我国聚氨酯合成材料运动场地面层的发展和现状

刘厚钧 孙清峰 陈海良

（1.山西省化工研究所（有限公司） 山西综改示范区 030032）

（2.山东一诺威聚氨酯股份有限公司 山东淄博 255000）

聚氨酯材料最初在德国开始发展，1937年德国Bayer博士用多异氰酸酯和多元醇反应，先后合成了聚氨酯纤维和聚氨酯橡胶。1961年美国3M公司铺设了200 m世界首条用于赛马场地的聚氨酯跑道，1963年铺设了首条用于田径训练比赛的聚氨酯跑道，1968年该公司正式以品牌“塔当”（Tatan）聚氨酯在墨西哥首都墨西哥城铺设聚氨酯跑道，用于19届国际奥林匹克运动会田径比赛场地。新的全天候聚氨酯跑道干净美观，行走舒适，不易摔伤。运动员好评如潮，国际奥委会赞誉有加。从此以后，聚氨酯跑道成为国际田径比赛的必备设施。

1 我国聚氨酯合成材料面层发展历程

1972年我国在北京工人体育场铺设第一条100 m聚氨酯跑道[1]，开始使用效果不错，但因选用了聚酯多元醇作为主要原料，不耐霉菌且易被降解，几个月后即不能再使用。1975年保定合成橡胶厂在山西省化工研究所参与下，在广西南宁体育馆场地试铺了一条以聚醚多元醇、甲苯二异氰酸酯（TDI）和 3，3′-二氯-4，4′-二苯基甲烷二胺（MOCA）为基本原料的聚氨酯跑道。跑道的耐霉菌、耐水和耐低温性能优异，使用效果很好。1979年保定合成橡胶厂在北京工人体育场铺设了我国首条正规的聚氨酯跑道，用于训练比赛。

现在，聚氨酯运动场地的应用领域已由初期的聚氨酯跑道扩展到球类和健身休闲场地，可统称合成材料运动场地面层。按适用范围分为田径运动场地面层、球类运动场地面层和多功能运动场地面层，按施工方式可分为现浇型和预制型。现浇型又可分为渗水型和非渗水型，其中非渗水型又有全塑型、混合型和复合型之分；预制型可分为卷材和板材。另外，合成材料运动场地地基的类型主要为沥青基础和水泥基础，基础施工完毕后，一般需要晾晒28 d以上方可进行合成材料面层的铺设。

2020年我国聚氨酯年产量约1 200万t，占全球产量的一半以上，其中弹性体约140万t，用于铺装材料的聚氨酯弹性体年产量约25万～30万t。聚氨酯铺装材料生产厂家主要有山东一诺威聚氨酯股份有限公司、江门市长河化工实业集团有限公司、广州大洋元亨化工有限公司、广州杰锐体育设施有限公司等。其中山东一诺威的年产量约3.5万～4万t。

2 技术进展

我国在聚氨酯跑道研制初期，聚醚多元醇和多异氰酸酯生产技术落后，品种少、质量差、产量小，助剂种类也不多，各厂家配方大同小异。另外，跑道施工时需要加入大量稀释剂，现场气味大，不环保。20世纪90年代，随着我国引进多套大型聚醚和多异氰酸酯生产装置，生产跑道的原料产品规格多、质量好。改进后的聚醚多元醇不饱和度低，分子量分布窄，为聚氨酯跑道等铺装材料的改进创新创造了有利条件。

2.1 固化剂、预聚物组分改进

最早的聚氨酯跑道固化剂（乙组分）是单一的MOCA，需要用大量溶剂等液体进行溶解。之后，研究人员用聚醚多元醇替代部分MOCA，组成醇胺混合固化剂。为确保制品的物性不降低，可适当提高预聚物（甲组分）中多异氰酸酯比例，做成半预聚物。甲乙组分质量比可调配成1∶3，乙组分占比可以更多。另外，乙组分用量增加，与三元乙丙橡胶（EPDM）等材质的颗粒也易混合均匀。

2.2 预聚物原料环保性升级

最初塑胶跑道制品原料中使用TDI，气味大，现在基本实现了用MDI代替[2]。新MDI体系气味低，成品物性更优异，但起初因MDI预聚体黏度大，操作性差，不易摊铺。之后通过配方及助剂的改进，操作性能有较大程度缓解，可实现正常施工。

2.3 跑道颗粒环保性升级

在聚氨酯跑道铺装行业，用EPDM颗粒替代废轮胎颗粒也是一大进步。由于废橡胶颗粒含苯并芘和多环芳烃等致癌物，2000年前后已逐步被EPDM颗粒替代。EPDM颗粒耐臭氧、耐紫外线、耐水、耐菌、耐酸碱腐蚀，全天侯耐老化性能优异，而且力学性能和高低温性能也很好。该材料密度低（生胶密度可低至0.87 g/cm3），工艺上可多加填料，降低成本。但EPDM颗粒与胶料的互粘性不好，可通过在聚氨酯中引入极性链段或支链等方法解决。

2.4 合成材料面层类型日趋丰富

早先聚氨酯跑道施工时，场地为非渗水型，在聚氨酯基本固化之前忌讳有水存在，因为NCO基团和水反应生成二氧化碳气体，胶层易出现鼓泡，影响成品质量。后来通过配方改进，可用水扩链固化，EPDM颗粒与聚氨酯粘合剂质量比增加至（5～8）∶1，形成渗水透气型橡胶跑道或渗水EPDM球场。这使得塑胶面层材料气味小，施工简便，成本低，可广泛用于中小学、幼儿园、社区运动健身等场所的铺设，特别适用于南方等高湿地区。

2.5 施工方式创新及进步

随着技术进步，跑道施工方法进一步创新。橡胶跑道面层施工最初方法是先刮涂一层双组分聚氨酯浆料，随即撒布橡胶颗粒，待完全固化定型后扫去未粘结的颗粒。技术发展到后来，多采用在其上面再喷涂一层聚氨酯浆料，使橡胶颗粒不易脱落。目前普遍使用喷涂机将掺混了橡胶颗粒的聚氨酯喷面材料直接喷涂，面层一次成型，大大简化了操作。近几年新出现的自结纹喷面材料，因添加合适的流变剂，产品触变性好，可实现无颗粒、无溶剂喷涂；且表面可形成凹凸花纹，更显美观。该方法可用于非渗水型橡胶跑道面层施工。

2.6 助剂选择

增塑剂邻苯二甲酸二辛酯（DOP）的增塑性能和贮存稳定性好，黏度适中，为塑料行业所青睐。但DOP有潜在的致癌风险，并影响人体荷尔蒙，已被中长链氯化石蜡和氯代棕榈油取代。后者不易挥发而且阻燃，可使橡胶跑道的阻燃效果达到一级国标要求，一举两得。

聚氨酯合成材料面层扩链固化反应需要用催化剂来调节。前期普遍釆用异辛酸铅作催化剂，效果好，价格低；但铅是重金属，毒性较大，新国标规定成品中游离铅含量不能超过50 mg/kg。目前市场常用环保型催化剂有机铋或其复合催化剂替代有机铅，但其价格昂贵，催化效果不如有机铅类催化剂，还需要继续进行相关产品的开发。

聚氨酯合成材料面层中除催化剂之外，还要添加抗氧剂、紫外线吸收剂、消泡剂、着色剂和填料等多种添加剂。各厂家釆用的品种大同小异，也有不少改进，在此不多介绍。

3 聚氨酯合成材料面层国家标准解读

聚氨酯运动场地铺装材料不仅含聚氨酯，还包括EPDM等材质的颗粒、丙烯酸酯材料等，新的国家标准中的名称采用“合成材料面层”来代替“聚氨酯塑胶跑道”。1993年我国颁布了首个以聚氨酯为主要材料的混合型塑胶跑道国家标准GB/T 14833—93«塑胶跑道»[3]。该标准共 6项指标。2005年国标委颁布了«中小学体育器材和场地标准»。其中第11部分«合成材料面层运动场地»子标准GB/T 19851.11—2005[4]规定了合成材料面层的技术要求、质量标准及检测方法。2011年国标委又颁布了国家标准GB/T 14833—2011«合成材料跑道面层»[5]。

以上3个标准中对材料拉伸强度及伸长率的要求都降低了，具体见表1。

表1 不同标准中材料拉伸强度及伸长率对比

2014～2016年期间，由于国内体育场地铺装市场旺盛，加之监管不力，出现了低价竞标、无序竞争的局面。少数厂家为了降低成本，使用了一些不合格溶剂和废橡胶颗粒等原材料，导致出现“异味操场”和“问题跑道”。国家相关部门除强制立即铲除“问题跑道”外，2018年发布了更加严格的国家标准GB 36246—2018«中小学合成材料面层运动场地»[6]，以替代2005年颁布的国标（GB/T 19851.11—2005）。其中物理机械性能检测项目及要求应符合标准中5.3.1表2规定、成品有害物质限量及气味要求应符合标准中5.6.1表4规定。新标准完善了原标准内容，明确了合成材料面层中18种有害物质的限量，增加了气味等级要求，对非固体原料中12种有害物质进行限量，固体原料中7种有害物质也进行了补充规定，为我国广大中小学生提供了一个安全可靠的运动环境。新标准中合成材料面层的物性基本参照了欧盟标准«户外合成材料运动场地技术要求»（EN 14877—2013）[7]，并规定合成材料无机填料含量应不高于65%，面层颗粒含胶量不低于20%，有效地保证场地使用年限。GB 36246—2018规定了面层成品中短链（C10～C13）氯化石蜡、总挥发性有机化合物（TVOC）、气味等级等部分指标及要求，部分指标见表2。

表2 GB 36246固化物中部分有害物质限量及气味要求

为了进一步完善原有国标的不足，由中石化和化学工业联合会提出，以山东一诺威聚氨酯股份有限公司和国正检验认证公司等14家企业、检测机构为主起草单位，于2020年3月颁布了新国家标准GB/T 14833—2020«合成材料运动场地面层»[8]。该标准成品中有害物质限量及气味等级同GB 36246—2018标准，物性指标按适用范围，分别以田径运动场地面层、球类运动场地面层、多功能运动场地面层3种类型进行规范，针对性更强。如面层厚度分别≥13 mm、≥9 mm和≥7 mm，对比 GB 36246—2018，田径运动场地垂直变形上限由3 mm降低至2.5 mm，非渗水型产品伸长率由40%提高至50%，篮球、排球、羽毛球场地面类，增加球反弹性、摩擦系数指标，实用性更强；机械性能指标更高，充分保证场地的使用年限。对比国标 GB 36246—2018和GB/T 14833—2020后发现，在球类场地面层上的物性指标变动最大，见表3。

表3 两新国标球类场地面层物性指标对比

由表3可知，合成材料运动场地面层国家标准代表了不同时期国内产品的水平，指标在不断改进完善中。只要生产厂家采用合格的原材料，选择合适的配方和工艺，制品完全可以满足现行标准。

关于聚氨酯跑道使用年限，国标中没有明确规定。最初预估5年问题不大，40多年来大量铺设使用表明，使用寿命都超出预期。现在生产厂家承诺的使用期多为5～10年（视不同类型而定），但多年使用中难免有损坏，可以釆用类似沥青路面的修补方法，用原合成面层材料及工艺修补即可。

4 结语

近几年，国家的产业政策给整个行业带来了大的发展机遇。«国务院关于加快发展体育事业促进体育消费的若干意见»和«“健康中国2030”规划纲要»发布，为聚氨酯合成材料面层运动场地的发展带来了前所未有的机遇。到2025年，我国体育产业总规模将超过5万亿元。到2030年，经常参加体育锻炼的人数达到5.3亿，预计大型体育场馆数将达到2 500座以上，体育设施铺装市场前景将越来越广阔。