复配的固化剂[n(聚醚多元醇303)∶n(TMP)=2∶1]为固化剂组份,环保增塑剂用量为15%,催干剂用量为0.3%。将A、B 组份按质量比1∶3 混合均匀,该胶粘剂的适用期为60 min,固化时间为16 h。参照GB 36246—2018 对其物理性能及挥发性有机物含量进行测试,结果如表6 所示。
  
  3  结论
  
  (1)当聚醚多元醇220 与聚醚多元醇3050A 的质量比为3∶2,预聚体的NCO 质量浓度为6%时,A 组份的黏度适中,施工方便,制备的聚氨酯塑胶制品力学性能优异。
  
  (2)采用聚醚多元醇303 与TMP 复配的固化剂[n(聚醚多元醇303)∶n(TMP)=2∶1]为固化剂组份,环保增塑剂用量为15%,催干剂用量为0.3%时,制备的B 组份黏度适中,施工方便。制备的塑胶跑道物理性能符合GB 36246—2018 要求。同时本体系均采用环保型原材料,不添加溶剂,无胺类刺激性固化剂,适用期合适,固化时间适中。该塑胶跑道制品实现了无毒无味、环保健康的要求,是一种具有市场推广价值的环保型产品。
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