無溶劑聚氨酯環保籃球用材料制備方法及其性能研究

李小坤

摘 要：籃球制作中將無溶劑聚氨酯環保材料作為首選材料，即滿足籃球彈性性能，又能達到節能環保要求。文章對無溶劑聚氨酯材料應用進行解讀;通過半預聚體、預聚體等方法探究無溶劑聚氨酯彈性體制備過程;分析無溶劑聚氨酯彈性體基本性能、力學性能、耐介質性能等。

關鍵詞：無溶劑彈性體;籃球環保材料;半預聚體;預聚體

中圖分類號：TU57 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0053-03

Abstract：Solvent-free polyurethane environmental protection material is the preferred material in basketball production， which not only meets the elastic performance of basketball， but also meets the requirements of energy conservation and environmental protection. In this paper， the application of solvent-free polyurethane materials is explained. The preparation process of solvent-free polyurethane elastomer was investigated by means of semi-prepolymer and prepolymer. The basic properties， mechanical properties and dielectric resistance of solvent-free polyurethane elastomers were analyzed.

Key words：solvent-free elastomer;basketball environmental protection materials; Semi-prepolymer; prepolymer

0 引言

籃球中使用的無溶劑聚氨酯彈性體屬于嵌段聚合物，其儲存大量極性基團，能夠在無溶劑聚氨酯分子內形成氫鍵。材質中的軟段與硬段能夠產生微相分離，線性聚氨酯也能夠通過氫鍵達成物理聯交。以上結構特征賦予無溶劑聚氨酯彈性體高密度、高彈性、高耐磨性、高硬度、高韌性、耐油性等優勢特征，在市場中得到認同及應用。

1 無溶劑聚氨酯材料應用概述

根據聚氨酯彈性體不同加工屬性，可將其分為3類：澆注型（CPU）、熱塑性型（TPU）及混合型（MPU）聚氨酯彈性體[1]。聚氨酯彈性體具備良好的綜合屬性，所以被廣泛應用于體育器材、農業加工生產、醫療技術等領域。例如：在體育器材籃球生產領域中，它可以用作籃球表面膠體材料、粘合劑等;在機械制造領域中，它可以用作膠帶、密封材料等;在汽車行業中，它可以用作輪胎原材料、密封圈等;在輕工業領域中，可用作聚氨酯鞋底材料、聚氨酯纖維等;在建筑工業領域中，可用于防水材料、裝飾材料等。目前我國越來越重視環保工作的落實，在無溶劑聚氨酯環保材料使用中逐漸深入探究，使其被更多生產領域應用。

2 無溶劑聚氨酯制備方法

目前，丙酮法是水性聚氨酯首要制備方法，制備流程如圖1中1-a所示;無溶劑法的制備流程如圖1中1-b所示。其制備原料主要有聚異氰酸酯、聚酯/聚醚多元醇和二羥甲基丙酸。通過比較兩個制備過程，發現無溶劑制備方法將傳統制備過程進行優化，不再加入有毒溶劑，不僅降低材料成本，對環境污染也會減小[2]。無溶劑聚氨酯通常由A部分和B部分組成。其中A部分包括異氰酸酯預聚物或聚醚/聚酯多元醇改性的聚異氰酸酯; B部分包括末端氨基聚醚、聚胺擴鏈劑。調節固化劑比例，無溶劑能夠在一定范圍內調節成膜性能，并使其達到環保標準。

2.1 半預聚體法

半預聚體在制備過程中使用本體合成方式，在其參加反應過程中不添加任何溶劑。通過對實驗數據分析，能夠確定無溶劑聚氨酯涂料使用半預聚體溫度為85℃，MDI/PTMG體系預聚時間為2h，具體制備途徑如下將281g聚醚PTMG分別加入500ml攪拌器、500ml溫度計及500ml真空裝置的三口燒瓶中，將溫度設置為115～125℃，經過2～2.5h脫水后[3]，將溫度冷卻至35℃，在燒杯中添加計液化MDI，最終合成PTMG/MDI[4]。其在合成10min之內反應較激烈，無外部條件加入，溫度自然上升至60℃;合成速度下降后，溫度上升至85℃左右，保溫反應為2h。

2.2 預聚體法

預聚體方法是在制備前合成含-NCO端基預聚物，完成中和后，將具有可溶性去離子水在較低溫度下添加到預聚物中。通過側鏈延伸與分散制備無溶劑水性聚氨酯。具體步驟：聚醚多元醇與甲苯二異氰酸酯在特定環境中反應制備成組分A;組分B是通過聚醚多元醇、擴鏈劑與一定比例的填料混合并研磨制備產生;將一定質量的A、B組分均勻融合調制涂膜。實驗結束后對原料類型、游離-NC0質量分數、擴鏈劑中聚醚多元醇比例及其他添加劑用量展開討論，并分析不同用量對涂膜力學性能產生的影響。

2.3 高壓無空氣噴涂成型

高壓無空氣噴涂成型的壓力在15～25MPa，最大噴涂流量為8kg/min，A組分與B組分的體積比在3∶1與1∶3之間[5]。

低壓有空氣噴涂經過改良與完善形成高壓無空氣噴涂。在低壓、有空氣環境中進行噴涂時，材料在空氣中高速霧化，在噴涂工作時會飛濺四周，使原材料產生不必要的損失;在高壓無空氣噴涂中，是把材料在高壓環境中瞬間減壓霧化噴射到籃球表面，其霧化后的粒子細密、材料損失較少，將對環境的污染降為最低，保證生產能夠安全進行。其劣勢在于設備價格貴、設備材料要求高，其需要極低粘度材料、材料兩種成分之間粘度查較小。

3 無溶劑聚氨酯性能研究

3.1 聚氨酯涂料基本性能

在溫度（30±1）℃與濕度（65±2）%的環境中，測試二組分聚氨酯彈性涂層固含量、涂料干燥時間、力學性能與涂料附著力，測試結果如表1所示[6]。

測試結果中可以看出，該聚氨酯彈性涂料具備穩定的干燥時間及操作時間，經過固化的涂層表面呈現平整光滑狀態。文章所提的無溶劑涂料固含量測定值是96.7%，未達到100%，原因是涂料進行固含量測定時需要將兩組分的混合物放置在120℃環境中烘干3h，在高溫環境中[7]，使用非溶劑類材料會丟失部分質量，而該測試部分用于工業原料，材料中的雜質隨高溫蒸來降低固含量。

聚氨酯彈性涂層具有高強度與良好彈性。涂層經過45cm兩種落球方式沖擊試驗、1mm彎曲柔韌性試驗后，表明落球點與彎曲處涂層對基材附著力較好，無脫落及裂紋現象。在5倍放大鏡下通過勘測被測試區域涂層，未發現有破壞性現象。證明聚氨酯彈性涂料具備良好抗沖擊性及柔韌性。

3.2 耐介質性能

聚氨酯彈性涂料用于船舶及工業防腐領域時，長時間與腐蝕性物質接觸。涂層浸入液體介質中時，腐蝕性物質將對聚氨酯彈性體材料造成損害，使彈性涂層保護能力下降。樣品在液浸環境中，侵入將滲入基體表面，導致涂層與基體之間發生膨脹裂紋及脫落現象[8]，腐蝕介質與基體間接觸范圍加大，使涂層失去防護能力，導致基材受到腐化及破壞。

（1）彈性介質力學性能：將彈性涂層在人造海水、10%氯化氫溶液和10%碳酸氫鈉溶液中浸泡30d后，測試樣品拉伸強度與涂層附著力。與測試前結果對比，分析涂層自身耐浸泡性能，測試結果如表2所示。

（2）測試結果說明：在介質浸泡30d后，在堿性溶液與海水中的彈性涂層樣品拉伸強度仍較高;經過強酸溶液浸泡后的樣品拉伸強度降低近11%[9]。浸泡腐蝕性介質后，彈性涂層與基材之間的粘附力變化與彈性體本身拉伸強度降低規律相符。在強酸溶液中附著力快速下降，浸在海水中的強堿涂層附著力仍保持較好性能。

3.3 耐紫外老化性能

在聚氨酯彈性涂層、耐浸泡性能可以看出，彈性涂層結構能全面防止腐蝕性介質滲入基材與涂層界面，達到物理屏蔽防腐蝕效果。但是，在戶外使用涂層時，聚氨酯會因日光中紫外線照射而降解，涂層會出現失光、開裂等現象，具有腐蝕性介質便從涂層裂紋處滲入基材表面，致使基材產生腐蝕，使彈性涂層失去保護作用。

室外使用涂料時，在潮濕與高溫交替環境中，涂層受到環境因素影響逐漸老化。首先涂層將變成粉狀并失去亮度，其次破裂并掉落，最終其失去保護價值;紫外光下涂層反應產生大分子鏈及發色或發色子基團的降解最終導致涂層變色。對涂層的顏色差、亮度與老化時間進行測試，將其作為評估聚氨酯彈性體老化程度重要參考標準;紫外線老化測試中，對不同老化時間涂層亮度及色差開展測試，并將其與老化前數值進行對比，探究聚氨酯彈性涂料在紫外線老化過程中亮度與顏色變化趨勢。

從圖3看出，隨著UV老化時間的延長，HMDI-PTMG1000彈性涂料的亮度和顏色也會產生變化。在UV老化測試前的200h，涂層的亮度和顏色的變化速率較小;在UV老化的400h之后，涂層亮度及顏色變化速率逐漸加大;當uv老化的500h時，涂層亮度降率為8.21%，顏色差變化的數值為1.67，經過紫外線老化前后的涂層外觀幾乎沒有改變[10]。在老化后亮度及顏色差別變化可以看出脂族聚氨酯彈性涂料的耐變色性高于其他聚氨酯彈性涂料。

4 結語

聚氨酯彈性體材料品種較多，在各個生產領域中得到普遍的應用，近幾年呈現良好穩定的發展狀態，它是繼聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯以后的新型聚合材料。在國民經濟快速發展、公民環保理念的逐漸增強，聚氨酯彈性體正在向無溶劑材料靠近。基于固體噴涂技術的日趨穩定、人們對該技術的不斷了解，它會以一種嶄新的成型工藝出現在聚氨酯領域中。

參考文獻

[1]陳英英，游愛鴛，王小君，等.淺談水性聚氨酯材料及其在相關業務上的應用[J].染整技術，2020，42（09）：8-12.

[2]顧佳佳，蔣紅梅.二胺固化劑對無溶劑封閉型聚氨酯樹脂性能的影響[J].聚氨酯工業，2020，35（04）：35-38.

[3]潘越，文慶珍，朱金華.表面接枝含氟樹脂改性HGB對聚氨酯涂層耐老化性能的影響[J].表面技術，2020，49（06）：305-313+344.

[4]姚衛琴，石紅翠，張博等.KH-550改性單組分濕固化聚氨酯膠黏劑的性能研究[J].聚氨酯工業，2020，35（05）：9-11.

[5]許甄，顧繼友，宋季軒，等.濕固化聚氨酯膠粘劑研究進展[J].中國膠粘劑，2020，29（10）：46-52+64.

[6]馮月蘭，趙雨花，張清運，等.從CO_2出發合成環狀碳酸酯及雜化非異氰酸酯聚氨酯[J].化學推進劑與高分子材料，2020，18（02）：28-32.

[7]侯旭明，沈一丁，謝寧，等.丙烯酸酯共聚物表面活性劑/多異氰酸酯乳液的制備及表面施膠性能[J].合成化學，2020，28（04）：263-269.

[8]李海柱，儀海霞，邵蒙，等.膜組件用聚氨酯灌封膠的制備及性能研究[J].中國膠粘劑，2020，29（02）：26-30.

[9]韓國程，陳廣學，俞朝暉，等.生物基聚氨酯膠粘劑的研究進展[J].中國膠粘劑，2020，29（02）：57-61.

[10]于漢啟.新型高分子膠粘劑在變電站線路保護的應用[J].粘接，2020，42（06）：11-15.