一种运动场地施工用单组分粘合剂性能表征及结果分析

摘 要：以单组分脂肪族二苯基甲烷二异氰酸酯、聚醚多元醇、1，2⁃丙二醇、1，4⁃丁二醇、双吗啉基二乙基醚为原料制备了体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂，并对其粘接性能进行了测试表征。结果发现，随着异氰酸酯基含量增加，单组分聚氨酯粘合剂粘度逐渐降低，初粘强度逐渐缩小，终粘强度先增大后减小，拉伸强度逐渐增大，断裂伸长率先上升后极速下降；聚醚多元醇N220体系+异氰酸酯基+1，4⁃丁二醇制成的聚氨酯预聚体与聚醚多元醇N330体系+异氰酸酯基+1，2⁃丙二醇制成的聚氨酯预聚体按照质量比6∶4均匀混合制备而成粘合剂粘度较小，固化时间适度，粘接强度较好，整体性能优异。

关键词：塑胶跑道；单组分；聚氨酯；粘合剂；粘接性能

中图分类号：TQ433.4+32" " " " " " " " " " " " "文献标识码：A" " " " " " " " " " " " "文章编号：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

聚氨酯粘合剂拥有非常强的极性与化学性质异常活泼的异氰酸酯基、氨酯基，对多孔材料、玻璃、橡胶、金属等皆拥有较好粘附性。而聚氨酯内部氨酯基间的氢键作用可增强内聚力，提高粘合牢固性［1］。单组分聚氨酯粘合剂中的高反应性异氰酸酯基团、固化物结构内氨基甲酸酯基团与橡胶、金属等含活性氢的材料之间拥有良好化学粘接性能，目前已普遍应用于体育运动领域［2⁃3］。而且由于聚氨酯完全固化之后弹性良好，可赋予塑料跑道等体育运动场地充足弹性，从而确保运动舒适性与抗震性［4］

。其中聚氨酯粘合剂以其优异机械性能、耐酸碱性、与基材良好粘合性得以脱颖而出，其是分子链内富含氨基甲酸酯基团或者异氰酸酯基团的粘合剂［5］。而单组分聚氨酯粘合剂对水泥与沥青具备良好粘着性，适用于体育场馆、场地铺设，是保障体育运动场地综合性能的关键要素之一［6⁃7］。据此，制备了体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂，并对其粘接性能进行了测试分析。

1" "试验部分

1.1" "原料与仪器

体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂制备用原料主要包括，单组分脂肪族二苯基甲烷二异氰酸酯，济南弘耀化工有限公司；聚醚多元醇N220、聚醚多元醇N330，湖北成丰化工有限公司；1，2⁃丙二醇，无锡市晶科化工有限公司；1，4⁃丁二醇，济南鑫超瑞化工有限公司；双吗啉基二乙基醚，山东林冠精细化工有限公司。

体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂制备用仪器主要包括，黏度计（DV2T），广东东南科创科技有限公司；万能试验机（STM-5），斯特玛（上海）实业有限公司；硬度计（LX-A），扬州市源峰检测设备有限公司。

1.2" "试样制备

1.2.1" "单组分聚氨酯粘合剂制备

将聚醚多元醇放置于四口烧瓶内，以100～120 ℃温度环境真空脱水处理120～180 min，干燥至含水量小于0.05%，再冷却至50 ℃温度状态下掺入单组分脂肪族二苯基甲烷二异氰酸酯，合理控制异氰酸酯指数为3.5，在65 ℃温度下持续反应60 min，添加小分子二醇继续反应120 min，温度下降至室温状态，以二正丁胺-甲苯法对异氰酸酯基进行测试低于质量分数8%时，再添加既定比例双吗啉基二乙基醚并在50 ℃温度状态下保温搅拌240 min，然后抽出真空出料，以此生成单组分聚氨酯粘合剂试样，密封保存待用［8⁃10］。

1.2.2" "单组分粘合剂制塑胶跑道制备

按照质量比1∶6、1∶8、1∶10将单组分聚氨酯粘合剂与三元乙丙橡胶颗粒（粒径2～4 mm）进行混合并搅拌均匀，然后倒置于330 mm×430 mm×10 mm、330 mm×430 mm×12 mm尺寸型号的模具内，拍实并确保厚度均匀适中，试样厚度为10、11、12 mm，室温状态下静置1 d，脱膜之后放置于60 ℃温度与60%相对湿度环境下，加速固化1 d，由此生成单组分粘合剂制塑胶跑道底层试样。

单组分粘合剂制塑胶跑道底层试样面层喷涂。以质量比1∶2均匀混合DPSJ-01红色粘稠液体与单组分聚氨酯粘合剂，然后喷涂于单组分粘合剂制塑胶跑道底层试样，厚度约3 mm，试样整体厚度为13、14、15 mm，室温状态下静置固化1 d，脱膜之后放置于60 ℃温度与60%相对湿度环境下，加速固化1 d，由此生成单组分粘合剂制塑胶跑道试样［11⁃12］。

1.3" "性能表征

利用黏度计测试体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂黏度与粘接强度；以室温环境下将粘合剂均匀涂抹于不锈钢板材以测试体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂完全固化所需时间；按照GB/T 528—2009标准，利用万能拉力机测试体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂拉伸强度与断裂伸长率［13］；按照GB/T 531—2008标准，利用硬度计测试体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂硬度。

2" "结果与分析

2.1" "基于异氰酸酯基含量的体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂粘接性能

2.1.1" "基于异氰酸酯基含量的单组分聚氨酯粘合剂粘" "接强度

基于异氰酸酯基含量的单组分聚氨酯粘合剂粘接强度测试结果具体如表1所示。

由表1可知，预聚体内异氰酸酯基质量分数为1.5%时，单组分聚氨酯粘合剂黏度最大，且随着异氰酸酯基质量分数增加，单组分聚氨酯粘合剂黏度呈现为逐渐降低态势，这可能是由于单组分脂肪族二苯基甲烷二异氰酸酯过量反而会导致预聚体相对分子质量变小，致使粘合剂黏度降低［14⁃15］；随异氰酸酯基质量分数增加，单组分聚氨酯粘合剂初粘强度呈现为逐渐缩小状态，以分子间作用力发挥主体性作用，与聚氨酯分子内部结构、多元醇的结晶性息息相关［16］；随异氰酸酯基质量分数增加，单组分聚氨酯粘合剂终粘强度呈现为先增大后减小状态，这可能是由于异氰酸酯基质量分数为0%～3%时，合成与固化生成的氨基甲酸酯基与脲基随异氰酸酯基质量分数增加而变多，而粘接强度越大；异氰酸酯基质量分数超过3%时，粘接强度反而降低，限制了聚合物链段活动与扩散，导致粘合力降低，粘接强度迅速降低［17］。由此可见，选择适量异氰酸酯基才可有效提高单组分聚氨酯粘合剂粘接性能。

2.1.2" "基于异氰酸酯基含量的单组分聚氨酯粘合剂力"学性能

基于异氰酸酯基含量的单组分聚氨酯粘合剂力学性能测试结果具体如表2所示。

由表2可知，随着异氰酸酯基质量分数提高，单组分聚氨酯粘合剂拉伸强度逐渐增大，而断裂伸长率呈现为先上升后极速下降的态势。这可能是由于软段分子量增加促使链段运动更加容易，分子更易于调整结构以分散局部较强应力，粘合剂不易断裂破坏；而异氰酸酯基含量过高会致使密集脲基与化学-物理交联网络，局限分子链段运动，使得断裂伸长率降低［18］。

2.2" "基于小分子二元醇的体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂粘接性能

将聚醚多元醇N220与N330分别掺入同物质量的1，2⁃丙二醇与1，4⁃丁二醇中，以测试基于小分子二元醇的体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂的粘接性能，结果具体如表3所示。

由表3可知，聚醚多元醇N220体系单组分聚氨酯粘合剂中分别掺入同物质量1，2⁃丙二醇与1，4⁃丁二醇后，对粘合剂的黏度与固化时间影响不显著，但对粘合剂的粘接强度影响较明显，这可能因1，4⁃丁二醇线性对称结构促合成聚氨酯硬段分子链更规整，且结晶度更高，分离度更大，粘接强度则随之变大；聚醚多元醇N330体系单组分聚氨酯粘合剂中分别掺入同物质量1，2⁃丙二醇与1，4⁃丁二醇后，对粘合剂的粘接强度影响不显著，但对粘合剂的黏度与固化时间影响较明显。这表明1，4⁃丁二醇不利于聚醚多元醇N330体系单组分聚氨酯粘合剂固化与施胶；聚醚多元醇N330体系单组分聚氨酯粘合剂固化速率明显高于聚醚多元醇N220体系粘合剂；但聚醚多元醇N220体系+1，4⁃丁二醇单组分聚氨酯粘合剂的黏度适宜且粘接强度最优［19］。

2.3" "基于不同预聚体比例的体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂粘接性能

将基于聚醚多元醇N220体系+异氰酸酯基+1，4⁃丁二醇制成的聚氨酯预聚体与聚醚多元醇N330体系+异氰酸酯基+1，2⁃丙二醇制成的聚氨酯预聚体按照既定比例均匀混合，以生成新预聚体，再根据单组分聚氨酯粘合剂试样制备流程掺入双吗啉基二乙基醚制成聚氨酯粘合剂。基于不同预聚体比例的体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂粘接性能具体如表4所示。

由表4可知，随着聚醚多元醇质量比缩小（聚醚多元醇N330体系+异氰酸酯基+1，2⁃丙二醇制成的聚氨酯预聚体增加），单组分聚氨酯粘合剂黏度整体变化显著，固化速率加快，粘接强度下降；聚醚多元醇N220体系+异氰酸酯基+1，4⁃丁二醇制成的聚氨酯预聚体与聚醚多元醇N330体系+异氰酸酯基+1，2⁃丙二醇制成的聚氨酯预聚体按照聚醚多元醇N220体系与聚醚多元醇N330体系质量比6∶4均匀混合时所制备而成聚氨酯粘合剂黏度较小，固化时间适度，粘接强度较好，整体性能优异。

2.4" "基于单组分聚氨酯粘合剂的塑胶跑道力学性能

基于单组分聚氨酯粘合剂的塑胶跑道力学性能具体如表5所示。

由表5可知，基于单组分聚氨酯粘合剂的塑胶跑道与GB/T 36246—2018标准要求［20］的力学性能相符，表明其综合性能表现良好，可投入生产使用。

3" "结语

体育运动场地施工用单组分聚氨酯粘合剂基于聚合物内异氰酸酯基与大气内水分或者粘接基材内活泼氢原子之间反应以实现粘接，固化之后粘接强度与黏度较好。随着异氰酸酯基含量增加，单组分聚氨酯粘合剂黏度呈现为逐渐降低态势，初粘强度呈现为逐渐缩小状态，终粘强度呈现为先增大后减小状态，由此可见选择适量异氰酸酯基才可有效提高单组分聚氨酯粘合剂粘接性能；随着异氰酸酯基含量提高，单组分聚氨酯粘合剂拉伸强度逐渐增大，而断裂伸长率呈现为先上升后极速下降的态势；聚醚多元醇N220体系+异氰酸酯基+1，4⁃丁二醇制成的聚氨酯预聚体与聚醚多元醇N330体系+异氰酸酯基+1，2⁃丙二醇制成的聚氨酯预聚体按照质量比6∶4均匀混合时所制备而成聚氨酯粘合剂黏度较小，固化时间适度，粘接强度较好，整体性能优异。基于单组分聚氨酯粘合剂的塑胶跑道综合性能表现良好，可投入生产使用。

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