CN105038684A - 一种环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，该方法以聚醚多元醇、芳香族二异氰酸酯为原料，氯化石蜡和邻苯二甲酸二丁酯为助剂，白炭黑为填料，有机锡为催化剂，通过预聚体法制备出了环保、高性能塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。本发明所制备的胶粘剂在制备过程中体系粘度适中，温度易于控制，产品质量好且性能稳定，产率高，室温粘接强度高；同时按一定比例与橡胶粒混合均匀并压实后，试样的机械性能十分优异，表干时间、固化时间短。此胶粘剂挥发性低，无毒、无刺激性气味不会对施工者及使用者造成危害，透气性好，符合环保和施工要求。
Description
技术领域
本发明涉及环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，属于胶粘剂的制备领域。
背景技术
聚氨酯胶粘剂是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成，主链上含有氨基甲酸酯基和异氰酸酯基，具有很高极性和活泼性的一类胶粘剂。我国聚氨酯胶粘剂产品起步于20世纪80年代。改革开放以来，伴随着我国经济的发展，适应国内市场快速增长的需求，我国聚氨酯胶粘剂产量大幅度提高。通过改变原料种类和调节原料配比，可设计出不同性能的聚氨酯胶粘剂，其适用范围广，粘结强度高，粘合工艺简单，使用方便，耐低温性能、防水性能突出，同时具备优异的抗剪切、抗冲击、耐化学药品性等特点，在国民经济中得到了广泛的应用。
聚氨酯胶粘剂按反应组成可分为多异氰酸酯胶粘剂、含异氰酸酯基的聚氨酯胶粘剂、含羟基聚氨酯胶粘剂、树脂胶粘剂。其中多异氰酸酯胶粘剂由于是由异氰酸酯单体组成，单体挥发性强、刺激性气味大、毒性高，现已很少使用。单组分湿固化胶粘剂属于一种含异氰酸酯基的聚氨酯胶粘剂。它以单包装形式供应市场。虽然它在粘合强度等性能方面不如双组分，但它操作简单方便、省工省时。克服了双组分胶粘剂存在的现场混合计量经常出现差错，耗费工时成本较高。单组分胶粘剂不会出现因为配料不准造成粘合质量波动。以低挥发性MDI-50取代传统TDI制成的单组分胶粘剂，刺激性气味小、无公害、绿色环保，有益于现场施工人员的健康，深受用户欢迎。
近十多年间塑胶跑道在我国得到迅速发展，范围已由原先的体育部门，扩大到大、中、小学，成为我国大、中、小学深受欢迎的田径运动场。塑胶跑道胶粘剂伴随着塑胶跑道的快速发展而得到广泛研究与生产，目前市面上已存在很多种类的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂，不过由于不同的原料选择，配方设计和合成工艺，使得这些胶粘剂之间的性能存在较大的差异，还有很大一部分使用会对施工者和使用者造成风险，造成环境污染。由于塑胶跑道底层是采用单组份聚氨酯胶粘剂与弹性橡胶颗粒结合而成，需具有透气功能，使得其在高温下地基产生的蒸汽能很快的散发出去，让蒸汽压力无法聚集，不产生鼓泡现象。同时要求其环保无毒，挥发性有机物含量低，粘结强度高，剥离强度高，机械性能好，表干时间和固化时间短，耐磨性好，耐候性、防水性佳，不易老化。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，反应体系黏度较低、反应过程中所加原料都能充分混匀，体系温度容易控制，不会出现爆聚凝胶的现象，产品质量好而且稳定，产率较高，不需要苛刻的污染控制措施。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，包括以下步骤：
(a)将两种聚醚多元醇和气相白炭黑搅拌升温至100-110℃，在-0.1MPa真空度下进行脱水处理2-3小时；
(b)待真空脱水后的上述体系冷却至45-55℃，在氮气保护下将芳香族二异氰酸酯一次性加入到上述体系中，自然反应30-40分钟，再缓慢升温到80±5℃继续反应1-2小时后，加入相对于聚醚多元醇0.1-0.2wt％的有机锡催化剂继续反应30-60分钟，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体；
(c)所制得预聚体降温至40-50℃，加入聚氨酯预聚体总质量10-16wt％的助剂，以及聚氨酯预聚体总质量0.5-2wt％的稳定剂，然后高速搅拌30-60分钟，使之混合均匀，得到胶粘剂；聚氨酯预聚体总质量即前面两步所加物质的总质量；
(d)对上述所制备的胶粘剂进行抽真空脱泡处理，脱泡时间18～23分钟完成，最后向真空环境中通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。
作为优选，所述步骤(a)中的聚醚多元醇为聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)或聚环氧丙烷醚二醇中的一种和环氧丙烷聚醚三元醇，聚四氢呋喃醚二醇，羟值为77-84mgKOH/g，数均分子量在1300-1500之间；聚环氧丙烷醚二醇(PPG)，羟值为32-38mgKOH/g，数均分子量在2800-3300之间；环氧丙烷聚醚三元醇的羟值为32-35mgKOH/g，数均分子量在4800-5300之间。
作为优选，所述步骤(a)中气相白炭黑的质量为两种聚醚多元醇总质量的1-2％
作为优选，所述步骤(b)中芳香族二异氰酸酯为2,4-甲苯二异氰酸酯(2,4-TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)中的一种。
作为优选，所述步骤(b)中有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
作为优选，所述步骤(b)中端NCO基聚氨酯预聚体的NCO值为6％-7％。
作为优选，所述步骤(c)中助剂为52°氯化石蜡和邻苯二甲酸丁二酯(DBP)，52°氯化石蜡和邻苯二甲酸丁二酯(DBP)的质量比为1:1。
作为优选，所述步骤(c)中稳定剂为紫外光吸收剂UV-329、UV-622和抗氧剂1010，三者间的比例为3:3:2。
本发明以一种三官能度的聚醚作为主要聚醚多元醇与芳香族二异氰酸酯反应，由于三官能度聚醚交联点多，初粘度高，容易形成网状结构，故拉伸强度和断裂伸长率得以提高；以一种二官能度的聚醚作为辅助聚醚多元醇与芳香族二异氰酸酯反应，由于二官能度聚醚分子链相对伸展、分子量相对较小，使所得制品容易在被粘物表面铺展浸润，从而获得较高的剥离强度。以MDI-50作为二异氰酸酯，提高了-NCO的质量分数，生成脲基等极性基团浓度高、刚性大、网络密度大，粘接强度也就越高。反之，－NCO含量低，粘接强度低。同时，MDI具有对称的双苯环结构特征，胶粘剂的结晶性和内聚力比TDI产品要强，其粘接强度、耐热性、伸长均有较大提高。同时，以低挥发性MDI-50取代传统TDI制成的单组分胶粘剂，刺激性气味小、无公害、绿色环保，有益于现场施工人员的健康。以52°氯化石蜡、邻苯二甲酸二丁酯为助剂，使产品具有良好的柔软性、粘接性、稳定性、防水性，提高机械性能并降低成本。以气相白炭黑做填料，既吸附CO2气体，避免鼓包现象；也能够能使试样的拉伸强度提高。以有机锡作为催化剂，使合成速度和固化速度都有较大的提高
有益效果：本发明的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，过程简单易行，成本低廉，产率在85％以上，不需要苛刻的污染控制措施，制备得到的聚氨酯胶粘剂的固化简便，不需要加热，且不需要强酸或强碱做催化剂，能直接与空气中的水分反应，粘接时，它能与基材表面吸附的水以及表面存在的羟基等活泼氢基团发生化学反应，生成脲键结构，因此，固化后的胶层组成是聚氨酯－聚脲结构。所得的聚氨酯胶粘剂与橡胶粒按一定比例均匀混合后具有粘接强度高，表干时间、固化时间短，机械性能、耐老化性能、防水性能、透气性优异，环保无污染等特点。
具体实施方式
实施例1
将150.39g环氧丙烷聚醚三元醇(ZS-1618A，5000)和50.37g聚四氢呋喃醚二醇(PTMG1500)、4.02g气相白炭黑加入到500ml三口瓶中快速搅拌，在-0.1MPa，100℃的条件下进行脱水处理2小时，待温度降低至45℃左右时，加入96.57g二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)，自然反应30分钟，再缓慢升温到80℃继续反应1小时后，加入0.20g有机锡催化剂继续反应1h，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体。所制得预聚体降温至40℃，分别加入25.03g的52°氯化石蜡和25.03g的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，再加入紫外光吸收剂UV-329(0.9g)、UV-622(0.9g)和抗氧剂1010(0.6g)，然后高速搅拌30分钟，使之混合均匀。最后对上述所制备的胶粘剂抽真空脱泡20分钟，并通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。红外分析显示产物在3535cm-1处羟基的特征峰消失，在2273cm-1的异氰酸酯基的特征峰减弱，在3301cm-1处出现氨酯键的特征峰，说明两种原料完全反应；在1108cm-1处醚键伸缩振动峰，3348cm-1处氨键的特征峰、1725cm-1处羰基的特征峰、1180cm-1处芳醚键的特征峰说明氨酯键的形成。这些都可以说明产物为端异氰酸酯基聚氨酯预聚体。另外，红外光谱中并未出现对应于二聚体结构(1380cm-1和1780cm-1)，直链酰胺结构(1660cm-1)，碳化二亚胺基(2115-2145cm-1)和可由和空气中湿气接触形成的脲基(1550cm-1)的吸收峰，说明反应过程中并未出现过多副反应。
性能测试：用制备的聚氨酯胶粘剂与橡胶粒按1:8进行试样的制备，按GB/T14833-2011测试试样的拉伸强度、拉断伸长率、冲击吸收、垂直变形；按HG/T2409-1992测试所制备聚氨酯预聚体中异氰酸酯基的含量。测试结果见表1。
实施例2
将153.68g聚醚三元醇(ZS-1618A，5000)和51.76g聚环氧丙烯二醇(PPG3000)、2.1g气相白炭黑加入到500ml三口瓶中快速搅拌，在-0.1MPa，110℃的条件下进行脱水处理3小时，待温度降低至55℃左右时，加入95.43g二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)，自然反应40分钟，再缓慢升温到85℃继续反应1小时后，加入0.16g有机锡催化剂继续反应30分钟，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体。所制得预聚体降温至45℃，分别加入25.91g的52°氯化石蜡和25.91g的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，再加入紫外光吸收剂UV-329(1.2g)、UV-622(1.2g)和抗氧剂1010(0.8g)，然后高速搅拌60分钟，使之混合均匀。最后对上述所制备的胶粘剂抽真空脱泡23分钟，并通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。红外分析显示产物在3535cm-1处羟基的特征峰消失，在2273cm-1的异氰酸酯基的特征峰减弱，在3301cm-1处出现氨酯键的特征峰，说明两种原料完全反应；在1108cm-1处醚键伸缩振动峰，3348cm-1处氨键的特征峰、1725cm-1处羰基的特征峰、1180cm-1处芳醚键的特征峰说明氨酯键的形成。这些都可以说明产物为端异氰酸酯基聚氨酯预聚体。
性能测试：用制备的聚氨酯胶粘剂与橡胶粒按1:8进行试样的制备，按GB/T14833-2011测试试样的拉伸强度、拉断伸长率、冲击吸收、垂直变形；按HG/T2409-1992测试所制备聚氨酯预聚体中异氰酸酯基的含量。测试结果见表1。
实施例3
将151.88g聚醚三元醇(ZS-1618A，5000)和78.71g聚环氧丙烯二醇(PPG3000)、4.76g气相白炭黑加入到500ml三口瓶中快速搅拌，在-0.1MPa，105℃的条件下进行脱水处理2小时，待温度降低至50℃左右时，加入99.24g二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)，自然反应30分钟，再缓慢升温到80℃继续反应1小时后，加入0.18g有机锡催化剂继续反应1h，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体。所制得预聚体降温至45℃，分别加入27.24g的52°氯化石蜡和27.24g的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，再加入紫外光吸收剂UV-329(1.2g)、UV-622(1.2g)和抗氧剂1010(0.8g)，然后高速搅拌30分钟，使之混合均匀。最后对上述所制备的胶粘剂抽真空脱泡18分钟，并通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。红外分析显示产物在3535cm-1处羟基的特征峰消失，在2273cm-1的异氰酸酯基的特征峰减弱，在3301cm-1处出现氨酯键的特征峰，说明两种原料完全反应；在1108cm-1处醚键伸缩振动峰，3348cm-1处氨键的特征峰、1725cm-1处羰基的特征峰、1180cm-1处芳醚键的特征峰说明氨酯键的形成。这些都可以说明产物为端异氰酸酯基聚氨酯预聚体。
性能测试：用制备的聚氨酯胶粘剂与橡胶粒按1:8进行试样的制备，按GB/T14833-2011测试试样的拉伸强度、拉断伸长率、冲击吸收、垂直变形；按HG/T2409-1992测试所制备聚氨酯预聚体中异氰酸酯基的含量。测试结果见表1。
实施例4
将202.14g聚醚三元醇(ZS-1618A，5000)、3.84g气相白炭黑加入到500ml三口瓶中快速搅拌，在-0.1MPa，105℃的条件下进行脱水处理2小时，待温度降低至50℃左右时，加入66.80g二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)，自然反应30分钟，再缓慢升温到80℃继续反应1小时后，加入0.16g有机锡催化剂继续反应1h，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体。所制得预聚体降温至45℃，分别加入23.46g的52°氯化石蜡和23.50g的邻苯二甲酸二丁酯(DBP)，再加入紫外光吸收剂UV-329(1.04g)、UV-622(1.08g)和抗氧剂1010(0.76g)，然后高速搅拌30分钟，使之混合均匀。最后对上述所制备的胶粘剂抽真空脱泡20分钟，并通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。红外分析显示产物在3535cm-1处羟基的特征峰消失，在2273cm-1的异氰酸酯基的特征峰减弱，在3301cm-1处出现氨酯键的特征峰，说明两种原料完全反应；在1108cm-1处醚键伸缩振动峰，3348cm-1处氨键的特征峰、1725cm-1处羰基的特征峰、1180cm-1处芳醚键的特征峰说明氨酯键的形成。这些都可以说明产物为端异氰酸酯基聚氨酯预聚体。
性能测试：用制备的聚氨酯胶粘剂与橡胶粒按1:8进行试样的制备，按GB/T14833-2011测试试样的拉伸强度、拉断伸长率、冲击吸收、垂直变形；按HG/T2409-1992测试所制备聚氨酯预聚体中异氰酸酯基的含量。测试结果见表1。
表1各实施例所制得的试样的性能
通过上表可以看出，实施例4仅仅只采用了单一组分的醇作为原料，制备的胶粘剂性能明显比实施例1-3性能差，以两种聚醚多元醇来制备胶粘剂效果更好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)将两种聚醚多元醇和气相白炭黑搅拌升温至100-110℃，在-0.1MPa真空度下进行脱水处理2-3小时；
(b)待真空脱水后的上述体系冷却至45-55℃，在氮气保护下将芳香族二异氰酸酯一次性加入到上述体系中，自然反应30-40分钟，再缓慢升温到80±5℃继续反应1-2小时后，加入相对于聚醚多元醇0.1-0.2wt％的有机锡催化剂继续反应30-60分钟，制得端异氰酸酯基的聚氨酯预聚体；
(c)所制得聚氨酯预聚体降温至40-50℃后，加入聚氨酯预聚体质量10-16wt％的两种助剂，以及聚氨酯预聚体质量0.5-2wt％的稳定剂，然后高速搅拌30-60分钟，使之混合均匀，得到胶粘剂；
(d)对上述所制备的胶粘剂进行抽真空脱泡处理，脱泡时间18～23分钟完成，最后向真空环境中通入氮气，在氮气保护下出料得到所需要的塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂。
2.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)中的聚醚多元醇为聚四氢呋喃醚二醇或聚环氧丙烷醚二醇中的一种和环氧丙烷聚醚三元醇中，聚四氢呋喃醚二醇，羟值为77-84mgKOH/g，数均分子量在1300-1500之间；聚环氧丙烷醚二醇，羟值为32-38mgKOH/g，数均分子量在2800-3300之间；环氧丙烷聚醚三元醇，羟值为32-35mgKOH/g，数均分子量在4800-5300之间。
3.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)中气相白炭黑的质量为两种聚醚多元醇总质量的1-2％。
4.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中芳香族二异氰酸酯为2,4-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种。
5.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中有机锡催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
6.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中端NCO基聚氨酯预聚体的NCO值为6％-7％。
7.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中助剂为52°氯化石蜡和邻苯二甲酸丁二酯，52°氯化石蜡和邻苯二甲酸丁二酯的质量比为1:1。
8.根据权利要求1所述的环保型塑胶跑道用聚氨酯胶粘剂的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中稳定剂为紫外光吸收剂UV-329、UV-622和抗氧剂1010，三者的质量比为3:3:2。
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