劉厚鈞 孫清峰 陳海良

（1.山西省化工研究所（有限公司） 山西綜改示范區(qū) 030032）

（2.山東一諾威聚氨酯股份有限公司 山東淄博 255000）

聚氨酯材料最初在德國開始發(fā)展，1937年德國Bayer博士用多異氰酸酯和多元醇反應，先后合成了聚氨酯纖維和聚氨酯橡膠。1961年美國3M公司鋪設了200 m世界首條用于賽馬場地的聚氨酯跑道，1963年鋪設了首條用于田徑訓練比賽的聚氨酯跑道，1968年該公司正式以品牌“塔當”（Tatan）聚氨酯在墨西哥首都墨西哥城鋪設聚氨酯跑道，用于19屆國際奧林匹克運動會田徑比賽場地。新的全天候聚氨酯跑道干凈美觀，行走舒適，不易摔傷。運動員好評如潮，國際奧委會贊譽有加。從此以后，聚氨酯跑道成為國際田徑比賽的必備設施。

1 我國聚氨酯合成材料面層發(fā)展歷程

1972年我國在北京工人體育場鋪設第一條100 m聚氨酯跑道[1]，開始使用效果不錯，但因選用了聚酯多元醇作為主要原料，不耐霉菌且易被降解，幾個月后即不能再使用。1975年保定合成橡膠廠在山西省化工研究所參與下，在廣西南寧體育館場地試鋪了一條以聚醚多元醇、甲苯二異氰酸酯（TDI）和 3，3′-二氯-4，4′-二苯基甲烷二胺（MOCA）為基本原料的聚氨酯跑道。跑道的耐霉菌、耐水和耐低溫性能優(yōu)異，使用效果很好。1979年保定合成橡膠廠在北京工人體育場鋪設了我國首條正規(guī)的聚氨酯跑道，用于訓練比賽。

現(xiàn)在，聚氨酯運動場地的應用領(lǐng)域已由初期的聚氨酯跑道擴展到球類和健身休閑場地，可統(tǒng)稱合成材料運動場地面層。按適用范圍分為田徑運動場地面層、球類運動場地面層和多功能運動場地面層，按施工方式可分為現(xiàn)澆型和預制型。現(xiàn)澆型又可分為滲水型和非滲水型，其中非滲水型又有全塑型、混合型和復合型之分；預制型可分為卷材和板材。另外，合成材料運動場地地基的類型主要為瀝青基礎和水泥基礎，基礎施工完畢后，一般需要晾曬28 d以上方可進行合成材料面層的鋪設。

2020年我國聚氨酯年產(chǎn)量約1 200萬t，占全球產(chǎn)量的一半以上，其中彈性體約140萬t，用于鋪裝材料的聚氨酯彈性體年產(chǎn)量約25萬～30萬t。聚氨酯鋪裝材料生產(chǎn)廠家主要有山東一諾威聚氨酯股份有限公司、江門市長河化工實業(yè)集團有限公司、廣州大洋元亨化工有限公司、廣州杰銳體育設施有限公司等。其中山東一諾威的年產(chǎn)量約3.5萬～4萬t。

2 技術(shù)進展

我國在聚氨酯跑道研制初期，聚醚多元醇和多異氰酸酯生產(chǎn)技術(shù)落后，品種少、質(zhì)量差、產(chǎn)量小，助劑種類也不多，各廠家配方大同小異。另外，跑道施工時需要加入大量稀釋劑，現(xiàn)場氣味大，不環(huán)保。20世紀90年代，隨著我國引進多套大型聚醚和多異氰酸酯生產(chǎn)裝置，生產(chǎn)跑道的原料產(chǎn)品規(guī)格多、質(zhì)量好。改進后的聚醚多元醇不飽和度低，分子量分布窄，為聚氨酯跑道等鋪裝材料的改進創(chuàng)新創(chuàng)造了有利條件。

2.1 固化劑、預聚物組分改進

最早的聚氨酯跑道固化劑（乙組分）是單一的MOCA，需要用大量溶劑等液體進行溶解。之后，研究人員用聚醚多元醇替代部分MOCA，組成醇胺混合固化劑。為確保制品的物性不降低，可適當提高預聚物（甲組分）中多異氰酸酯比例，做成半預聚物。甲乙組分質(zhì)量比可調(diào)配成1∶3，乙組分占比可以更多。另外，乙組分用量增加，與三元乙丙橡膠（EPDM）等材質(zhì)的顆粒也易混合均勻。

2.2 預聚物原料環(huán)保性升級

最初塑膠跑道制品原料中使用TDI，氣味大，現(xiàn)在基本實現(xiàn)了用MDI代替[2]。新MDI體系氣味低，成品物性更優(yōu)異，但起初因MDI預聚體黏度大，操作性差，不易攤鋪。之后通過配方及助劑的改進，操作性能有較大程度緩解，可實現(xiàn)正常施工。

2.3 跑道顆粒環(huán)保性升級

在聚氨酯跑道鋪裝行業(yè)，用EPDM顆粒替代廢輪胎顆粒也是一大進步。由于廢橡膠顆粒含苯并芘和多環(huán)芳烴等致癌物，2000年前后已逐步被EPDM顆粒替代。EPDM顆粒耐臭氧、耐紫外線、耐水、耐菌、耐酸堿腐蝕，全天侯耐老化性能優(yōu)異，而且力學性能和高低溫性能也很好。該材料密度低（生膠密度可低至0.87 g/cm3），工藝上可多加填料，降低成本。但EPDM顆粒與膠料的互粘性不好，可通過在聚氨酯中引入極性鏈段或支鏈等方法解決。

2.4 合成材料面層類型日趨豐富

早先聚氨酯跑道施工時，場地為非滲水型，在聚氨酯基本固化之前忌諱有水存在，因為NCO基團和水反應生成二氧化碳氣體，膠層易出現(xiàn)鼓泡，影響成品質(zhì)量。后來通過配方改進，可用水擴鏈固化，EPDM顆粒與聚氨酯粘合劑質(zhì)量比增加至（5～8）∶1，形成滲水透氣型橡膠跑道或滲水EPDM球場。這使得塑膠面層材料氣味小，施工簡便，成本低，可廣泛用于中小學、幼兒園、社區(qū)運動健身等場所的鋪設，特別適用于南方等高濕地區(qū)。

2.5 施工方式創(chuàng)新及進步

隨著技術(shù)進步，跑道施工方法進一步創(chuàng)新。橡膠跑道面層施工最初方法是先刮涂一層雙組分聚氨酯漿料，隨即撒布橡膠顆粒，待完全固化定型后掃去未粘結(jié)的顆粒。技術(shù)發(fā)展到后來，多采用在其上面再噴涂一層聚氨酯漿料，使橡膠顆粒不易脫落。目前普遍使用噴涂機將摻混了橡膠顆粒的聚氨酯噴面材料直接噴涂，面層一次成型，大大簡化了操作。近幾年新出現(xiàn)的自結(jié)紋噴面材料，因添加合適的流變劑，產(chǎn)品觸變性好，可實現(xiàn)無顆粒、無溶劑噴涂；且表面可形成凹凸花紋，更顯美觀。該方法可用于非滲水型橡膠跑道面層施工。

2.6 助劑選擇

增塑劑鄰苯二甲酸二辛酯（DOP）的增塑性能和貯存穩(wěn)定性好，黏度適中，為塑料行業(yè)所青睞。但DOP有潛在的致癌風險，并影響人體荷爾蒙，已被中長鏈氯化石蠟和氯代棕櫚油取代。后者不易揮發(fā)而且阻燃，可使橡膠跑道的阻燃效果達到一級國標要求，一舉兩得。

聚氨酯合成材料面層擴鏈固化反應需要用催化劑來調(diào)節(jié)。前期普遍釆用異辛酸鉛作催化劑，效果好，價格低；但鉛是重金屬，毒性較大，新國標規(guī)定成品中游離鉛含量不能超過50 mg/kg。目前市場常用環(huán)保型催化劑有機鉍或其復合催化劑替代有機鉛，但其價格昂貴，催化效果不如有機鉛類催化劑，還需要繼續(xù)進行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。

聚氨酯合成材料面層中除催化劑之外，還要添加抗氧劑、紫外線吸收劑、消泡劑、著色劑和填料等多種添加劑。各廠家釆用的品種大同小異，也有不少改進，在此不多介紹。

3 聚氨酯合成材料面層國家標準解讀

聚氨酯運動場地鋪裝材料不僅含聚氨酯，還包括EPDM等材質(zhì)的顆粒、丙烯酸酯材料等，新的國家標準中的名稱采用“合成材料面層”來代替“聚氨酯塑膠跑道”。1993年我國頒布了首個以聚氨酯為主要材料的混合型塑膠跑道國家標準GB/T 14833—93?塑膠跑道?[3]。該標準共 6項指標。2005年國標委頒布了?中小學體育器材和場地標準?。其中第11部分?合成材料面層運動場地?子標準GB/T 19851.11—2005[4]規(guī)定了合成材料面層的技術(shù)要求、質(zhì)量標準及檢測方法。2011年國標委又頒布了國家標準GB/T 14833—2011?合成材料跑道面層?[5]。

以上3個標準中對材料拉伸強度及伸長率的要求都降低了，具體見表1。

表1 不同標準中材料拉伸強度及伸長率對比

2014～2016年期間，由于國內(nèi)體育場地鋪裝市場旺盛，加之監(jiān)管不力，出現(xiàn)了低價競標、無序競爭的局面。少數(shù)廠家為了降低成本，使用了一些不合格溶劑和廢橡膠顆粒等原材料，導致出現(xiàn)“異味操場”和“問題跑道”。國家相關(guān)部門除強制立即鏟除“問題跑道”外，2018年發(fā)布了更加嚴格的國家標準GB 36246—2018?中小學合成材料面層運動場地?[6]，以替代2005年頒布的國標（GB/T 19851.11—2005）。其中物理機械性能檢測項目及要求應符合標準中5.3.1表2規(guī)定、成品有害物質(zhì)限量及氣味要求應符合標準中5.6.1表4規(guī)定。新標準完善了原標準內(nèi)容，明確了合成材料面層中18種有害物質(zhì)的限量，增加了氣味等級要求，對非固體原料中12種有害物質(zhì)進行限量，固體原料中7種有害物質(zhì)也進行了補充規(guī)定，為我國廣大中小學生提供了一個安全可靠的運動環(huán)境。新標準中合成材料面層的物性基本參照了歐盟標準?戶外合成材料運動場地技術(shù)要求?（EN 14877—2013）[7]，并規(guī)定合成材料無機填料含量應不高于65%，面層顆粒含膠量不低于20%，有效地保證場地使用年限。GB 36246—2018規(guī)定了面層成品中短鏈（C10～C13）氯化石蠟、總揮發(fā)性有機化合物（TVOC）、氣味等級等部分指標及要求，部分指標見表2。

表2 GB 36246固化物中部分有害物質(zhì)限量及氣味要求

為了進一步完善原有國標的不足，由中石化和化學工業(yè)聯(lián)合會提出，以山東一諾威聚氨酯股份有限公司和國正檢驗認證公司等14家企業(yè)、檢測機構(gòu)為主起草單位，于2020年3月頒布了新國家標準GB/T 14833—2020?合成材料運動場地面層?[8]。該標準成品中有害物質(zhì)限量及氣味等級同GB 36246—2018標準，物性指標按適用范圍，分別以田徑運動場地面層、球類運動場地面層、多功能運動場地面層3種類型進行規(guī)范，針對性更強。如面層厚度分別≥13 mm、≥9 mm和≥7 mm，對比 GB 36246—2018，田徑運動場地垂直變形上限由3 mm降低至2.5 mm，非滲水型產(chǎn)品伸長率由40%提高至50%，籃球、排球、羽毛球場地面類，增加球反彈性、摩擦系數(shù)指標，實用性更強；機械性能指標更高，充分保證場地的使用年限。對比國標 GB 36246—2018和GB/T 14833—2020后發(fā)現(xiàn)，在球類場地面層上的物性指標變動最大，見表3。

表3 兩新國標球類場地面層物性指標對比

由表3可知，合成材料運動場地面層國家標準代表了不同時期國內(nèi)產(chǎn)品的水平，指標在不斷改進完善中。只要生產(chǎn)廠家采用合格的原材料，選擇合適的配方和工藝，制品完全可以滿足現(xiàn)行標準。

關(guān)于聚氨酯跑道使用年限，國標中沒有明確規(guī)定。最初預估5年問題不大，40多年來大量鋪設使用表明，使用壽命都超出預期?，F(xiàn)在生產(chǎn)廠家承諾的使用期多為5～10年（視不同類型而定），但多年使用中難免有損壞，可以釆用類似瀝青路面的修補方法，用原合成面層材料及工藝修補即可。

4 結(jié)語

近幾年，國家的產(chǎn)業(yè)政策給整個行業(yè)帶來了大的發(fā)展機遇。?國務院關(guān)于加快發(fā)展體育事業(yè)促進體育消費的若干意見?和?“健康中國2030”規(guī)劃綱要?發(fā)布，為聚氨酯合成材料面層運動場地的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。到2025年，我國體育產(chǎn)業(yè)總規(guī)模將超過5萬億元。到2030年，經(jīng)常參加體育鍛煉的人數(shù)達到5.3億，預計大型體育場館數(shù)將達到2 500座以上，體育設施鋪裝市場前景將越來越廣闊。