CN106977907A - 一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇、HDI、丙烯酸丁酯、植物油；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇、聚酯多元醇、MDI、交联剂、植物油、催化剂、扩链剂、填料、抗氧剂、光稳定剂、颜料；所述的聚醚多元醇为分子量1000‑2500聚氧化丙烯二醇和分子量为500‑2000聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为3000‑5000。本发明通过添加植物油，使水性聚氨酯合成材料具有毒性小、环保的优点，且整体原料配方合理，所制造的产品物理性能优异。

Description

一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子复合材料领域，特别涉及一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料及其制备方法。
背景技术
随着中国经济的发展，人民生活水平的提高，群众健身运动的蓬勃发展和健身热情的日益高涨，对体育设施的要求也在不断提高，普通的运动场地已经无法满足需求。聚氨酯塑胶跑道是一种浇注型聚氨酯产品，它可以广泛用于各类体育运动场地，如塑胶田径场、网球场、篮球场等。用它铺设的体育场所相对于普通的煤渣，砂石运动场地具有弹性好、吸震性能好，防滑，耐磨，色彩鲜艳，场地清洁易于护理，抗老化，不受气候影响等优点，并可随意调节色彩，美观大方，而且能有效地保护运动员免受伤害，可全天候使用，是传统运动场地的良好替代品。随着人们环保意识的提高和国内市场的需求，聚氨酯塑胶跑道将向环保、低毒、无害、低成本、高性能等方向发展。
我国现有塑胶跑道的材质以溶剂型聚氨酯(如溶剂型TDI聚氨酯、溶剂型MDI聚氨酯)为主，其具有优良的力学特性，然而该类材质在使用中会产生较高的挥发性有机化合物(VOC)排放，气味刺鼻，有毒性，对健康有害，已无法满足越来越高的环保需求。将材料水性化被认为是克服和改进VOC排放的一种有效方式。研究表明，水性聚氨酯材料不仅具有聚氨酯材料的优良特性，在性能上可与溶剂型产品相媲美，而且不会对环境造成污染。
但是目前体育场地铺装材料主要以溶剂型聚氨酯胶粘剂和溶剂型双组份聚氨酯塑胶为主，现有的双组份聚氨酯铺装材料的原料都来自于石化产品，产品普遍含有TDI、MOCA、DOP、DBP及铅、汞、锡类催化剂等有毒有害物质，严重伤害了施工人员和使用人员的身体健康，严重影响了水性聚氨酯材料的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料及其制备方法。本发明所述水性聚氨酯合成材料的原料配方更为合理、性能优良且无毒环保。
本发明一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为100-250份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30-50份、HDI15-20份、丙烯酸丁酯2-3份、植物油2-5份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30-50份、聚酯多元醇30-50份、MDI 15-20份、植物油2-5份、交联剂5-10份、催化剂0.03-0.06份、扩链剂1.5-2份、光稳定剂1-2份、抗氧剂1-2份、填料10-25份、颜料1-2份；所述的聚醚多元醇为分子量1000-2500聚氧化丙烯二醇和分子量为500-2000聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为3-7：8-13：23-27的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为3000-5000。
植物油廉价易得、具备可再生性和生物降解性，将植物油用于本发明塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，既能够利用植物油良好的物理化学性能，又能利用植物油为天然产物、来源广和低成本的优势，且使用过程中不会有挥发性有机污染物。通过合理设置原料中植物油的比例，使本发明塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料具有优异的耐水性、耐磨性和光泽度，并且其还具有毒性小、环保、贮存稳定性高和使用方便的优点。
本发明所述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，原料配方合理，性能优良，环保无毒，所制造的产品粘性好、韧性高，回弹性好，物理性能优异，具有广泛的应用前景。
原料中使用的丙烯酸丁酯具有超低VOC值、优异的耐玷污性、硬度和附着力，提高了产品的耐老化性能，且耐候性优良。
优选地，所述交联剂为质量比3：2的三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的混合物。
优选地，所述催化剂为质量分数比为3：4：5的三乙烯二胺、己二酸、辛酸亚锡的混合物。采用催化剂来催化HO和NCO反应过程而避免OH的副反应，提高总的反应速率，并调节多元醇与异氰酸酯的反应活性趋于一致，从而使制得的预聚物具有较窄的分子质量分布和较低的粘度。
优选地，所述扩链剂为重量份数比为4：7的丙二醛和二羟甲基丙酸的混合物。丙二醛和二羟甲基丙酸在水性聚氨酯制造中既是扩链剂，又能使聚氨酯获得自乳化性能，可制成稳定性优良的自乳化性水性聚氨酯。
优选地，所述光稳定剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮或2,2'-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮中的一种或两种，在不妨碍材料自身粘合性能的同时，极大程度的提高了产品的光稳定性，增加体育跑道的耐候性，降低光对跑道颜色、粘合性能及填料的老化作用，并改善材料的力学性能。
优选地，所述填充剂为滑石粉、钛白粉、碳酸钙、石英粉、煤粉、玻璃微珠和玻璃纤维中的一种或多种，采用该类体系粘度小，易添加并能改善加工性能、某些物性，且降低成本。
优选地，所述填料选自三元乙丙橡胶粉末、天然橡胶粉末或丁晴橡胶粉末中的一种或几种。
上述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料的制备方法，包括如下步骤：1)制备组分A：按比例称取聚醚多元醇、HDI、植物油混合，N2保护下，升温至80-90℃反应2-3h，加入丙烯酸丁酯搅拌30-60min；2)制备组分B：按比例称取聚醚多元醇、聚酯多元醇、植物油混合，N2保护下，升温至80-90℃搅拌20-30min，降温至40-50℃加入抗氧剂，再加入MDI、扩链剂、交联剂、催化剂、光稳定剂，边加边升温至80-90℃，反应2-3h，加入填料、颜料，升温至90-130℃在真空调节下分散0.5-1h；3)制备水性聚氨酯合成材料：将步骤1)所述的A组分、步骤2)所述的B组分与去离子水按比例混合即可。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明所述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，原料配方合理，通过设置原料中植物油的比例，使水性聚氨酯合成材料具有优异的粘性、韧性、耐磨性和光泽度等性能，并且其还具有毒性小、环保、贮存稳定性高和使用方便的优点，具有广泛的应用前景；(2)采用本发明制成的塑胶跑道性能好，耐候性、耐老化性能好，色泽均一，持久，不易褪色，易于维护；(3)本发明原材料来源广泛，节约了产品开发成本；(4)产品满足国际及地方标准物理及化学性能，在生产和使用过程中不添加使用任何有毒、有害、挥发性物质，不会对人体健康和环境带来破坏，满足市场对健康无毒跑道的要求；(5)本发明的制备方法工艺简单，条件易控易于实现自动化生产。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为250份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇50份、HDI 20份、丙烯酸丁酯2份、植物油5份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30份、聚酯多元醇50份、MDI 20份、交联剂10份、植物油5份、催化剂0.06份、扩链剂1.5份、填料10份、抗氧剂1份、光稳定剂1份、颜料1份；所述的聚醚多元醇为分子量2500聚氧化丙烯二醇和分子量为800聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为7：13：27的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为5000。
所述交联剂为质量比3:2的三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的混合物。所述催化剂为质量分数比为3：4：5的三乙烯二胺、己二酸、辛酸亚锡的混合物。所述扩链剂为重量份数比为4：7的丙二醛和二羟甲基丙酸的混合物。所述光稳定剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮。所述填充剂为滑石粉、钛白粉、碳酸钙、石英粉、煤粉、玻璃微珠和玻璃纤维混合物。所述填料为三元乙丙橡胶粉末。
上述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料的制备方法，包括如下步骤：1)制备组分A：按比例称取聚醚多元醇、HDI、植物油混合，N2保护下，升温至90℃反应2h，加入丙烯酸丁酯搅拌30min；2)制备组分B：按比例称取聚醚多元醇、聚酯多元醇、植物油混合，N2保护下，升温至90℃搅拌30min，降温至40℃加入抗氧剂，再加入MDI、扩链剂、交联剂、催化剂、光稳定剂，边加边升温至90℃，反应2h，加入填料、颜料，升温至90℃在真空调节下分散1h；3)制备水性聚氨酯合成材料：将步骤1)所述的A组分、步骤2)所述的B组分与去离子水按比例混合即可。
实施例2
本实施例与实施例1基本相同，其区别仅在于原料的配比不同：
本实施例水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为100份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30份、HDI 15份、丙烯酸丁酯3份、植物油2份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇50份、聚酯多元醇30份、MDI 15份、交联剂5份、植物油2份、催化剂0.03份、扩链剂1.6份、填料25份、抗氧剂2份、光稳定剂2份、颜料2份；所述的聚醚多元醇为分子量1000聚氧化丙烯二醇和分子量为2000聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为3：8：23的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为3000。
实施例3
一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为200份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇40份、HDI 18份、丙烯酸丁酯2.5份、植物油3份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇40份、聚酯多元醇40份、MDI 18份、交联剂8份、植物油4份、催化剂0.05份、扩链剂2份、填料20份、抗氧剂1.5份、光稳定剂1.5份、颜料1.5份；所述的聚醚多元醇为分子量2000聚氧化丙烯二醇和分子量为1500聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为4：10：25的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为4000。
所述交联剂为质量比3:2的三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的混合物，所述催化剂为质量分数比为3：4：5的三乙烯二胺、己二酸、辛酸亚锡的混合物，所述扩链剂为重量份数比为4：7的丙二醛和二羟甲基丙酸的混合物，所述光稳定剂为2,2'-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮，所述填充剂为滑石粉、钛白粉、碳酸钙、石英粉、煤粉、玻璃微珠和玻璃纤维混合物，所述填料为三元乙丙橡胶粉末、天然橡胶粉末和丁晴橡胶粉末的混合物。
上述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料的制备方法，包括如下步骤：1)制备组分A：按比例称取聚醚多元醇、HDI、植物油混合，N2保护下，升温至85℃反应3h，加入丙烯酸丁酯搅拌60min；2)制备组分B：按比例称取聚醚多元醇、聚酯多元醇、植物油混合，N2保护下，升温至85℃搅拌20min，降温至45℃加入抗氧剂，再加入MDI、扩链剂、交联剂、催化剂、光稳定剂，边加边升温至85℃，反应3h，加入填料、颜料，升温至120℃在真空调节下分散0.5h；3)制备水性聚氨酯合成材料：将步骤1)所述的A组分、步骤2)所述的B组分与去离子水按比例混合即可。
实施例4
本实施例与实施例3基本相同，其区别仅在于原料的配比不同：本实施例用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为200份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇45份、HDI 15份、丙烯酸丁酯2份、植物油2份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇50份、聚酯多元醇40份、MDI 20份、交联剂9份、植物油5份、催化剂0.06份、扩链剂1.5份、填料15份、抗氧剂2份、光稳定剂2份、颜料2份；所述的聚醚多元醇为分子量2000聚氧化丙烯二醇和分子量为1500聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为5：9：26的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为5000。
实施例5
本发明一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为150份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇40份、HDI 18份、丙烯酸丁酯2.5份、植物油5份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇50份、聚酯多元醇40份、MDI 18份、植物油3份、交联剂8份、催化剂0.05份、扩链剂1.8份、光稳定剂1.5份、抗氧剂1.5份、填料20份、颜料1.5份；所述的聚醚多元醇为分子量2000聚氧化丙烯二醇和分子量为1500聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为4：10：25的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为5000。
所述交联剂为质量比3:2的三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的混合物。所述催化剂为质量分数比为3：4：5的三乙烯二胺、己二酸、辛酸亚锡的混合物。所述扩链剂为重量份数比为4：7的丙二醛和二羟甲基丙酸的混合物。所述光稳定剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮。所述填充剂为滑石粉、碳酸钙、石英粉混合物。所述填料为三元乙丙橡胶粉末和丁晴橡胶粉末的混合物。
上述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料的制备方法，包括如下步骤：1)制备组分A：按比例称取聚醚多元醇、HDI、植物油混合，N2保护下，升温至80℃反应2.5h，加入丙烯酸丁酯搅拌45min；2)制备组分B：按比例称取聚醚多元醇、聚酯多元醇、植物油混合，N2保护下，升温至80℃搅拌30min，降温至50℃加入抗氧剂，再加入MDI、扩链剂、交联剂、催化剂、光稳定剂，边加边升温至80℃，反应3h，加入填料、颜料，升温至130℃在真空调节下分散0.5h；3)制备水性聚氨酯合成材料：将步骤1)所述的A组分、步骤2)所述的B组分与去离子水按比例混合即可。
实施例6
本实施例与实施例5基本相同，其区别仅在于原料的配比不同：本实施例用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为250份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇50份、HDI 20份、丙烯酸丁酯2份、植物油3份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇45份、聚酯多元醇45份、MDI 15份、植物油4份、交联剂10份、催化剂0.06份、扩链剂2份、光稳定剂2份、抗氧剂1份、填料25份、颜料1份；所述的聚醚多元醇为分子量2500聚氧化丙烯二醇和分子量为2000聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为5：9：24的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为3000。
对比例1
本对比例与实施例3基本相同，其区别仅在于原料的配比不同：
水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为200份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇43份、HDI 18份、丙烯酸丁酯2.5份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇40份、聚酯多元醇44份、MDI 18份、交联剂8份、催化剂0.05份、扩链剂2份、填料20份、抗氧剂1.5份、光稳定剂1.5份、颜料1.5份；所述的聚醚多元醇为分子量2000聚氧化丙烯二醇和分子量为1500聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为4：10：25的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为4000。
对比例2
本对比例与实施例3基本相同，其区别仅在于原料的配比不同：
水性聚氨酯合成材料，包括组分A、组分B和质量分数为200份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇33份、HDI 18份、丙烯酸丁酯2.5份、植物油10份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇36份、聚酯多元醇40份、MDI 18份、交联剂8份、植物油8份、催化剂0.05份、扩链剂2份、填料20份、抗氧剂1.5份、光稳定剂1.5份、颜料1.5份；所述的聚醚多元醇为分子量2000聚氧化丙烯二醇和分子量为1500聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为4：10：25的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为4000。
对比例3
本对比例与实施例3基本相同，其区别仅在于扩链剂的原料和比例不同：所述扩链剂为单一的二羟甲基丙酸。
取实施例1-6、对比例1-3的聚氨酯材料进行性能测试，测试结果如下表所示：
组别 拉伸强度/MPa 剥离强度(N/mm2) 旋转粘度/mPa·s
实施例1 19.8 7.2 44
实施例2 19.6 5.6 45
实施例3 22.5 8.9 66
实施例4 21.8 8.7 62
实施例5 20.5 7.9 59
实施例6 21.3 6.5 56
对比例1 10.9 3.6 32
对比例2 9.9 3.5 31
对比例3 16.5 4.8 41
由上述试验结果可知，本发明所提供的水性聚氨酯材料的性能均优于对比例组，实施例1-6与对比例1-2最大的区别在于植物油的成分和比例不同，植物油掺加提高了材料的物理力学性能，使水性聚氨酯材料具有更优异的韧性、强度和耐磨性能，但是过量的植物油使水性聚氨酯材料的硬度过高，弹性下降。实施例3与对比例1、2的数据表明选择本发明混合型配比的植物油，效果更好。实施例1-6与对比例3最大的区别在于扩链剂的不同，试验数据表明，添加扩链剂，提高了聚氨酯材料的力学性能，效果显著。
将本发明实施例1-6的水性聚氨酯材料送往质量监督检验中心进行检测，送检结果如下表：
上表表明，本发明水性聚氨酯合成材料经检测满足国家标准及地方标准，无毒环保，零VOC排放，全过程不使用有机溶剂，无气味，不含游离TDI、不含重金属、不含短链氯化石蜡，属于健康环保的绿色产品，能够满足市场对产品环保的要求，其中经湖北省产品质量监督检验研究院检测，完全能够满足中小学跑道使用。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，包括组分A、组分B和质量分数为100-250份的去离子水，所述组分A包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30-50份、HDI15-20份、丙烯酸丁酯2-3份、植物油2-5份；所述组分B包括如下重量份数的组分：聚醚多元醇30-50份、聚酯多元醇30-50份、MDI 15-20份、植物油2-5份、交联剂5-10份、催化剂0.03-0.06份、扩链剂1.5-2份、光稳定剂1-2份、抗氧剂1-2份、填料10-25份、颜料1-2份；所述的聚醚多元醇为分子量1000-2500聚氧化丙烯二醇和分子量为500-2000聚氧化丙烯三醇的任一种或两种；所述聚酯多元醇为由质量比为3-7：8-13：23-27的丁二醇、己二醇和己二酸加热得到的反应物，其分子质量为3000-5000。
2.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述交联剂为质量比3:2的三羟甲基乙烷和三羟甲基丙烷的混合物。
3.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述催化剂为质量分数比为3：4：5的三乙烯二胺、己二酸、辛酸亚锡的混合物。
4.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述扩链剂为重量份数比为4：7的丙二醛和二羟甲基丙酸的混合物。
5.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述光稳定剂为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮或2,2'-二羟基-4-甲氧基二苯甲酮中的一种或两种。
6.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述填充剂为滑石粉、钛白粉、碳酸钙、石英粉、煤粉、玻璃微珠和玻璃纤维中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述一种用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料，其特征在于，所述填料选自三元乙丙橡胶粉末、天然橡胶粉末或丁晴橡胶粉末中的一种或几种。
8.权利要求1-7任一所述用于塑胶跑道的水性聚氨酯合成材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)制备组分A：按比例称取聚醚多元醇、HDI、植物油混合，N2保护下，升温至80-90℃反应2-3h，加入丙烯酸丁酯搅拌30-60min；2)制备组分B：按比例称取聚醚多元醇、聚酯多元醇、植物油混合，N2保护下，升温至80-90℃搅拌20-30min，降温至40-50℃加入抗氧剂，再加入MDI、扩链剂、交联剂、催化剂、光稳定剂，边加边升温至80-90℃，反应2-3h，加入填料、颜料，升温至90-130℃在真空调节下分散0.5-1h；3)制备水性聚氨酯合成材料：将步骤1)所述的A组分、步骤2)所述的B组分与去离子水按比例混合即可。
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