CN116554398A - 一种具有高缓冲性能的人造草坪材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有高缓冲性能的人造草坪材料，属于人造草坪技术领域，将铵盐和衍生化的苯并21‑冠‑7之间的络合物两端引入双键，再与乙烯共聚，得到的网络状聚合物；利用本发明制备的高缓冲性能的人造草坪材料制备的人造草坪具有较强的弹性恢复能力、抗拉伸和缓冲性能，大大降低了在使用过程中对运动员造成的伤害，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于人造草坪技术领域，具体是一种具有高缓冲性能的人造草坪材料。
背景技术
与纯天然植物生命草坪相比，利用现代塑料化纤或其他材料制备的人造草坪具有显著的优点，人造草坪可以全天候的使用，受外界自然环境及气候变化影响较小，并且维护简单，长期养护方便和成本低廉，因此，人造草坪在学校、运动场地、阳台和绿化地面等方面被广泛使用。
传统的人造草坪以沥青或混凝土为基层，通常在较长时间的使用后会出现硬度逐渐变大等变化趋势，此时人造草坪的缓冲能力仅能靠一层橡胶层提供，缓冲性能将一直处于下滑状态，在运动员使用过程中极其容易导致运动员脚踝或膝关节手上，因此需要靠草丝层来增加人造草坪的缓冲能力。目前，人造草坪的草丝层多为聚乙烯和聚丙烯材料混合制备而成，此外也有使用聚氯乙烯、聚酰胺等材料进行制备。其中聚乙烯的手感更为柔软、外观和运动性能更接近天然草，被用户广泛接受，目前市场上使用最广泛的人造草纤维原材料；为了提高人造草坪的缓冲能力就需要增加草丝层的高度或者对目前的聚乙烯进行改性，但是草丝的高度增加会大大增加人造草坪的成本，因此需要对现有的聚乙烯进行改性来提高材料的缓冲性能。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种具有高缓冲性能的人造草坪材料及其制备方法。通过将铵盐和衍生化的苯并21-冠-7之间的络合物两端引入双键，再与乙烯共聚，得到一种具有较强拉伸性能和较高弹性的网络状聚合物。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种具有高缓冲性能的人造草坪材料，其结构式如下：
。
制备所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的方法，具体合成路线为：
。
所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，包括以下步骤：
1）将二烯丙基胺加入水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入丙酮和六氟磷酸铵，25~30℃搅拌反应1~2h，反应结束后过滤，所得滤饼为化合物1；
所述二烯丙基胺、水、丙酮和六氟磷酸铵的质量比为1：5~10：5~10：1.5~5；
2）将六乙二醇和碱1加入有机溶剂1中，再向其中加入对甲苯磺酰氯，25~30℃搅拌反应12~24h，反应完成后向所得反应液中加入水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2；
所述六乙二醇、碱1、有机溶剂1、对甲苯磺酰氯和水的质量比为1：1~2.5：5~10：1.5~2：5~10；
所述有机溶剂1为二氯甲烷或二氯乙烷；
3）将步骤2）制得的化合物2和4-乙烯基苯-1，2-二酚加入有机溶剂2中，再加入碱2，80~100℃下反应12~24h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用醇类溶剂重结晶，得到化合物3；
所述化合物2、4-乙烯基苯-1，2-二酚、有机溶剂2和碱2的质量比为1：4.5~5.5：10~20：2.5~3.5；
所述有机溶剂2为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或乙腈；
所述碱2为碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯；
4）将步骤3）制得的化合物3、步骤1）得到的化合物1、齐格勒-纳塔催化剂和有机溶剂3加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入乙烯后加热至100~140℃，控制反应器压力为4~5Mpa，搅拌反应12~24h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料；
所述化合物3、化合物1、乙烯、齐格勒-纳塔催化剂和芳香溶剂的质量比为1：0.5~1：1~10：0.01~ 0.1：10~15；
所述有机溶剂3为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺。
步骤2）中所述碱1为三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾或N，N-二异丙基乙胺。
步骤3）中所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或叔丁醇。
优选的，步骤1）中所述二烯丙基胺、水、丙酮和六氟磷酸铵的质量比为1：7.5：7.5：1.7。
优选的，步骤2）中所述六乙二醇、碱1、有机溶剂1、对甲苯磺酰氯和水的质量比为1：1.2：7.5：1.8：7.5。
优选的，步骤3）中所述化合物2、4-乙烯基苯-1，2-二酚、有机溶剂2和碱2的质量比为1：4.7：12：2.9，所述碱2为碳酸钾。
优选的，步骤4）中所述化合物3、化合物1、乙烯、齐格勒-纳塔催化剂和芳香溶剂的质量比为1：0.65：5：0.03：12。
本发明还包括具有高缓冲性能的人造草坪材料在人造草坪草丝制造方面的应用。
本发明将铵盐和衍生化的苯并21-冠-7之间的络合物两端通过引入双键，再与乙烯共聚，使其嵌入聚苯乙烯主链，从而得到具有高缓冲性能的人造草坪材料，其结构示意图如图1所示。常规状态下，具有高缓冲性能的人造草坪材料中的冠醚与带正电荷的铵盐有较强的分子间作用力，在施加拉力或者压力的时候，冠醚环组分可以暂时被迫离开正电荷的铵盐部分，被拉到聚乙烯的烷基主链上，但冠醚和铵盐之间的强烈相互作用可以让冠醚回到原位置，从而使得制备的高缓冲性能的人造草坪材料具有较强的弹性恢复能力、抗拉伸和缓冲性能。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的具有高缓冲性能的人造草坪材料，常规状态下，冠醚与带正电荷的铵盐有较强的分子间作用力，在施加拉力或者压力的时候，冠醚环组分可以暂时被迫离开正电荷的铵盐部分，被拉到聚乙烯的烷基主链上，但冠醚和铵盐之间的强烈相互作用可以让冠醚回到原位置，从而使得制备的高缓冲性能的人造草坪材料具有较强的弹性恢复能力、抗拉伸性能和缓冲性能。
本发明的具有高缓冲性能的人造草坪材料因为引入了大量的醚键，从而使其具有较高的韧性，不易折断破裂。
本发明的具有高缓冲性能的人造草坪材料制作出来的草丝具有优异的缓冲性能和弹性恢复能力，可以大大降低人造草坪对运动员带来的伤害，降低人造草坪的成本。
附图说明
图1为本发明具有高缓冲性能的人造草坪材料的结构示意图；
附图标记，1-聚乙烯主链，2-冠醚环。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容做进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
以下实施例中化合物1的结构式均为：
；
化合物2的结构式均为：
；
化合物3的结构式均为：
；
具有高缓冲性能的人造草坪材料的结构式均为：
。
实施例1
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入0.5kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入0.5kg丙酮和0.15kg六氟磷酸铵，25℃搅拌反应1h，过滤，所得滤饼为化合物1。1H NMR (500 MHz, DMSO-d 6, 293 K): δ 7.2 (s, 2H), 5.8-5.6 (m, 2H), 5.07-5.03 (m, 4H), 4.0 (t, 4H);13C NMR (125 MHz, DMSO-d 6, 293 K): δ 128.6, 128.4,50.5。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.1kg三乙胺加入0.5kg二氯甲烷中，再向其中加入0.15kg对甲苯磺酰氯，25℃搅拌反应12h，反应完成后向所得反应液中加入0.5kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。1H NMR (500 MHz, DMSO-d 6, 293 K): δ 7.75 (d, 4H), 7.45 (d, 4H), 3.54-3.52 (m, 24H), 2.43 (s, 6H);13C NMR (125 MHz, DMSO-d 6, 293 K): δ 144.4, 140.3,130.5, 128.3, 70.4, 69.0, 67.6, 21.3。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.45kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入1kg二甲基亚砜中，再加入0.25kg碳酸钠，80℃下反应12h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用甲醇重结晶，得到化合物3。1H NMR (500 MHz, DMSO-d 6, 293 K): δ 7.30 (dd, 1H),7.23 (dd, 1H), 7.03 (dd, 1H), 6.70-6.74 (m, 1H), 5.76 (dd, 1H), 5.25 (dd,1H), 4.11 (t, 4H), 3.79 (t, 4H), 3.54 (s, 16H);13C NMR (125 MHz, DMSO-d 6, 293K): δ 149.9, 149.2, 136.1, 129.9, 121.4, 117.8, 114.3, 111.2, 71.6, 70.6,70.2。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.05kg化合物1、0.001kg齐格勒-纳塔催化剂和1kg二甲基甲酰胺加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入0.1kg乙烯后加热至100℃，控制反应器压力为4Mpa，搅拌反应12h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
实施例2
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入0.6kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入0.6kg丙酮和0.2kg六氟磷酸铵，26℃搅拌反应1.2h，过滤，所得滤饼为化合物1。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.15kg碳酸钾加入0.6kg二氯乙烷中，再向其中加入0.16kg对甲苯磺酰氯，26℃搅拌反应15h，反应完成后向所得反应液中加入0.6kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.48kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入1.1kg二甲基甲酰胺中，再加入0.28kg碳酸钾，85℃下反应14h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用乙醇重结晶，得到化合物3。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.06kg化合物1、0.002kg齐格勒-纳塔催化剂和1.1kg 二甲基亚砜加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入0.2kg乙烯后加热至105℃，控制反应器压力为4.5Mpa，搅拌反应14h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
实施例3
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入0.75kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入0.75kg丙酮和0.17kg六氟磷酸铵，28℃搅拌反应1.5h，过滤，所得滤饼为化合物1。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.12kg氢氧化钾加入0.75kg二氯乙烷中，再向其中加入0.18kg对甲苯磺酰氯，28℃搅拌反应18h，反应完成后向所得反应液中加入0.75kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.47kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入1.2kg二甲基甲酰胺中，再加入0.29kg碳酸钾，90℃下反应18h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用乙醇重结晶，得到化合物3。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.065kg化合物1、0.003kg齐格勒-纳塔催化剂和1.2kg 二甲基亚砜加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入0.5kg乙烯后加热至120℃，控制反应器压力为4.5Mpa，搅拌反应15h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
实施例4
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入0.8kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入0.8kg丙酮和0.2kg六氟磷酸铵，29℃搅拌反应1.8h，过滤，所得滤饼为化合物1。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.2kg氢氧化钠加入0.8kg二氯甲烷中，再向其中加入0.19kg对甲苯磺酰氯，29℃搅拌反应20h，反应完成后向所得反应液中加入0.8kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.5kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入1.8kg二甲基甲酰胺中，再加入0.3kg碳酸钾，95℃下反应20h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用异丙醇重结晶，得到化合物3。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.08kg化合物1、0.008kg齐格勒-纳塔催化剂和1.4kg二甲基甲酰胺加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入0.8kg乙烯后加热至130℃，控制反应器压力为5Mpa，搅拌反应20h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
实施例5
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入1kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入1kg丙酮和0.5kg六氟磷酸铵，30℃搅拌反应2h，过滤，所得滤饼为化合物1。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.25kg N,N-二异丙基乙胺加入1kg二氯甲烷中，再向其中加入0.2kg对甲苯磺酰氯，30℃搅拌反应24h，反应完成后向所得反应液中加入1kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.55kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入2kg乙腈中，再加入0.35kg碳酸钠，100℃下反应24h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用异丙醇重结晶，得到化合物3。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.1kg化合物1、0.01kg齐格勒-纳塔催化剂和1.5kg二甲基甲酰胺加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入1kg乙烯后加热至140℃，控制反应器压力为5Mpa，搅拌反应24h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
实施例6
化合物1的制备：
将0.1kg二烯丙基胺加入0.7kg水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入0.7kg丙酮和0.5kg六氟磷酸铵，25℃搅拌反应2h，过滤，所得滤饼为化合物1。
化合物2的制备：
将0.1kg六乙二醇和0.22kg 碳酸钠加入1kg二氯乙烷中，再向其中加入0.18kg对甲苯磺酰氯，30℃搅拌反应12h，反应完成后向所得反应液中加入0.8kg水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2。
化合物3的制备：
将0.1kg化合物2和0.52kg 4-乙烯基苯-1，2-二酚加入1.9kg乙腈中，再加入0.32kg碳酸钾，100℃下反应12h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用叔丁醇重结晶，得到化合物3。
具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备：
将0.1kg化合物3、0.05kg化合物1、0.01kg齐格勒-纳塔催化剂和1.4kg 二甲基甲酰胺加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入0.65kg乙烯后加热至140℃，控制反应器压力为4.5Mpa，搅拌反应12h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料。
性能评价
以重量份计，将40份本发明实施例1~6制备的具有高缓冲性能的人造草坪材料、1份抗氧化剂1010和1份抗静电剂加入高速混合机混合均匀后加入挤出机进行挤出拉丝，控制拉伸温度为95°C，拉伸比为5.5:1，控制回缩比为25％，控制热处理温度为200°C，进行拉丝工艺得到人造草坪丝，最后收卷成成品草坪丝筒管；将成品草丝纤维及底布纤维丝放入舌针刀针双针在线切割簇绒机组中，将草丝纤维及底布纤维丝编织成一体成形人造草坪。
对比例为使用40份聚乙烯代替具有高缓冲性能的人造草坪材料按照上述方法制备的草坪。
利用万能拉力试验机依据GB/T 106464-2001测试草坪丝的拉伸强度、拉断伸长率，依据GB/T 36246-2018《中小学合成材料面层运动场地》中提供的方法对人造草坪的草丝拉断力、冲击吸收性能和垂直变形性能进行测试，其检测结果如表1所示。
表1人造草坪的性能参数表
由表1 结果可以看出，相比于聚乙烯制成的人造草坪，利用本发明制备的具有高缓冲性能的人造草坪材料制备的人造草坪冲击力比较大，具有较高的缓冲性能，具有较大的垂直变形性能，同时具有较大的韧性，拉伸强度和拉断伸长率比较大，从而降低人造草坪对运动员带来的伤害。
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种具有高缓冲性能的人造草坪材料，其特征在于：其结构式如下：
。
2.制备如权利要求1所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的方法，其特征在于：具体合成路线为：
。
3.如权利要求2所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将二烯丙基胺加入水中，向其中滴加质量浓度为6mol/L的盐酸至二烯丙基胺溶解，再加入丙酮和六氟磷酸铵，25~30℃搅拌反应1~2h，反应结束后过滤，所得滤饼为化合物1；
所述二烯丙基胺、水、丙酮和六氟磷酸铵的质量比为1：5~10：5~10：1.5~5；
2）将六乙二醇和碱1加入有机溶剂1中，再向其中加入对甲苯磺酰氯，25~30℃搅拌反应12~24h，反应完成后向所得反应液中加入水，分出有机相，向其中加入无水硫酸钠除掉有机相中的残余水分，过滤，所得滤液减压蒸馏去除溶剂，得到化合物2；
所述六乙二醇、碱1、有机溶剂1、对甲苯磺酰氯和水的质量比为1：1~2.5：5~10：1.5~2：5~10；
所述有机溶剂1为二氯甲烷或二氯乙烷；
3）将步骤2）制得的化合物2和4-乙烯基苯-1，2-二酚加入有机溶剂2中，再加入碱2，80~100℃下反应12~24h，反应完成后过滤，将所得滤液减压蒸馏去除溶剂，所得残留物用醇类溶剂重结晶，得到化合物3；
所述化合物2、4-乙烯基苯-1，2-二酚、有机溶剂2和碱2的质量比为1：4.5~5.5：10~20：2.5~3.5；
所述有机溶剂2为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺或乙腈；
所述碱2为碳酸钾、碳酸钠或碳酸铯；
4）将步骤3）制得的化合物3、步骤1）得到的化合物1、齐格勒-纳塔催化剂和有机溶剂3加入反应器中，搅拌溶解后，向其中通入乙烯后加热至100~140℃，控制反应器压力为4~5Mpa，搅拌反应12~24h，反应结束后抽滤，得到具有高缓冲性能的人造草坪材料；
所述化合物3、化合物1、乙烯、齐格勒-纳塔催化剂和芳香溶剂的质量比为1：0.5~1：1~10：0.01~0.1：10~15；
所述有机溶剂3为二甲基亚砜、二甲基甲酰胺。
4.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述碱1为三乙胺、碳酸钾、碳酸钠、氢氧化钠、氢氧化钾或N，N-二异丙基乙胺。
5.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中所述醇类溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇或叔丁醇。
6.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中所述二烯丙基胺、水、丙酮和六氟磷酸铵的质量比为1：7.5：7.5：1.7。
7.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中所述六乙二醇、碱1、有机溶剂1、对甲苯磺酰氯和水的质量比为1：1.2：7.5：1.8：7.5。
8.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中所述化合物2、4-乙烯基苯-1，2-二酚、有机溶剂2和碱2的质量比为1：4.7：12：2.9，所述碱2为碳酸钾。
9.如权利要求3所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料的制备方法，其特征在于：步骤4）中所述化合物3、化合物1、乙烯、齐格勒-纳塔催化剂和芳香溶剂的质量比为1：0.65：5：0.03：12。
10.权利要求1所述的具有高缓冲性能的人造草坪材料在人造草坪草丝制造方面的应用。
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