CN111074724B - 一种水性预制型橡胶跑道及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种水性预制型橡胶跑道及其制备工艺，属于合成材料制备领域，针对现有技术无法使用水性聚合物作为原料获得低毒害橡胶跑道的问题，采用技术方案如下：一种水性预制型橡胶跑道，包括耐磨层和弹性层，耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸5‑10份，水性聚氨酯5‑10份，固体原料75‑88份，无机颜色填料2‑5份和促进剂0.2‑3份；弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯5‑10份，水性丙烯酸5‑10份，固体原料80‑90份，促进剂0.2‑3份，其中固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒。采用制备工艺按如下步骤：步骤1，混料；步骤2，烘干；步骤3，初压；步骤4，二次加压。采用上述方案以解决现有技术存在的问题。

Description

一种水性预制型橡胶跑道及其制备工艺
技术领域
本发明属于合成材料制备领域，特别涉及一种水性预制型橡胶跑道及其制备工艺。
背景技术
为节省制造成本和降低加工难度，通常采用现场浇筑方式制备跑道，即采用作为粘接剂的油性聚氨酯与橡胶颗粒混合后现场摊铺作业。因使用的PU胶多组份，含TDI、MDI等有害成份，且现场施工作业，其用量和比例无法严格控制，多组份下不完全反应情况经常发生，造成材料成份复杂，这是导致“毒跑道”事件频发的主要原因。
在“油改水”的环保大背景下，水性聚合物在化工和合成材料行业应用不断推出。水性聚合物以水为溶剂，具有低污染、极低VOC排放、安全可靠、粘合性相容性好和易于改性等优点，更加被广泛用作涂料领域；水性聚合物包括水性聚氨酯、水性丙烯酸等。由于水性聚合物具有无毒、无害等特点，其作为环保材料的原料且添加低毒、低害添加剂使用时同样具有低毒、低害的优点。基于以上原因，希望通过使用水性聚合物以及其他低毒害的原料制备跑道，但水性聚合物在常规条件下（如常温、常压下）固化后制备而成的产品往往达不到使用要求，特别是制备预制型橡胶跑道这种具有严格的行业生产标准的产品时，其弹性、强度、韧性等性能均不能很好兼顾。若采用现有预制型橡胶跑道的硫化工艺制备时，产品的性能虽然能达到使用要求，但制备过程中需添加硫化剂、塑化剂等有毒有害的物质，导致现有大部分橡胶跑道产品在使用过程中会持续地散发有毒、有害的气体，危害使用者健康，无法达到严格的行业标准（如GB/36246-2018）。
发明内容
针对现有技术无法使用水性聚合物作为原料获得低毒害橡胶跑道的问题，本发明提供一种水性预制型橡胶跑道及其制备工艺，能够利用水性聚合物获得低毒害的预制型橡胶跑道。
本发明采用技术方案如下：一种水性预制型橡胶跑道，包括上下叠加设置的耐磨层和弹性层，耐磨层的上表面设有耐磨防滑花纹，所述耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸5-10份，水性聚氨酯5-10份，固体原料75-88份，无机颜色填料2-5份和促进剂0.2-3份，固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，其大小为5-60目，其中5-20目占40%，21-60目占60%；
所述弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯5-10份，水性丙烯酸5-10份，固体原料80-90份，促进剂0.2-3份，其中固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，大小为20-100目，其中20-60目占40%，61-100目占60%。
本发明的水性预制型橡胶跑道采用低毒害的水性聚合物作为原料，并添加低毒害的橡胶粉末和橡胶颗粒，同时采用上下两层的结构，获得满足要求的水性预制型橡胶跑道。
进一步地，所述橡胶粉末和橡胶颗粒为一级工业回收料和边角料，包括合成橡胶包装料、天然橡胶制品边角料、合成橡胶制品边角料以及发泡鞋底料，其包括但不限于NR、EPDM、EVA、IIR中的一种或多种。合成橡胶包装料为包装用材料，经加工后产生的废料为合成橡胶制品边角料，使用这两种材料能够充分利用原料，减少材料的浪费，此外，发泡鞋底料也是低毒害的，能够达到环保目的。
进一步地，所述水性预制型橡胶跑道的抗拉强度≥0.5MPa，冲击吸收率为 35-50%。本产品与传统的橡胶跑道相比冲击吸收性能和抗低温性能较好。
进一步地，耐磨层的厚度为4-6mm。弹性层的厚度为7-9mm。
跑道的弹性、韧性以及强度需在适合的范围内才能满足实际的使用要求，若跑道太硬（即硬度、弹性稍大），则运动员在比赛过程中很容易产生运动伤害；若跑道太软（即硬度、弹性稍小），会吸收较多运动员在跑步蹬踏地面时对地面所施加的作用力，不利于运动员创造良好的成绩。耐磨层为运动员脚部提供足够的反作用力和良好的防滑抓地性能，弹性层在实际使用过程中起到缓冲作用，能够吸收运动员跑步时对橡胶跑道的冲击力（即冲击吸收），这样的跑道不仅减少了对运动员的伤害，运动员也有舒适的运动体验，同时还有利于运动员创造良好的成绩，因此将耐磨层和弹性层的厚度限制在上述范围内。
进一步地，水性预制型橡胶跑道的长度为10-20m。这样的设置可以减少专业跑道的拼接缝数量，降低铺装难度。
上述水性预制型橡胶跑道的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1，混料：按上述重量份数称取耐磨层原料以及弹性层原料，分别混合均匀，获得耐磨层混料以及弹性层混料；
步骤2，烘干：弹性层混料和耐磨层混料先后按厚度为7-8 mm和 15-18 mm放入具有上模和下模的模具中，在无压、80-120℃条件烘干5-10min，直至混合料基本不粘手；
步骤3，初压：保持上模和下模的高度在15-15.5mm，在80-100T/m2下压5-10min，然后开模将湿气排出并修整表面；
步骤4，二次加压：对模具加温，使得模具内腔表面温度在120-150℃，保持上模和下模的高度在13-13.5mm，在150-250T/m2下压15-25min，而后开模自然冷却至室温后获得水性预制型橡胶跑道制品。
经多次实际操作、测试获知，仅在加温或加压条件下，水性聚合物没有表现出较强的粘结作用，但在加温和加压条件双重条件下，水性聚合物成为粘结性能较好的粘结剂，由其作为原料制备而成的合成材料具有较好的性能，且不使用硫化剂、塑化剂等有害物质，能够兼顾弹性、强度、韧性等性能，可满足不同的使用场合和要求，同时与常温常压条件下相比，粘结成型的粘合剂用量节约50%以上。此外，本发明采用两次加压步骤，保证了两层结构紧密连接、性能达标，同时不易混同。
上述水性聚合物在合成材料制备过程中充当了粘结剂，在一定温度压力条件下，水性丙烯酸（CH3CH2COOH）中羟基（-OH）和水性聚氨酯中的（-NCO）基团发生交链固化反应，使得制备出的合成材料弹性、强度、韧性能够较好兼顾，且低毒害，实际应用效果好，而且与常温常压条件下相比，节约50%以上粘结剂用量，同时制成品符合相关国家标准和国际标准（如GB/36246-2018、IAAF），适合大批量生产。
进一步地，步骤2中，将弹性层混料放置在下模中铺平，而后在铺平的弹性层混料上表面放置耐磨层混料再铺平，然后加盖上模。由于弹性层和耐磨层的原料较为近似，这样做的目的是避免混同弹性层和耐磨层（即两者彼此融合），可以自然分层。
本发明具有的有益效果：本发明的预制型橡胶跑道利用水性聚合物作为原料，具有环保、无硫化固化成型的特点，获得的产品耐老化性能和运动力学性能优异；采用的制备工艺为无硫工艺，VOC等有毒有害物质低排放，低残留，具有环保、节省成本等优点，且本发明采用两次加压步骤，保证了两层结构紧密连接、性能达标，同时不易混同。
附图说明
图1（a）、（b）和（c）为实施例1的力学性能测试报告图；
图2（a）、（b）和（c）为实施例1的成分测试报告图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例的水性预制型橡胶跑道，包括上下叠加设置的耐磨层和弹性层，耐磨层的上表面设有耐磨防滑花纹，所述耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸5份，水性聚氨酯10份，固体原料75份，氧化铁红5份和促进剂3份（本实施例中的促进剂为黄原酸盐类促进剂），固体原料为橡胶粉末和橡胶颗粒，其大小为5-60目；其中5-20目占40%，21-60目占60%；
所述弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯10份，水性丙烯酸5份，固体原料80份，促进剂3份（本实施例中的促进剂为黄原酸盐类促进剂），其中固体原料为橡胶粉末和橡胶颗粒，大小为20-100目，其中20-60目占40%，61-100目占60%。
所述橡胶粉末和橡胶颗粒为一级工业回收料和边角料，本实施例使用的是NR与EPDM的混合料，其中NR与EPDM各占40%和60%。
所述水性预制型橡胶跑道的抗拉强度≥0.5MPa，冲击吸收率为 35-50%。本产品与传统的橡胶跑道相比冲击吸收性能和抗低温性能较好。
本实施例的以水性聚合物为原料的合成材料制成样品，送至华东理工大学运动场地合成材料检测中心，该检测中心根据国家标准GB36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》表2和表4分别对样品进行力学性能测试和VOC、MDI/TDI和重金属等有毒有害物质成分测试。从检测报告中可以看出，样品性能和成分均达标。报告内容如图1、图2所示。由此可以看出水性预制型橡胶跑道在具有较好的力学性能的同时也具有较好的环保性能。
耐磨层的厚度为4mm。弹性层的厚度为9mm。跑道的弹性、韧性以及强度需在适合的范围内才能满足实际的使用要求，若跑道太硬（即硬度、弹性稍大），则运动员在比赛过程中很容易产生运动伤害；若跑道太软（即硬度、弹性稍小），会吸收较多运动员在跑步蹬踏地面时对地面所施加的作用力，不利于运动员创造良好的成绩。耐磨层为运动员脚部提供足够的反作用力和良好的防滑抓地性能，弹性层在实际使用过程中起到缓冲作用，能够吸收运动员跑步时对橡胶跑道的冲击力（即冲击吸收），这样的跑道不仅减少了对运动员的伤害，运动员也有舒适的运动体验，同时还有利于运动员创造良好的成绩，因此将耐磨层和弹性层的厚度限制在上述范围内。
水性预制型橡胶跑道的长度为15m。这样的设置可以减少专业跑道的拼接缝数量，降低铺装难度。
上述预制型橡胶跑道的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1，混料：按上述重量份数称取耐磨层原料以及弹性层原料，分别混合均匀，获得耐磨层混料以及弹性层混料；
步骤2，烘干：弹性层混料和耐磨层混料先后按厚度为7-8mm和15-18mm放入具有上模和下模的模具中，具体为将弹性层混料放置在下模中铺平，而后在铺平的弹性层混料上表面放置耐磨层混料再铺平，然后加盖上模；在无压、80-120℃条件烘干5-10min，直至混料表面基本不粘手；
步骤3，初压：保持上模和下模的高度在15-15.5mm，在80-100T/m2下压5-10min，然后开模将湿气排出并修整表面；
步骤4，二次加压：对模具加温，使得模具内腔表面温度在120-150℃，保持上模和下模的高度在13-13.5mm，在150-250T/m2下压15-25min，而后开模自然冷却至室温后获得预制型橡胶跑道制品。
制备过程中监测VOC的排放量和残留量，经实际测量，在制备过程中未检出VOC的排放和残留。
上述以水性聚合物为原料的合成材料为两层，位于上层的耐磨层以及位于下层的弹性层，耐磨层中橡胶颗粒的粒径为5-60目，弹性层中橡胶粉末的粒径为20-100目，耐磨层的上表面具有特定的耐磨防滑花纹，两层材料在制备过程中被水性聚合物粘接在一起。上层橡胶颗粒较大，选用耐磨性耐候性好的胶种，制备出材料的强度、耐磨性较好；下层橡胶颗粒较小，选用弹性好的胶种，制备出材料的弹性和韧性较好。由于橡胶颗粒大小不同，而且分层铺设，两层材料虽然使用的原料相同或相近，但不会在加温、加压时发生混同（即混为一层材料）。跑道的弹性、韧性以及强度需在适合的范围内才能满足实际的使用要求，若跑道太硬（即硬度、弹性稍大），则运动员在比赛过程中很容易产生运动伤害；若跑道太软（即硬度、弹性稍小），会吸收较多运动员在跑步蹬踏地面时对地面所施加的作用力，不利于运动员创造良好的成绩。耐磨层为运动员脚部提供足够的反作用力和良好的防滑抓地性能，弹性层在实际使用过程中起到缓冲作用，能够吸收运动员跑步时对橡胶跑道的冲击力（即冲击吸收），这样的跑道不仅减少了对运动员的伤害，运动员也有舒适的运动体验，同时还有利于运动员创造良好的成绩。在一定温度和压力条件下制备的水性预制型橡胶跑道具有较好的稳定性，热胀冷缩的比率可以控制在1%以内，在露天全天候铺装过程以及后期使用过程中，收缩率可控，满足橡胶跑道的专业使用要求。
实施例2
本实施例的水性预制型橡胶跑道，包括上下叠加设置的耐磨层和弹性层，耐磨层的上表面具有耐磨防滑花纹，所述耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸10份，水性聚氨酯10份，固体原料88份，氧化铁红2份和促进剂0.2份（本实施例中的促进剂为黄原酸盐类促进剂），固体原料为橡胶粉末和橡胶颗粒，其大小为5-60目；其中5-20目占40%，20-60目占60%；
所述弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯5份，水性丙烯酸5份，固体原料90份，促进剂0.2份（本实施例中的促进剂为黄原酸盐类促进剂），其中固体原料为橡胶粉末和橡胶颗粒，大小为20-100目，其中20-60目占40%，60-100目占60%。
所述橡胶粉末和橡胶颗粒为一级工业回收料和边角料，本实施例使用的是NR、EPDM、EVA的混合料，其中NR、EPDM、EVA各占20%、30%、50%。
所述水性预制型橡胶跑道的抗拉强度≥0.5MPa，冲击吸收率为 35-50%。本产品与传统的橡胶跑道相比冲击吸收性能和抗低温性能较好。
耐磨层的厚度为6mm。弹性层的厚度为7mm。跑道的弹性、韧性以及强度需在适合的范围内才能满足实际的使用要求，若跑道太硬（即硬度、弹性稍大），则运动员在比赛过程中很容易产生运动伤害；若跑道太软（即硬度、弹性稍小），会吸收较多运动员在跑步蹬踏地面时对地面所施加的作用力，不利于运动员创造良好的成绩。耐磨层为运动员脚部提供足够的反作用力和良好的防滑抓地性能，弹性层在实际使用过程中起到缓冲作用，能够吸收运动员跑步时对橡胶跑道的冲击力（即冲击吸收），这样的跑道不仅减少了对运动员的伤害，运动员也有舒适的运动体验，同时还有利于运动员创造良好的成绩，因此将耐磨层和弹性层的厚度限制在上述范围内。
水性预制型橡胶跑道的长度为20m。这样的设置可以减少专业跑道的拼接缝数量，降低铺装难度。
上述预制型橡胶跑道的制备工艺，包括如下步骤：
步骤1，混料：按上述重量份数称取耐磨层原料以及弹性层原料，分别混合均匀，获得耐磨层混料以及弹性层混料；
步骤2，烘干：弹性层混料和耐磨层混料先后按厚度为7-8mm和15-18mm放入具有上模和下模的模具中，具体为将弹性层混料放置在下模中铺平，而后在铺平的弹性层混料上表面放置耐磨层混料再铺平，然后加盖上模；在无压、80-120℃条件烘干5-10min，直至混料表面基本不粘手；
步骤3，初压：保持上模和下模的高度在15-15.5mm，在80-100T/m2下压5-10min，然后开模将湿气排出并修整表面；
步骤4，二次加压：对模具加温，使得模具内腔表面温度在120-150℃，保持上模和下模的高度在13-13.5mm，在150-250T/m2下压15-25min，而后开模自然冷却至室温后获得预制型橡胶跑道制品。
制备过程中监测VOC的排放量和残留量，经实际测量，在制备过程中未检出VOC的排放和残留。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求的范围中。

Claims (8)

1.一种水性预制型橡胶跑道，其特征在于，包括上下叠加设置的耐磨层和弹性层，耐磨层的上表面设有耐磨防滑花纹，所述耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸5-10份，水性聚氨酯5-10份，固体原料75-88份，无机颜色填料2-5份和促进剂0.2-3份，固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，其大小为5-60目，其中5-20目占40%，21-60目占60%；
所述弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯5-10份，水性丙烯酸5-10份，固体原料80-90份，促进剂0.2-3份，其中固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，大小为20-100目，其中20-60目占40%，61-100目占60%。
2.根据权利要求1所述的水性预制型橡胶跑道，其特征在于，所述橡胶粉末和橡胶颗粒为一级工业回收料和边角料，包括合成橡胶包装料、天然橡胶制品边角料、合成橡胶制品边角料以及发泡鞋底料。
3.根据权利要求1所述的水性预制型橡胶跑道，其特征在于，所述水性预制型橡胶跑道的抗拉强度≥0.5MPa，冲击吸收率为 35-50%。
4.根据权利要求1所述的水性预制型橡胶跑道，其特征在于，耐磨层的厚度为4-6mm。
5.根据权利要求1所述的水性预制型橡胶跑道，其特征在于，弹性层的厚度为7-9mm。
6.根据权利要求1所述的水性预制型橡胶跑道，其特征在于，所述水性预制型橡胶跑道的长度为10-20m。
7.一种水性预制型橡胶跑道的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，混料：称取耐磨层原料以及弹性层原料，分别混合均匀，获得耐磨层混料以及弹性层混料；
其中，所述耐磨层的原料按重量份数为：水性丙烯酸5-10份，水性聚氨酯5-10份，固体原料75-88份，无机颜色填料2-5份和促进剂0.2-3份，固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，其大小为5-60目，其中5-20目占40%，21-60目占60%；
所述弹性层的原料按重量份数为：水性聚氨酯5-10份，水性丙烯酸5-10份，固体原料80-90份，促进剂0.2-3份，其中固体原料包括橡胶粉末和橡胶颗粒，大小为20-100目，其中20-60目占40%，61-100目占60%；
步骤2，烘干：弹性层混料和耐磨层混料先后按厚度为7-8 mm和 15-18 mm放入具有上模和下模的模具中，在无压、80-120℃条件烘干5-10min，直至混合料基本不粘手；
步骤3，初压：保持上模和下模的高度在15-15.5mm，在80-100T/m2下压5-10min，然后开模将湿气排出并修整表面；
步骤4，二次加压：对模具加温，使得模具内腔表面温度在120-150℃，保持上模和下模的高度在13-13.5mm，在150-250T/m2下压15-25min，而后开模自然冷却至室温后获得水性预制型橡胶跑道制品。
8.根据权利要求7所述的水性预制型橡胶跑道的制备工艺，其特征在于，步骤2中，将弹性层混料放置在下模中铺平，而后在铺平的弹性层混料上表面放置耐磨层混料再铺平，然后加盖上模。
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