聚氨酯橡膠塑膠跑道耐老化性能分析

張友安，陳瓊霞，吳立柱

(河北師范大學 公體部，河北 石家莊 050000)

塑膠跑道主要由橡膠和其他材料(例如聚氨酯)開發而成，具有一定程度的彈性和顏色[1-3]。同時，它還具有一定的抗紫外線和抗衰老能力，是全球公認的最佳戶外運動地面材料[3-6]。本文針對聚氨酯橡膠跑道抗老化性能的分析和討論，與傳統的塑膠跑道相比，聚氨酯橡膠跑道具有更強的抗老化性能。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

預聚體、色漿、聚氨酯膠、廢舊橡膠顆粒、2-乙基乙酸鉛、鄰苯二甲酸二異辛酯均為工業品。

JJ-1型電動攪拌器；401A型老化箱；SN-500F氙氣老化試驗箱；XWW-20電子萬能試驗機；M-2000A 摩擦儀。

1.2 聚氨酯橡膠顆?；旌衔锏闹苽?/h3>

分兩步制備聚氨酯橡膠顆粒混合物：①預聚體和色漿按質量比1∶3比例加入攪拌機，加入2-乙基乙酸鉛的鄰苯二甲酸二異辛酯溶劑作為催化劑，攪拌混合均勻，攪拌速度為200 r/min，攪拌時間為 1.5 min，制成膠漿；②將膠漿與橡膠顆粒混合，攪拌混合均勻，攪拌速度為300 r/min，根據混合量，混合時間為1.5～3 min。由于聚氨酯粘合劑在高溫條件下的高初始硬化速率，因此所有混合過程均在室溫下進行。

1.3 耐老化性能測試

1.3.1 長期熱老化試驗 參照瀝青混合料的長期老化試驗方法(JTG E20—2011)[7]，采用長期老化試驗方法研究其抗老化性能[8-9]。

將制備的聚氨酯橡膠顆粒混合物的拉伸試驗樣品置于(85±3)℃的老化箱中，并在強制通風條件下連續加熱5 d。將老化的拉伸試驗片與連接器粘接，粘接牢固后進行直接拉伸試驗。抗老化指標是由老化和未老化的聚氨酯橡膠顆粒混合物之間的失效應力、破壞應變、斷裂能來確定的。

1.3.2 紫外線老化試驗[10-12]紫外線老化是在氙氣老化試驗箱中進行的，該箱輻射290～340 nm的紫外線，額定功率為1.8 kW，溫度為(60±3)℃，相對濕度為(50±5)%。紫外線老化時間為0，200，400，750 h。

1.3.2.1 拉伸強度測試 根據國際標準 ISO 527：1，由萬能材料測試儀進行拉伸測試。

1.3.2.2 摩擦和磨損測試 在摩擦儀上進行，施加的磨損測試儀的載荷為210 N，干摩擦160 min，轉速為210 r/min。

將5個樣品的數據取平均值，以確定機械性能，拉伸強度的誤差通常為3%～7%，斷裂伸長率的誤差通常為5%～25%，摩擦系數的誤差為4%～6%，比磨損率的誤差為8%～15%。

2 結果與討論

2.1 抗熱老化性能

聚氨酯橡膠材料與傳統塑膠跑道經熱老化后與未老化時，進行直接拉伸測試的失效應力、破壞應變、斷裂能比較，結果見表1。

表1 未老化和老化聚氨酯橡膠跑道的 失效應力、破壞應變和斷裂能對比Table 1 Comparison of failure stress，failure strain and fracture energy of unaged and aged polyurethane rubber track

由表1可知，聚氨酯橡膠材料的失效應力、破壞應變、斷裂能均高于傳統塑膠跑道。老化后的聚氨酯橡膠材料與傳統塑膠跑道的失效應力均降低了，但未老化的聚氨酯橡膠材料的失效應力高于傳統塑膠跑道，這表明聚氨酯橡膠跑道的強度更好。聚氨酯橡膠跑道在老化后失效應力降低了8.33%，而傳統塑膠跑道的失效應力降低為22.41%。這意味著，熱老化會對材料拉伸強度及其產生較大影響，但聚氨酯橡膠材料的抗老化性能更好。破壞應變方面，聚氨酯橡膠跑道的破壞應變比傳統塑膠跑道更高，老化后聚氨酯橡膠跑道的破壞應變下降了 29.41%，而傳統塑膠跑道的破壞應變降低達到53.33%。

斷裂能是指試樣承受拉伸載荷并擴展裂紋單位面積所需的能量[13-16]。它等于應力-應變曲線下包含的面積與樣品特征長度的乘積，并通過以下公式計算[17-18]：

其中，σ為應力；ε0為總應變；d為樣本的特征長度。

材料的拉伸強度和延展性越高，斷裂能越大[19]。由表1可知，未老化聚氨酯橡膠材料具有最高的斷裂能，高于傳統塑膠跑道。熱老化后，聚氨酯橡膠跑道和傳統塑膠跑道的斷裂能均有下降，這意味著老化對材料性能有很大的影響。但聚氨酯橡膠跑道降低 39.54%，傳統塑膠跑道降低達到了 62.72%，老化對聚氨酯橡膠跑道的性能影響更小，其抗老化性能更好。

通過對未老化和老化的聚氨酯橡膠跑道的失效應力，破壞應變和斷裂能的比較分析，發現熱老化對跑道性能的影響是顯著的。在老化前后，斷裂能變化最為劇烈。因此，老化后的跑道的抗裂性顯著降低。但相比兩者的抗老化性能，聚氨酯橡膠材料具有更出色的抗老化性能，明顯優于傳統塑膠跑道。

2.2 耐紫外線老化性能分析

為了驗證聚氨酯橡膠跑道的耐老化性能，對其進行紫外線老化后，利用拉伸、摩擦和磨損測試，評估聚合物聚氨酯橡膠跑道耐老化性能，并與傳統塑膠跑道進行對比。紫外線主要在老化的后期引起粘結斷裂，使跑道強度耐磨性降低。

2.2.1 機械學性能對比 聚氨酯橡膠跑道與傳統塑膠跑道拉伸強度和伸長率在紫外線老化前后對比見圖1和圖2。

圖1 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統塑膠跑道的拉伸強度Fig.1 Tensile strength of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

圖2 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統塑膠跑道的伸長率Fig.2 Elongation of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由圖1和圖2可知，聚氨酯橡膠跑道強度在早期老化階段較高，然后迅速下降。當老化時間達到750 h時，降解急劇發生，表現出拉伸強度和伸長率保持率分別為88.74%和69.52%。

傳統塑膠跑道強度在早期老化就較聚氨酯橡膠跑道低，同樣迅速下降，但老化750 h，拉伸強度保持率僅在80%左右，伸長率保持在66.67%。說明聚氨酯塑膠跑道機械性能的耐老化性高于傳統塑膠跑道。

2.2.2 摩擦學性能對比 聚氨酯橡膠跑道與傳統塑膠跑道的摩擦系數變化及比磨損率變化在紫外線老化前后對比見圖3和圖4。

圖3 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統塑膠跑道的摩擦系數Fig.3 Friction coefficient of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由圖3可知，在摩擦學性能方面，聚氨酯橡膠跑道的摩擦系數較傳統塑膠跑道高。隨著時間的增加，摩擦系數均有增加，聚氨酯橡膠跑道增加了39.95%，而傳統塑膠跑道僅增加27.32%。這說明聚氨酯橡膠跑道較傳統塑膠跑道有更好的摩擦性能。

圖4 老化后聚氨酯橡膠跑道和傳統塑膠跑道的比磨損率Fig.4 Specific wear rate of polyurethane rubber track and traditional plastic track after aging

由圖4可知，聚氨酯橡膠跑道的比磨損率較傳統塑膠跑道高。時間增加，使比磨損率增加，至 750 h 聚氨酯橡膠跑道比磨損率增加了123.33%，傳統塑膠跑道雖有增加，但始終低于聚氨酯橡膠跑道。這說明聚氨酯橡膠跑道較傳統塑膠跑道有更好的耐磨性能。

由圖3和圖4 可知，聚氨酯橡膠跑道較傳統塑膠跑道有更好的摩擦學性能的耐老性。

3 結論

(1)熱老化對跑道性能的影響是顯著的，其強度和抗裂性能會降低。聚氨酯橡膠材料的抗老化性能明顯優于傳統塑膠跑道。

(2)紫外線老化對跑道的機械學性能及摩擦學性能均有影響。但紫外線老化對聚氨酯橡膠跑道材料影響較傳統塑膠跑道低。

綜上所述，聚氨酯橡膠跑道具有維持強度好、耐磨的特點，可廣泛應用于實際生活中。