塑膠跑道用聚氨酯粉末膠粘劑的配比優化及性能研究

倪德財 閆鵬旗

摘 要：針對傳統體育塑膠跑道用膠粘劑易揮發，造成環境污染的問題，提出一種環保型聚氨酯粉末膠粘劑的制備。對聚氨酯粉末膠粘劑的配比進行優化，并對其性能進行研究。結果表明，預聚體軟段和硬段質量比為3.0∶1，—NCO 基團與—OH 基團的摩爾比（R值）為1.17，分散液為納米級聚氟化乙烯丙烯分散液，通過三乙醇胺進行中和后，制備的聚氨酯粉末膠粘劑性能最佳，此時聚氨酯粉末膠粘劑施膠溫度為85 ℃，初期剝離強度為70.4 N/cm，后期剝離強度為124 N/cm，拉伸強度為7.2 MPa，撕裂強度為11.8 MPa，伸長率為110%，硬度為50 HA，回彈率為38%，各項指標均滿足GB 36246—2018 標準要求，可以在體育塑膠跑道發揮作用。

關鍵詞：塑膠跑道；聚氨酯粉末；環保膠粘劑；預聚體配比；優化

中圖分類號：TQ433.4+32

文獻標志碼：A文章編號：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

傳統體育塑膠跑道膠粘劑多為溶劑型膠粘劑，在使用的過程中易揮發，造成環境污染，給使用者的健康帶來不良影響。開發一種環保型體育塑膠跑道用膠粘劑對提升塑膠的跑道的安全性有重要意義。對此，部分學者也進行了很多研究，如制備了環保型塑膠跑道用膠粘劑，并對膠粘劑的粘接性能進行研究［1］。對彩色防滑路面中環氧樹脂膠的應用進行了研究［2］。制備了一種無溶劑型雙組分環氧封端聚氨酯膠粘劑，并對其力學性能進行研究［3］。制備了一種改性的性能穩定的聚氨酯膠粘劑［4］。以上學者的研究為塑膠跑道膠粘劑性能的優化提供了一些參考?；诖?，試驗以文獻［5］方法為參考，制備了一種環保型聚氨酯粉末膠粘劑，為體育塑膠跑道用的膠粘劑的發展提供參考。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：聚醚多元醇，AR，兀儀新材料；二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI），AR，吉鑫益邦生物科技；1，4-丁二醇（BDO），AR，文成化工；二月桂酸二丁基錫（DBTDL），AR，吉業升化工；丙酮，AR，玖豐隆化工；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。

主要設備：XL-KH50型拉力試驗機（禧隆設備）；YG-PUR型 PUR 熱熔膠復合機（宏遠輕化設備）；SC-TGA1150型熱重分析儀（三創設備）；HM-3020型紅外光譜儀（恒美電子科技）；LX-D-2型邵氏硬度計（高鑫儀器）。

1.2 試驗方法

1.2.1 聚氨酯預聚體的制備

（1）將聚醚多元醇放入真空干燥箱中進行真空脫水處理，脫水溫度和時間分別為120 ℃和60 min;

（2）加入計量MDI和催化劑DBTDL，60 ℃初聚合1 h;

（3）加入擴鏈劑BDO和適量丙酮繼續攪拌反應1 h;

（4）反應結束后，放入二甲基甲酰胺的甲基吡咯烷酮溶液（質量比1∶1），將溫度降至40 ℃后，放入計量三乙醇胺中和反應，反應時間為4 h，得到聚氨酯預聚體。

1.2.2 聚氨酯粉末膠粘劑的制備

（1）將聚氨酯預聚體置于15 ℃環境，加入分散液進行攪拌熟化，攪拌轉速和時間分別為8 000 r/min和60 min;

（2）減壓過濾后，將過濾產物放入電熱烘箱內進行干燥處理，干燥溫度為35 ℃，得到白色聚氨酯粉末膠粘劑。

1.3 性能測試

1.3.1 剝離強度測試

參照GB/T 532—2008 標準，通過XL-KH50型拉力試驗機對材料剝離強度進行測試［6-7］。

（1）提前對橡膠進行表面處理，然后在經過處理的橡膠表面均勻鋪上聚氨酯粉末膠粘劑，在壓力為2 MPa的壓力作用下進行熱熔處理，熱熔時間為10 s；

（2） 將鋪有膠粘劑的橡膠置于室溫條件下放置，放置時間為25 min，通過拉力試驗機對膠粘劑的初期剝離強度進行測試，拉力機作用速率為100 mm/min；

（3）將鋪有膠粘劑的橡膠置于室溫條件見放置24 h，對其后期剝離強度進行測試。

1.3.2 施膠溫度測試

將聚氨酯粉末膠粘劑均勻鋪設在經過處理的橡膠上，然后置于YG-PUR型 PUR 熱熔膠復合機上，根據粉末膠的熔化情況確定施膠溫度。

1.3.3 熱穩定性測試

按照50 mL/min的速率將氮氣通入SC-TGA1150型熱重分析儀中，使得整個反應在氮氣氣氛條件下進行。按照10 ℃/min的升溫速率將溫度從30 ℃提升至800 ℃，通過樣品質量變化對材料熱穩定性進行研究。

1.3.4 紅外光譜測試

通過紅外光譜儀對粉末膠粘劑官能團進行測試。

1.3.5 其他性能測試

將粉末膠粘劑與催化劑熔融混合后固化，在常溫陰涼處放置，時間為14 d，然后對膠粘劑其他性能進行測試。

拉伸強度、撕裂強度、回彈率伸長率：通過拉力試驗機進行［8-9］。

硬度：通過邵氏硬度計進行測試［10-11］。

2 結果與討論

2.1 預聚體軟硬段質量比優化

在聚氨酯預聚體中，軟段為聚醚多元醇，硬段為MDI、DBTDL和BDO。通過固定硬段用量，改變軟段用量，進而對軟硬段比例進行調節，觀察軟硬段質量比對預聚體造粒的影響，結果見表1。由表1可知，當軟硬段質量比過大時，聚氨酯預聚體自身具備較大的黏度，親水擴鏈反應無法均勻進行，預聚體無法正常分散［12-13］。隨預聚體軟硬段質量比的降低，預聚體的分散效果得到明顯的優化。當預聚體軟段和硬段質量比降低至3.0∶1時，預聚體表現出較好的分散性，粒徑范圍為100～180目。繼續降低預聚體質量比至2.1∶1時，預聚體中硬段含量過多，—NCO基團剩余含量過多，增加了造粒過程中的極性鍵，使得預聚體儲存穩定性變差［14］。綜上，選擇適合的預聚體軟硬段質量比為3.0∶1。

2.2 膠粘劑配比優化

2.2.1 R值優化

R值為—NCO 基團與—OH 基團的摩爾比，其對膠粘劑性能的影響見表2。

由表2可知，R值越大，膠粘劑的施膠溫度越高，當R值達到1.50時，膠粘劑的施膠溫度已經超過了150 ℃，在實際應用過程中，無法達到施膠條件，因此不再進行下一步測試。同時還能從表2中觀察到， 隨R值的增加，膠粘劑的剝離初期剝離強度和后期剝離強度均有一定上升。所有R值條件下制備的膠粘劑強度均滿足市場對跑道用膠粘劑初期剝離強度超過30 N/cm，后期剝離強度超過40 N/cm的要求。由于R值越高，施膠溫度也越高，對施膠的要求也越高，綜合膠粘劑的施膠溫度和剝離強度，選擇適合的R值為1.17，此時施膠溫度為85 ℃，初期剝離強度為70.4 N/cm，后期剝離強度為124 N/cm。

2.2.2 分散液種類優化

試驗共選擇4種分散液，觀察分散液對聚氨酯膠粘劑形態和成粒過程的影響，結果見表3。

由表3可知，以液體石蠟作為分散液時，預聚體只有較少的顆粒出現。而以水作為分散液時，聚氨酯預聚體出現溶脹發白的情況，在一般條件下不形成顆粒。二者間出現明顯的相分離，必須通過低溫高速切割才能形成顆粒。以正丁醇作為分散液時，聚氨酯預聚體出現大量的顆粒，但顆粒的柔軟度較高，使其互相粘結，對其分散性能產生影響［17］。而選擇納米級聚氟化乙烯丙烯分散液（FEP）時，聚氨酯預聚體產生大量的白色細顆粒，且顆粒間不互相粘結，表現出良好的分散效果，在經過熟化處理后變硬，經過過濾烘干處理后，得到聚氨酯粉末膠粘劑。

2.2.3 中和處理的影響

表4為中和處理對膠粘劑的影響。

由表4可知，經過中和處理后的聚氨酯膠粘劑施膠溫度明顯降低，剝離強度明顯增加，熱穩定性也得到了明顯提升。出現以上變化的主要原因為預聚體經過三乙醇胺中和后，促進了分散液中的活性基團與—COO-的作用，使—COO-被封閉，施膠溫度降低。在熔融施膠的過程中，被封閉的—COO-更易與基材發生作用，因此剝離強度得到明顯增加［18-19］。同時，三乙醇胺在體系內可以發揮成鹽劑的作用，對預聚體在分散液中參與下一步聚合反應有積極的作用，增強了聚氨酯膠粘劑的熱穩定性［20］。

2.3 紅外光譜分析

以聚氨酯預聚體為對比，對聚氨酯粉末膠粘劑特征峰變化進行表征，結果見圖1。

由圖1可知，2種材料的紅外曲線變化基本一致。對比聚氨酯預聚體紅外曲線和聚氨酯粉末膠粘劑紅外曲線，膠粘劑紅外曲線在2 280～2 260 cm-1處出現—NCO振動引起的細微波動。這說明在分散制粉時，殘余的—NCO 基團發生了進一步聚合，完全參與了反應。

2.4 其他基礎性能測試

由于本試驗制備的聚氨酯粉末膠粘劑主要用于體育塑膠跑道，因此對其基礎性能也有一定的要求。參照GB 36246—2018 標準對膠粘劑基礎性能進行表征，結果見表5。

由表5可知，聚氨酯粉末膠粘劑拉伸強度為7.2 MPa，撕裂強度為11.8 MPa，斷裂伸長率為110%，硬度為50 HA，回彈率為38%，各項指標均滿足GB 36246—2018 標準要求，可以在體育塑膠跑道發揮作用。

3 結語

（1）預聚體軟段和硬段質量比為3.0∶1時，預聚體表現出良好的分散性;

（2）當R值為1.17時，制備的聚氨酯粉末膠粘劑施膠溫度為85 ℃，初期剝離強度為70.4 N/cm，后期剝離強度為124 N/cm，滿足體育塑膠跑道剝離強度30～40 N/cm的要求;

（3）選擇納米級聚氟化乙烯丙烯分散液時，聚氨酯預聚體產生大量的白色細顆粒，且顆粒間不互相粘結，分散效果良好;

（4）經過三乙醇胺中和處理后的聚氨酯膠粘劑施膠溫度明顯降低，剝離強度明顯增加，熱穩定性也得到了明顯提升;

（5）紅外光譜中可觀察到—NCO 基團的特征吸收峰。表明在分散制粉時，殘余的—NCO 基團發生了進一步聚合，完全參與了反應;

（6）聚氨酯粉末膠粘劑拉伸強度為7.2 MPa，撕裂強度為11.8 MPa，斷裂伸長率為110%，硬度為50 HA，回彈率為38%，各項指標均滿足GB 36246—2018 標準要求，可以在體育塑膠跑道發揮作用。

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收稿日期：2023-10-15；修回日期：2024-01-12

作者簡介：倪德財（1983-），男，講師，研究方向：體育教育訓練學;E-mail：22106674@qq.com。

基金項目：2022年陜西省體育局常規課題（項目編號：2022057）。

引文格式：倪德財，閆鵬旗.塑膠跑道用聚氨酯粉末膠粘劑的配比優化及性能研究［J］.粘接，2024，51（3）：19-22.