基于偶聯劑改性鈦酸鉀晶須的聚氨酯田徑跑道面層復合材料研究

趙 陽

(陜西國際商貿學院,陜西西安712046)

現階段，田徑場地鋪設工作中常使用的是聚氨酯跑道鋪面材料，其兼具防滑、彈性優良、穩定性好等多重特點，因此是田徑場地工程中較為可行的應用材料。

鈦酸鉀晶須(PTW)具有規則的外形，長徑比相對較高，部分情況下可達到1000，由于該材料具備較好的半導體導電性，因此是改善復合材料性能的重要摻入劑，可起到補強、提升抗靜電改性等多重效果。本文則將PTW作為補強增韌劑，對該材料采取表面改性處理措施，聚合物基體選擇普通聚氨酯鋪面材料，分析制得的聚氨酯田徑跑道面層材料的性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

甲苯二異氰酸酯(TDI)，試劑級；聚醚多元醇3050(Mn=3000，f=3)，工業級；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯甲烷(MOCA)，工業級；氧化鐵紅，工業級;白炭黑，工業級；滑石粉，工業級；氯化石蠟，工業級；二月桂酸二丁基錫，分析純；無水乙醇，分析純；硅烷偶聯劑(KH550)、鈦酸酯偶聯劑(NDZ-201)，工業級；硬脂酸，分析純；六鈦酸鉀晶須(TP-W-P1，L/D=5)。

1.2 材料制備

1.2.1 晶須表面改性

選取適量的偶聯劑，轉移至100g無水乙醇中實現溶解，精確稱量10g的TP-W-P1，將其添加后再超聲分散處理1h。此后，將其轉移至離心分離機中，設備維持2000r/min的轉速狀態，進行30min的分離處理，將上部清液去除，使用無水乙醇多次清洗（根據實際情況確定，通常為3次），轉移至自然環境下使其晾干，再使用80℃恒溫烘箱持續處理2h，最終得到改性PTW。

1.2.2 甲組分制備

選擇三口燒瓶（內部設置攪拌器、控溫儀和真空接口），將稱量好的聚醚多元醇摻入，在100℃～120℃的溫度環境中不斷的抽真空脫水，約1h～2h后檢測水的質量分數，水分控制在0.05%內并且溫度下降至80℃時，即可摻入適量的TDI，適當降低反應溫度，使其在(80±2)℃的環境中保持1.5h～2h，經充分反應并且無氣泡產生時，可獲得甲組分。

1.2.3 乙組分制備

按表1配方，將各原材料充分混合，倒入三輥研磨機處理，若細度≤50μm并且不再產生氣泡時即可，最終得到乙組分。

表1 乙組分基本配方Table 1 Basic formula of component B

1.2.4 樣片制作與性能測試

R值設定為1.2，選取上述制得的甲、乙組分，經過充分混合后再抽真空處理，滿足不產生氣泡的條件時則倒入模具內（要求在試驗前涂上脫模劑），在常溫常壓環境下固化，產生的試樣靜置14d，此后進行性能測試，檢驗材料在拉伸強度、扯斷伸長率及老化后拉伸強度的具體情況。

2 結果分析

2.1 各類偶聯劑對聚氨酯鋪面材料性能的影響

PTW的尺寸偏小，同時具有較高的表面活性，在樹脂基體中表現為難分散的特點，為提升其性能，較為可行的是對表面進行處理，材料以偶聯劑為主。本次試驗中，選擇的是硅烷偶聯劑(KH-550)、硬脂酸和鈦酸酯偶聯劑(NDZ-201)，各類原料的用量保持一致，均為PTW的3%，分析各材料所帶來的應用效果，具體見表2。

表2 偶聯劑種類對 PTW 增強聚氨酯性能的影響Table 2 The effect of type of coupling agent to PTW reinforced polyurethane

根據表2可知，使用PTW后，在其作用下聚氨酯鋪面材料表現出力學性能提升的特點，若使用偶聯劑表面處理的PTW，實際效果更為顯著，主要原因在于偶聯劑能夠良好的裹覆PTW，發揮出橋梁的作用，可連接PTW與聚氨酯基體，荷載可有效傳遞至PTW，此過程中存在范德華力與化學鍵，通過此方式可在PTW與聚氨酯基體間構成界面，該處的強度也較為良好[1]。在該界面區域的作用下，可發揮出傳導作用，將聚氨酯所承受的荷載完整傳至PTW，最終達到提升鋪面材料強度的效果。三種材料用于表面處理后，通過對復合材料的性能試驗得知，各自在扯斷伸長率上大體相同，但拉伸強度則發生較大的變化，以KH-550最為良好，排在末位的是硬脂酸。經過一系列后期試驗后，最終確定表面改性劑的類型，即KH-550。

2.2 晶須含量對聚氨酯鋪面材料性能的影響

以PTW質量為準，使用的KH-550用量為該值的3%，實現對PTW表面的改性處理。此后，將獲得的PTW以多種配比分別置于聚氨酯體系內，由此分析PTW增強聚氨酯鋪面材料的性能，根據所得結果繪制圖形，具體如圖1所示。

圖1 改性PTW不同比例對聚氨酯鋪面材料力學性能的影響Fig.1 Effect of different proportion of modified PTW on mechanical properties of polyurethane pavement

根據圖1可知，由于摻入了改性PTW，大幅改善了聚氨酯鋪面材料性能，使其具備較強的拉伸強度與扯斷伸長率。不同摻入比例的影響結果有所不同，改性PTW的質量分數為2.5%時，處理所得的復合材料具備最為優良的力學性能，由未采取任何改進措施時的0.9MPa大幅提升至2.9MPa，并且也改變了扯斷伸長率，由原本的107%上升至340%；若PTW質量分數超過2.5%，則會出現力學性能不斷下降的情況。隨PTW用量不斷增加復合材料的力學性能變化趨勢為先增后降，這一現象的出現主要與PTW阻礙裂紋擴展等因素有關。若PTW質量分數在2.5%以內，則有效避免裂紋擴展，并且改性PTW與聚氨酯基體間將產生界面效應，在其作用下可改善荷載傳遞不良的問題，聚氨酯獲得荷載后，則會有效地傳遞至改性PTW，由于該材料的強度性能更為優良，因此復合材料在力學性能方面得到較明顯的改善[2]。若改性PTW質量分數提升至2.5%以上的水平，因應力集中的存在將表現出極為明顯的破壞效應，致使PTW的分散效果下降，在聚氨酯基體中出現分布不均的情況，不利于改性PTW與聚氨酯基體的接觸，伴隨較明顯的團聚現象，在此影響下將引發復合材料內部缺陷問題，整體力學性能不良。

2.3 復合材料耐久性能

上文主要圍繞改性PTW增強PU展開分析，為探討該材料與普通聚氨酯跑道面層材料（即普通PU）在力學性能指標上的差異，此處以照射持續時間為變量，對比兩類材料在拉伸強度與扯斷伸長率兩項指標上的實際情況，結果見表3。

表3 不同照射時間對 PU跑道面層復合材料性能的影響Table 3 Effect of different irradiation time on properties of polyurethane runway surface composite

由表3可知，因照射時間的增加，兩種復合材料均表現出一定程度的性能下降現象，不同于普通PU的是，改性PTW增強PU雖然性能有所下降，但幅度偏小[3]。從導致這一現象的成因來看，與紫外線照射有關，在其作用下將使得聚氨酯分子斷鏈，隨之表現出性能下降的現象，而使用改性PTW后，不僅可以減緩紫外線照射強度，由于晶須的存在還具有補強的效果，可避免性能大幅度下降。

2.4 復合層材料性能評價

綜合對比兩類復合材料，具體的性能情況以及檢驗標準和要求見表4。

由表4可知，不同于普通PU材料的是，改性PTW增強PU材料的綜合性能更為優良，其中拉伸強度由1.0MPa大幅提升至2.9MPa，并具有較好的扯斷伸長率，即由原本的126%提升至340%，兩項力學性能指標都遠超現階段田徑場地的相關規定要求。

表4 改性 PTW 增強聚氨酯與普通聚氨酯性能對比Table 4 performance comparison between modified PTW reinforced polyurethane and ordinary polyurethane

3 結語

(1)PTW若未經過表面處理，將其用于聚氨酯材料中對性能提升不大。通過偶聯劑改性PTW，復合材料力學性能大幅提升，以KH-550的應用效果最為良好，NDZ-201次之，排于末位的是硬脂酸。若使用KH-550，此時改性PTW質量分數應控制在2.5%水平，復合材料的性能最為良好，無論拉伸強度還是扯斷伸長率都與行業要求相符。

(2)通過耐久性能試驗得知，因照射時間的延長，受紫外線的影響將出現復合材料性能下降的現象，但摻入晶須的材料下降幅度相對更小。