聚氨酯橡胶塑胶跑道耐老化性能分析

张友安，陈琼霞，吴立柱

(河北师范大学 公体部，河北 石家庄 050000)

塑胶跑道主要由橡胶和其他材料(例如聚氨酯)开发而成，具有一定程度的弹性和颜色[1-3]。同时，它还具有一定的抗紫外线和抗衰老能力，是全球公认的最佳户外运动地面材料[3-6]。本文针对聚氨酯橡胶跑道抗老化性能的分析和讨论，与传统的塑胶跑道相比，聚氨酯橡胶跑道具有更强的抗老化性能。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

预聚体、色浆、聚氨酯胶、废旧橡胶颗粒、2-乙基乙酸铅、邻苯二甲酸二异辛酯均为工业品。

JJ-1型电动搅拌器；401A型老化箱；SN-500F氙气老化试验箱；XWW-20电子万能试验机；M-2000A 摩擦仪。

1.2 聚氨酯橡胶颗粒混合物的制备

分两步制备聚氨酯橡胶颗粒混合物：①预聚体和色浆按质量比1∶3比例加入搅拌机，加入2-乙基乙酸铅的邻苯二甲酸二异辛酯溶剂作为催化剂，搅拌混合均匀，搅拌速度为200 r/min，搅拌时间为 1.5 min，制成胶浆；②将胶浆与橡胶颗粒混合，搅拌混合均匀，搅拌速度为300 r/min，根据混合量，混合时间为1.5～3 min。由于聚氨酯粘合剂在高温条件下的高初始硬化速率，因此所有混合过程均在室温下进行。

1.3 耐老化性能测试

1.3.1 长期热老化试验 参照沥青混合料的长期老化试验方法(JTG E20—2011)[7]，采用长期老化试验方法研究其抗老化性能[8-9]。

将制备的聚氨酯橡胶颗粒混合物的拉伸试验样品置于(85±3)℃的老化箱中，并在强制通风条件下连续加热5 d。将老化的拉伸试验片与连接器粘接，粘接牢固后进行直接拉伸试验。抗老化指标是由老化和未老化的聚氨酯橡胶颗粒混合物之间的失效应力、破坏应变、断裂能来确定的。

1.3.2 紫外线老化试验[10-12]紫外线老化是在氙气老化试验箱中进行的，该箱辐射290～340 nm的紫外线，额定功率为1.8 kW，温度为(60±3)℃，相对湿度为(50±5)%。紫外线老化时间为0，200，400，750 h。

1.3.2.1 拉伸强度测试 根据国际标准 ISO 527：1，由万能材料测试仪进行拉伸测试。

1.3.2.2 摩擦和磨损测试 在摩擦仪上进行，施加的磨损测试仪的载荷为210 N，干摩擦160 min，转速为210 r/min。

将5个样品的数据取平均值，以确定机械性能，拉伸强度的误差通常为3%～7%，断裂伸长率的误差通常为5%～25%，摩擦系数的误差为4%～6%，比磨损率的误差为8%～15%。

2 结果与讨论

2.1 抗热老化性能

聚氨酯橡胶材料与传统塑胶跑道经热老化后与未老化时，进行直接拉伸测试的失效应力、破坏应变、断裂能比较，结果见表1。

表1 未老化和老化聚氨酯橡胶跑道的 失效应力、破坏应变和断裂能对比Table 1 Comparison of failure stress，failure strain and fracture energy of unaged and aged polyurethane rubber track

由表1可知，聚氨酯橡胶材料的失效应力、破坏应变、断裂能均高于传统塑胶跑道。老化后的聚氨酯橡胶材料与传统塑胶跑道的失效应力均降低了，但未老化的聚氨酯橡胶材料的失效应力高于传统塑胶跑道，这表明聚氨酯橡胶跑道的强度更好。聚氨酯橡胶跑道在老化后失效应力降低了8.33%，而传统塑胶跑道的失效应力降低为22.41%。这意味着，热老化会对材料拉伸强度及其产生较大影响，但聚氨酯橡胶材料的抗老化性能更好。破坏应变方面，聚氨酯橡胶跑道的破坏应变比传统塑胶跑道更高，老化后聚氨酯橡胶跑道的破坏应变下降了 29.41%，而传统塑胶跑道的破坏应变降低达到53.33%。

断裂能是指试样承受拉伸载荷并扩展裂纹单位面积所需的能量[13-16]。它等于应力-应变曲线下包含的面积与样品特征长度的乘积，并通过以下公式计算[17-18]：

其中，σ为应力；ε0为总应变；d为样本的特征长度。

材料的拉伸强度和延展性越高，断裂能越大[19]。由表1可知，未老化聚氨酯橡胶材料具有最高的断裂能，高于传统塑胶跑道。热老化后，聚氨酯橡胶跑道和传统塑胶跑道的断裂能均有下降，这意味着老化对材料性能有很大的影响。但聚氨酯橡胶跑道降低 39.54%，传统塑胶跑道降低达到了 62.72%，老化对聚氨酯橡胶跑道的性能影响更小，其抗老化性能更好。

通过对未老化和老化的聚氨酯橡胶跑道的失效应力，破坏应变和断裂能的比较分析，发现热老化对跑道性能的影响是显著的。在老化前后，断裂能变化最为剧烈。因此，老化后的跑道的抗裂性显著降低。但相比两者的抗老化性能，聚氨酯橡胶材料具有更出色的抗老化性能，明显优于传统塑胶跑道。

2.2 耐紫外线老化性能分析

为了验证聚氨酯橡胶跑道的耐老化性能，对其进行紫外线老化后，利用拉伸、摩擦和磨损测试，评估聚合物聚氨酯橡胶跑道耐老化性能，并与传统塑胶跑道进行对比。紫外线主要在老化的后期引起粘结断裂，使跑道强度耐磨性降低。

2.2.1 机械学性能对比 聚氨酯橡胶跑道与传统塑胶跑道拉伸强度和伸长率在紫外线老化前后对比见图1和图2。

图1 老化后聚氨酯橡胶跑道和传统塑胶跑道的拉伸强度Fig.1 Tensile strength of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

图2 老化后聚氨酯橡胶跑道和传统塑胶跑道的伸长率Fig.2 Elongation of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由图1和图2可知，聚氨酯橡胶跑道强度在早期老化阶段较高，然后迅速下降。当老化时间达到750 h时，降解急剧发生，表现出拉伸强度和伸长率保持率分别为88.74%和69.52%。

传统塑胶跑道强度在早期老化就较聚氨酯橡胶跑道低，同样迅速下降，但老化750 h，拉伸强度保持率仅在80%左右，伸长率保持在66.67%。说明聚氨酯塑胶跑道机械性能的耐老化性高于传统塑胶跑道。

2.2.2 摩擦学性能对比 聚氨酯橡胶跑道与传统塑胶跑道的摩擦系数变化及比磨损率变化在紫外线老化前后对比见图3和图4。

图3 老化后聚氨酯橡胶跑道和传统塑胶跑道的摩擦系数Fig.3 Friction coefficient of polyurethane rubber track and conventional plastic track after aging

由图3可知，在摩擦学性能方面，聚氨酯橡胶跑道的摩擦系数较传统塑胶跑道高。随着时间的增加，摩擦系数均有增加，聚氨酯橡胶跑道增加了39.95%，而传统塑胶跑道仅增加27.32%。这说明聚氨酯橡胶跑道较传统塑胶跑道有更好的摩擦性能。

图4 老化后聚氨酯橡胶跑道和传统塑胶跑道的比磨损率Fig.4 Specific wear rate of polyurethane rubber track and traditional plastic track after aging

由图4可知，聚氨酯橡胶跑道的比磨损率较传统塑胶跑道高。时间增加，使比磨损率增加，至 750 h 聚氨酯橡胶跑道比磨损率增加了123.33%，传统塑胶跑道虽有增加，但始终低于聚氨酯橡胶跑道。这说明聚氨酯橡胶跑道较传统塑胶跑道有更好的耐磨性能。

由图3和图4 可知，聚氨酯橡胶跑道较传统塑胶跑道有更好的摩擦学性能的耐老性。

3 结论

(1)热老化对跑道性能的影响是显著的，其强度和抗裂性能会降低。聚氨酯橡胶材料的抗老化性能明显优于传统塑胶跑道。

(2)紫外线老化对跑道的机械学性能及摩擦学性能均有影响。但紫外线老化对聚氨酯橡胶跑道材料影响较传统塑胶跑道低。

综上所述，聚氨酯橡胶跑道具有维持强度好、耐磨的特点，可广泛应用于实际生活中。