一種運動場地施工用單組分粘合劑性能表征及結果分析

摘 要：以單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯、聚醚多元醇、1，2?丙二醇、1，4?丁二醇、雙嗎啉基二乙基醚為原料制備了體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑，并對其粘接性能進行了測試表征。結果發現，隨著異氰酸酯基含量增加，單組分聚氨酯粘合劑粘度逐漸降低，初粘強度逐漸縮小，終粘強度先增大后減小，拉伸強度逐漸增大，斷裂伸長率先上升后極速下降；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預聚體按照質量比6∶4均勻混合制備而成粘合劑粘度較小，固化時間適度，粘接強度較好，整體性能優異。

關鍵詞：塑膠跑道；單組分；聚氨酯；粘合劑；粘接性能

中圖分類號：TQ433.4+32" " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " "文章編號：1001-5922（2024）07-0046-04

Performance characterization and result analysis

of a one-component adhesive for sports field construction

ZHAO Shuyun

（Xi’an University of Posts and Telecommunications，Xi’an 710100，China）

Abstract： A single component polyurethane adhesive for sports venue construction were prepared using" aliphatic diphenylmethane diisocyanate， polyether polyol， 1，2?propanediol， 1，4?butanediol， and bimorpholinyl diethyl ether as raw materials， and their bonding properties were tested and characterized." The results showed that as the content of isocyanate groups increased， the viscosity of the single component polyurethane adhesive gradually decreased， the initial adhesive strength gradually decreased， the final adhesive strength first increased and then decreased， the tensile strength gradually increased， and the fracture elongation first increased and then rapidly decreased. The polyurethane prepolymer made from polyether polyol N220 system+isocyanate group+1，4?butanediol and the polyurethane prepolymer made from polyether polyol N330 system+isocyanate group+1，2?propanediol were uniformly mixed in a mass ratio of 6∶4 to form an adhesive with low viscosity， moderate curing time， good bonding strength， and excellent overall performance.

Key words：" plastic track；one?component；polyurethane；adhesive；adhesive performance

聚氨酯粘合劑擁有非常強的極性與化學性質異常活潑的異氰酸酯基、氨酯基，對多孔材料、玻璃、橡膠、金屬等皆擁有較好粘附性。而聚氨酯內部氨酯基間的氫鍵作用可增強內聚力，提高粘合牢固性［1］。單組分聚氨酯粘合劑中的高反應性異氰酸酯基團、固化物結構內氨基甲酸酯基團與橡膠、金屬等含活性氫的材料之間擁有良好化學粘接性能，目前已普遍應用于體育運動領域［2?3］。而且由于聚氨酯完全固化之后彈性良好，可賦予塑料跑道等體育運動場地充足彈性，從而確保運動舒適性與抗震性［4］

。其中聚氨酯粘合劑以其優異機械性能、耐酸堿性、與基材良好粘合性得以脫穎而出，其是分子鏈內富含氨基甲酸酯基團或者異氰酸酯基團的粘合劑［5］。而單組分聚氨酯粘合劑對水泥與瀝青具備良好粘著性，適用于體育場館、場地鋪設，是保障體育運動場地綜合性能的關鍵要素之一［6?7］。據此，制備了體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑，并對其粘接性能進行了測試分析。

1" "試驗部分

1.1" "原料與儀器

體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑制備用原料主要包括，單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯，濟南弘耀化工有限公司；聚醚多元醇N220、聚醚多元醇N330，湖北成豐化工有限公司；1，2?丙二醇，無錫市晶科化工有限公司；1，4?丁二醇，濟南鑫超瑞化工有限公司；雙嗎啉基二乙基醚，山東林冠精細化工有限公司。

體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑制備用儀器主要包括，黏度計（DV2T），廣東東南科創科技有限公司；萬能試驗機（STM-5），斯特瑪（上海）實業有限公司；硬度計（LX-A），揚州市源峰檢測設備有限公司。

1.2" "試樣制備

1.2.1" "單組分聚氨酯粘合劑制備

將聚醚多元醇放置于四口燒瓶內，以100～120 ℃溫度環境真空脫水處理120～180 min，干燥至含水量小于0.05%，再冷卻至50 ℃溫度狀態下摻入單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯，合理控制異氰酸酯指數為3.5，在65 ℃溫度下持續反應60 min，添加小分子二醇繼續反應120 min，溫度下降至室溫狀態，以二正丁胺-甲苯法對異氰酸酯基進行測試低于質量分數8%時，再添加既定比例雙嗎啉基二乙基醚并在50 ℃溫度狀態下保溫攪拌240 min，然后抽出真空出料，以此生成單組分聚氨酯粘合劑試樣，密封保存待用［8?10］。

1.2.2" "單組分粘合劑制塑膠跑道制備

按照質量比1∶6、1∶8、1∶10將單組分聚氨酯粘合劑與三元乙丙橡膠顆粒（粒徑2～4 mm）進行混合并攪拌均勻，然后倒置于330 mm×430 mm×10 mm、330 mm×430 mm×12 mm尺寸型號的模具內，拍實并確保厚度均勻適中，試樣厚度為10、11、12 mm，室溫狀態下靜置1 d，脫膜之后放置于60 ℃溫度與60%相對濕度環境下，加速固化1 d，由此生成單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣。

單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣面層噴涂。以質量比1∶2均勻混合DPSJ-01紅色粘稠液體與單組分聚氨酯粘合劑，然后噴涂于單組分粘合劑制塑膠跑道底層試樣，厚度約3 mm，試樣整體厚度為13、14、15 mm，室溫狀態下靜置固化1 d，脫膜之后放置于60 ℃溫度與60%相對濕度環境下，加速固化1 d，由此生成單組分粘合劑制塑膠跑道試樣［11?12］。

1.3" "性能表征

利用黏度計測試體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑黏度與粘接強度；以室溫環境下將粘合劑均勻涂抹于不銹鋼板材以測試體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑完全固化所需時間；按照GB/T 528—2009標準，利用萬能拉力機測試體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑拉伸強度與斷裂伸長率［13］；按照GB/T 531—2008標準，利用硬度計測試體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑硬度。

2" "結果與分析

2.1" "基于異氰酸酯基含量的體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

2.1.1" "基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑粘" "接強度

基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑粘接強度測試結果具體如表1所示。

由表1可知，預聚體內異氰酸酯基質量分數為1.5%時，單組分聚氨酯粘合劑黏度最大，且隨著異氰酸酯基質量分數增加，單組分聚氨酯粘合劑黏度呈現為逐漸降低態勢，這可能是由于單組分脂肪族二苯基甲烷二異氰酸酯過量反而會導致預聚體相對分子質量變小，致使粘合劑黏度降低［14?15］；隨異氰酸酯基質量分數增加，單組分聚氨酯粘合劑初粘強度呈現為逐漸縮小狀態，以分子間作用力發揮主體性作用，與聚氨酯分子內部結構、多元醇的結晶性息息相關［16］；隨異氰酸酯基質量分數增加，單組分聚氨酯粘合劑終粘強度呈現為先增大后減小狀態，這可能是由于異氰酸酯基質量分數為0%～3%時，合成與固化生成的氨基甲酸酯基與脲基隨異氰酸酯基質量分數增加而變多，而粘接強度越大；異氰酸酯基質量分數超過3%時，粘接強度反而降低，限制了聚合物鏈段活動與擴散，導致粘合力降低，粘接強度迅速降低［17］。由此可見，選擇適量異氰酸酯基才可有效提高單組分聚氨酯粘合劑粘接性能。

2.1.2" "基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑力"學性能

基于異氰酸酯基含量的單組分聚氨酯粘合劑力學性能測試結果具體如表2所示。

由表2可知，隨著異氰酸酯基質量分數提高，單組分聚氨酯粘合劑拉伸強度逐漸增大，而斷裂伸長率呈現為先上升后極速下降的態勢。這可能是由于軟段分子量增加促使鏈段運動更加容易，分子更易于調整結構以分散局部較強應力，粘合劑不易斷裂破壞；而異氰酸酯基含量過高會致使密集脲基與化學-物理交聯網絡，局限分子鏈段運動，使得斷裂伸長率降低［18］。

2.2" "基于小分子二元醇的體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

將聚醚多元醇N220與N330分別摻入同物質量的1，2?丙二醇與1，4?丁二醇中，以測試基于小分子二元醇的體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑的粘接性能，結果具體如表3所示。

由表3可知，聚醚多元醇N220體系單組分聚氨酯粘合劑中分別摻入同物質量1，2?丙二醇與1，4?丁二醇后，對粘合劑的黏度與固化時間影響不顯著，但對粘合劑的粘接強度影響較明顯，這可能因1，4?丁二醇線性對稱結構促合成聚氨酯硬段分子鏈更規整，且結晶度更高，分離度更大，粘接強度則隨之變大；聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑中分別摻入同物質量1，2?丙二醇與1，4?丁二醇后，對粘合劑的粘接強度影響不顯著，但對粘合劑的黏度與固化時間影響較明顯。這表明1，4?丁二醇不利于聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑固化與施膠；聚醚多元醇N330體系單組分聚氨酯粘合劑固化速率明顯高于聚醚多元醇N220體系粘合劑；但聚醚多元醇N220體系+1，4?丁二醇單組分聚氨酯粘合劑的黏度適宜且粘接強度最優［19］。

2.3" "基于不同預聚體比例的體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能

將基于聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預聚體按照既定比例均勻混合，以生成新預聚體，再根據單組分聚氨酯粘合劑試樣制備流程摻入雙嗎啉基二乙基醚制成聚氨酯粘合劑。基于不同預聚體比例的體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑粘接性能具體如表4所示。

由表4可知，隨著聚醚多元醇質量比縮小（聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預聚體增加），單組分聚氨酯粘合劑黏度整體變化顯著，固化速率加快，粘接強度下降；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預聚體按照聚醚多元醇N220體系與聚醚多元醇N330體系質量比6∶4均勻混合時所制備而成聚氨酯粘合劑黏度較小，固化時間適度，粘接強度較好，整體性能優異。

2.4" "基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道力學性能

基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道力學性能具體如表5所示。

由表5可知，基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道與GB/T 36246—2018標準要求［20］的力學性能相符，表明其綜合性能表現良好，可投入生產使用。

3" "結語

體育運動場地施工用單組分聚氨酯粘合劑基于聚合物內異氰酸酯基與大氣內水分或者粘接基材內活潑氫原子之間反應以實現粘接，固化之后粘接強度與黏度較好。隨著異氰酸酯基含量增加，單組分聚氨酯粘合劑黏度呈現為逐漸降低態勢，初粘強度呈現為逐漸縮小狀態，終粘強度呈現為先增大后減小狀態，由此可見選擇適量異氰酸酯基才可有效提高單組分聚氨酯粘合劑粘接性能；隨著異氰酸酯基含量提高，單組分聚氨酯粘合劑拉伸強度逐漸增大，而斷裂伸長率呈現為先上升后極速下降的態勢；聚醚多元醇N220體系+異氰酸酯基+1，4?丁二醇制成的聚氨酯預聚體與聚醚多元醇N330體系+異氰酸酯基+1，2?丙二醇制成的聚氨酯預聚體按照質量比6∶4均勻混合時所制備而成聚氨酯粘合劑黏度較小，固化時間適度，粘接強度較好，整體性能優異。基于單組分聚氨酯粘合劑的塑膠跑道綜合性能表現良好，可投入生產使用。

【參考文獻】

［1］" " 李海柱，趙峰俊.分子結構對單組分聚氨酯膠粘劑性能的影響［C］//濟南市科學技術協會第六屆學術年會論文集.濟南：［出版者不詳］，2013.

［2］" " 陸波，徐洲彤，石熠.單組分封閉型聚氨酯膠粘劑的制備及性能［J］.聚氨酯工業，2020，35（6）：19?21.

［3］" " 李娟，邱文武.一種單組分聚氨酯膠粘劑的研制［J］.山東化工，2013，42（5）：18?19.

［4］" " 鐘科，王雪，張勐，等.單組分聚氨酯固化規律及粘接特性研究［J］.鄭州大學學報（工學版），2021，42（6）：80?84.

［5］" " 李國遵，高之香，李士學，等.聚氨酯膠粘劑的研究進展、合成、改性與應用［J］.粘接，2019，40（5）：177?180.

［6］" " 寶力科技（寧國）有限公司.一種塑膠跑道用單組分聚氨酯膠粘劑及其制備方法：CN201711046728.8［P］.2020?08?25.

［7］" " 屈濤.體育器械用復合材料的界面粘接性能研究［J］.化學與粘合，2021，43（2）：124?128.

［8］" " 姚衛琴，石紅翠，張博，等.KH-550改性單組分濕固化聚氨酯膠粘劑的性能研究［J］.聚氨酯工業，2020，35（5）：9?11.

［9］" " 姚衛琴，張博，石紅翠，等.無溶劑單組分濕固化聚氨酯膠粘劑的合成［J］.聚氨酯工業，2019，34（1）：13?15.

［10］" " 上海漢司實業有限公司.一種單組分聚氨酯膠粘劑及" 其制備方法：CN202310016059.9［P］.2023?04?25.

［11］" " 梁玲，王樹東，孫清峰，等.單組分聚氨酯膠的制備及" 透氣型跑道力學性能分析［J］.聚氨酯工業，2021，36（1）：" 45?48.

［12］" " 董永兵，王剛，周艷明，等.磷酸酯改性水性聚氨" 酯膠粘劑的制備及表征［J］.中國皮革. 2021，50（4）：45?49.

［13］" " 張探，張洋，潘恒，等.雙酚A型單組分聚氨酯膠粘劑" 的制備與性能研究［J］.粘接，2015，36（7）：41?44.

［14］" " 高立俊.單組分濕固化聚氨酯膠粘劑的合成、改性及" 性能研究［D］.廣州：廣東工業大學，2013.

［15］" " 丁威.單組分聚氨酯膠粘劑的制備研究［D］.長春：" 長春工業大學，2017.

［16］" " 郭仲前.亞微米有機功能微球改性制備無溶劑單組分" 聚氨酯膠粘劑［D］.北京：北京化工大學，2018.

［17］" " 劉玉.溫度對單組分聚氨酯膠粘劑接頭強度的影響研" 究［J］.粘接，2017（11）：44?48.

［18］" " 段偉.乒乓球鞋用無溶劑聚氨酯合成革性能分析［J］." 中國皮革. 2022，51（8）：101?105。

［19］" " 谷金，范兆榮.單組分聚氨酯乳液膠粘劑的制備與性" 能研究［J］.廣州化工，2022，50（5）：101?104.

［20］" " 丁衛國.原料對塑膠跑道用單組分聚氨酯膠粘劑性能" 的影響［J］.聚氨酯工業，2014（2）：37?39.