体育场地用聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于高分子复合材料，特别涉及用于铺设体场地的聚氨酯弹性体／层状纳米复合材料及其制备方法。层状纳米材料系由蒙脱土及水滑石用不同插层剂插层复合的有机化蒙脱土及有机化水滑石。将二羟基聚氧化丙烯醚真空脱水加入甲苯二异氰酸酯制成Ａ组分。将有机化纳米材料与三羟基及二羟基聚氧化丙烯醚插层复合，再混入扩链剂３，３′－二氯－４，４′－二氨基二苯基甲烷及色浆、补强填充料、增塑剂制成Ｂ组分。将Ａ组分与Ｂ组分按重量比１∶２－１∶５混合，用环烷酸锌作催化剂进行插层复合聚合反应，制备出铺设体育场地用高分子复合材料，在力学性能及阻燃性等方面优于传统的单一聚氨酯弹性体。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高分子复合材料领域。特别涉及聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料及其制备方法，主要用于体育场地的铺设。该配方体系存在的几个主要问题是1)、因产品的主要机械力学性能、如断裂伸长率仅为105％，不能适应体育场地因地冻、水浸等发生基础断裂、隆起、塌陷等形变所产生的应力，造成聚氨酯铺设材料的断裂；2)、产品的阻燃性能较低，实际上，目前国内大多数产品的阻燃性能都没有达到阻燃一级标准；3)、为了防老化、防霉，加入了多种价格昂贵的抗紫外线剂、抗氧化剂及防霉剂，大大提高了成本，但加入量又远未达到实际需要量，效果并不理想。因此，为了解决以上问题，提高聚氨酯铺设材料的机械力学性能、阻燃性能及防老化、防霉变性能等，有必要考虑对聚氨酯弹性体的合成从新进行分子设计及配方调整以及应用新技术来获得性能更加优异的体育场地铺设材料。本专利技术的专利技术人试图应用纳米材料新技术来增强聚氨酯弹性体的力学性能。曾经试验使用过通常的超细粒状纳米材料如二氧化硅、二氧化钛等。但与合成聚氨酯弹性体的高分子单体混合时，由于纳米分子间的强大的范德瓦尔斯力的作用发生“团聚现象”，尤其是无机纳米材料在有机相中，更为突出。无法表现纳米分子的小尺寸效应等，也就无法达到对原聚氨酯弹性体力学性能的增强作用，即使事先用有机分子将超细粒状纳米材料如二氧化硅等予以“包覆”，效果也甚微，没有实质性增强现象。经分析试验，本专利技术选用了无机层状纳米材料如硅铝酸盐的蒙脱土或镁铝酸盐的水滑石，进行有效的有机化处理后，可避免纳米材料的团聚现象，从而可表现纳米材料的诸多效应，达到增强聚氨酯弹性体力学性能的效果。蒙脱土(MMT)带有硷性特征，其基本结构单元为天然的纳米硅酸盐片层，每一层由两个硅氧四面体中含一个铝氧八面体构成，层间距尺寸约1纳米，长宽约100纳米，片层上的剩余负电荷由位于层间的阳离子如Na+、Ca++等阳离子平衡。这样可用有机阳离子进行离子交换反应生成有机化蒙脱土(OMMT)。而水滑石(LDHs)带有酸性特征，由镁氧八面体共用棱形成单片层，层间距尺寸约为20～60纳米，位于层上的镁离子(Mg++)可在一定范围内被铝离子(Al+++)同晶取代使得层板带有正电荷，层板间有可交换的阴离子与层板上的正电荷平衡。因此，可用有机阴离子进行离子交换反应生成有机化水滑石(OLDHs)。本专利技术充分利用对这种无机层状纳米材料的插层复合技术，用不同的客体插入不同层状纳米材料后，可组装具有不同性能的有机化层状纳米材料。它们与组成聚氨酯的有机分子单体溶合后，再进行高分子聚合反应，获得了增强聚氨酯弹性体。用这种技术制备的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料铺设的体育场地具有更高的机械力学性能以及阻燃、防霉效果。有机分子对层状结构纳米材料进行插层后，一般有机分子对主体板层具有一定程度的缠绕作用，这种作用实质上是对无机层状材料的有机化，而有机化的程度和效应可随客体种类数量而定，因此应用不同层状纳米材料，选择不同的插层客体可获得理想的界面效应，而后者的增强是高分子材料力学性能提高的关键。层状纳米材料具有对小分子化合物迁移的阻隔能力，如本专利技术所涉及的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料所用增塑剂的分子迁移可避免。(即防止上述材料的“渗油”现象)。由于聚氨酯弹性体与层状纳米材料的良好结合，通过层状纳米的平面取向，使之聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料表现出良好的尺寸稳定性、阻隔性，因而具有阻燃自熄灭性。这种高分子与层状纳米的复合材料的特殊结构对多种微生物和菌类生长具有显著的抑制作用，具有防霉功能。其次，聚氨酯聚合反应过程中，介质的酸碱性对反应速度影响较大，尤其在不同气候下用于不同体育运动场地铺设，更要选择不同酸碱性层状纳米材料，如有机化蒙脱土显弱碱性，可加速反应速度。相反，有机化水滑石呈弱酸性，可降低反应速度。同理，作为聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料中的填充料的酸碱性也会对聚合反应速度有影响。尤其是在有层状纳米材料的聚合反应体系中粘度已经增稠的条件下，不希望太快的反应速度(尤其是在夏季施工地表温度较高时)更不希望用弱碱性的滑石粉，故而选用弱酸性的陶土。而且后者对聚氨酯弹性/层状纳米复合材料的补强较果也强于前者。本专利技术第一方案的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料是，在由予聚体(A组分)的TDI(甲苯二异氰酸酯)与二羟基聚氧化丙烯醚反应物，和扩链交联剂(B组分)的MOCA(3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷)、多羟基聚氧化丙烯醚溶合物及催化剂组成的体系中，加入了有机化蒙脱土(OMMT)或有机化水滑(OLDHs)层状纳米材料。本专利技术第二方案的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料是在上述第一方案中，其具体组成为A组分组成(重量百分比)甲苯二异氰酸酯20-30％二羟基聚氧化丙烯醚80-70％B组分组成(重量百分比) 有机化层状纳米材料 2-7.5％3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷 1.5-6.5％三羟基聚氧化丙烯醚 10-18％二羟基聚氧化丙烯醚 0-6％颜料 3-5％陶土 28-45％氯化石蜡 30-40％其中，A组份和B组分的重量比为1∶2～1∶5。催化剂的用量是A组分和B组分重量和的0.10-0.50％。本专利技术第三方案的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料是在上述第二方案中，加入该复合材料体系的20～30重量％的黑橡胶粒(田径跑道用)。本专利技术第四方案的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料的制造方法是，包括以下步骤1)、予先制备有机化层状纳米材料(有机化蒙脱土(OMMT)或有机化水滑石(OLDHs))。2)、制备A组分，将计量的二羟基聚氧化丙烯醚加入到反应釜中，在80-90℃下，均匀搅拌抽真空至0.002MPa脱水2-3小时后冷却至45-50℃。常压下加入计量的甲苯二异氰酸酯，在干燥氮气保护下，于80-90℃反应2.5小时，冷却至50℃，在氮气保护下装桶密封备用。3)、制备B组分，将计量的有机化层状纳米材料与三羟基聚氧化丙烯醚、二羟基聚氧化丙烯醚，在反应釜中均匀搅拌、于80-90℃温度条件下，抽真空至0.002MPa脱水2-3小时。在另一搅拌釜中，将颜料及增塑剂混拌并经胶体磨研磨成色浆，再将扩链剂3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯甲烷，填充料陶土与色浆一并混拌、经胶体磨研磨后，用齿轮泵打入反应釜中与有机化层状纳米材料及羟基聚氧化丙烯醚溶合物均匀搅拌，再在80-90℃，真空脱水2-3小时，冷却至50℃，在常压装桶密封备用。4)、在体育场地现场铺设聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料，将如上所述的装桶密封备用的A组分，B组分按重量比为1∶2-1∶5计量称重，搅拌均匀，加入计算量的催化剂(A组分，B组分的重量和的0.10～0.50重量％)迅速搅拌均匀，立即摊铺在事先已做好的、平坦的基础上，在15-35℃条件下，约30-60分内凝胶，24小时内固化，14日完全熟化后可投入使用，并测其各种力学性能等。本专利技术第五方案的聚氨酯弹性体/层状纳米复合材料体育场地铺设材料的制造方法是在本专利技术的第四方案中，制备有机化蒙脱土(OMMT)的方法是，在800ml 80℃的水中加入5g己内酰胺和4ml浓硫酸，充分水解，再缓慢注入到含有20g钠-蒙脱土(阴离子交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种聚氨酯弹性体／层状纳米复合材料的体育场地铺设材料，在由予聚体（Ａ组分）的ＴＤＩ（甲苯二异氰酸酯）与二羟基聚氧化丙烯醚反应物，和扩链交联剂（Ｂ组分）的ＭＯＣＡ（３，３′－二氯－４，４′－二氨基二苯甲烷）、多羟基聚氧化丙烯醚溶合物及催化剂组成的体系中，其特征在于：加入了有机化蒙脱土（ＯＭＭＴ）或有机化水滑石（ＯＬＤＨｓ）层状纳米材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孔克健，
申请(专利权)人：孔克健，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]