新國(guó)標(biāo)背景下聚氨酯塑膠跑道的發(fā)展

沈祖建

(江蘇長(zhǎng)諾運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地新材料有限公司 江蘇南京 211500)

隨著全民健身運(yùn)動(dòng)的深入開(kāi)展及體育運(yùn)動(dòng)地材行業(yè)技術(shù)水平的日益成熟,聚氨酯(PU)塑膠跑道因其優(yōu)良的耐磨耐油防滑性、抗老性、抗沖擊性、回彈性、色彩美觀(guān)、易維護(hù)保養(yǎng)等特點(diǎn)得到了人們的普遍青睞,塑膠跑道也從專(zhuān)業(yè)競(jìng)技賽場(chǎng)走近大眾生活,走進(jìn)中小學(xué)校園[1]。

自2015年起,全國(guó)多地中小學(xué)相繼爆發(fā)塑膠跑道質(zhì)量安全事件,事件中出現(xiàn)了不明來(lái)源黑色橡膠顆粒和刺激性氣味,導(dǎo)致一些孩子身體健康受到威脅,跑道的化學(xué)安全性備受質(zhì)疑,引起了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注,使得原處在快速增長(zhǎng)期的塑膠跑道行業(yè)遭到巨大沖擊。這一事件的發(fā)生促使行業(yè)需進(jìn)行優(yōu)化升級(jí),重視技術(shù)體系創(chuàng)新,強(qiáng)化工程質(zhì)量監(jiān)管,走綠色發(fā)展道路。

1 塑膠跑道行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及問(wèn)題

塑膠跑道的制造和鋪設(shè)工藝簡(jiǎn)單,入行門(mén)檻較低,需求量大利潤(rùn)高,高速增長(zhǎng)的行業(yè)規(guī)模吸引眾多商家蜂擁而入,導(dǎo)致塑膠跑道市場(chǎng)產(chǎn)品魚(yú)龍混雜,質(zhì)量參差不齊。

塑膠跑道是由聚氨酯預(yù)聚體、擴(kuò)鏈劑、催化劑、顏料、填料等經(jīng)一系列混合、加工、攤鋪澆注而成的聚氨酯彈性體[2]。不良商家為追求低成本,在鋪設(shè)跑道時(shí)違規(guī)添加有害物質(zhì)或降低施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),造成跑道部分物質(zhì)含量超標(biāo),物理機(jī)械性能不合格,為塑膠跑道質(zhì)量安全埋下隱患。

2 塑膠跑道現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分析

為促進(jìn)體育運(yùn)動(dòng)地材研發(fā)和生產(chǎn)的規(guī)范化發(fā)展,保證中小學(xué)生健康安全,我國(guó)于2018年11月1日正式實(shí)施塑膠跑道新國(guó)標(biāo)GB 36246—2018《中小學(xué)合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地》用于替代GB/T 19851.11—2005《中小學(xué)體育器材和場(chǎng)地第11部分:合成材料面層運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)舊國(guó)標(biāo))。新國(guó)標(biāo)由以往的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)變更為國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)(GB),增加跑道設(shè)計(jì)、施工、環(huán)保和驗(yàn)收等內(nèi)容,對(duì)塑膠跑道面層厚度、物理機(jī)械性能、耐老化性能、無(wú)機(jī)填料含量、防滑膠粒高聚物含量、面層成品、固體和非固體原料中有害物質(zhì)含量等多項(xiàng)內(nèi)容做出限定[3]。

2.1 塑膠跑道化學(xué)指標(biāo)限定

聚氨酯膠料中的氯化物、游離甲苯二異氰酸酯(TDI)、苯類(lèi)化合物,黑色顆粒中的硫化物、多環(huán)芳烴化合物以及填料及膠中重金屬,都屬于塑膠跑道的潛在污染源。舊國(guó)標(biāo)中限定了7項(xiàng)跑道面層有害物質(zhì),但苯、甲苯和二甲苯、游離TDI、可溶性重金屬不能涵蓋所有有害成分,新國(guó)標(biāo)將范圍擴(kuò)大到18項(xiàng),細(xì)分為有害物質(zhì)含量、釋放量和氣味3大類(lèi)[4]。

新國(guó)標(biāo)中不僅重視對(duì)成品的化學(xué)指標(biāo)的檢測(cè),更嚴(yán)格限定原材料中有害物質(zhì)含量,詳見(jiàn)表1。

表1 面層成品中有害物質(zhì)限量(含量)

如表1所示,對(duì)塑膠成品中的游離 TDI、4,4′-二氨基-3,3′-二氯二苯甲烷 (MOCA)、可溶性重金屬、短鏈氯化石蠟和鄰苯二甲酸酯類(lèi)化合物含量做出了嚴(yán)格限定,使得傳統(tǒng)TDI-MOCA體系塑膠跑道受到?jīng)_擊。同時(shí),對(duì)總揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)含量及釋放量、無(wú)機(jī)填料總量(≤65%)、面層防滑膠粒中高聚物總量(≥20%)進(jìn)行限定,限制了有機(jī)溶劑或增塑劑的使用。國(guó)標(biāo)中對(duì)輿論重點(diǎn)關(guān)注的化學(xué)指標(biāo)如多環(huán)芳烴、苯并芘、甲醛、苯類(lèi)和二硫化碳等都作出了明確的限量規(guī)定,同時(shí)增加了氣味等級(jí)指標(biāo),要求塑膠面層在實(shí)際使用中接近于無(wú)氣味狀態(tài),這些要求也促使廠(chǎng)家使用新料替代廢棄橡膠制品制作彈性膠粒以適應(yīng)環(huán)保發(fā)展要求[3]。

2.2 塑膠跑道物理機(jī)械指標(biāo)限定

“毒跑道”事件過(guò)后,輿論重點(diǎn)關(guān)注跑道化學(xué)指標(biāo),不良商家通過(guò)犧牲跑道功能性和耐久性來(lái)降低成本,致使跑道物理機(jī)械性能不達(dá)標(biāo)。跑道的物理性能與場(chǎng)地的安全保護(hù)性和運(yùn)動(dòng)性息息相關(guān),若跑道中無(wú)機(jī)填料較多,含膠量少,膠粒過(guò)硬,或者跑道面層物理機(jī)械指標(biāo)不達(dá)標(biāo),青少年運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一旦發(fā)生意外,會(huì)對(duì)骨骼、關(guān)節(jié)等部位造成損傷[5]。

新國(guó)標(biāo)中不僅對(duì)跑道化學(xué)指標(biāo)做出嚴(yán)格限制,對(duì)其厚度和物理機(jī)械性能也做明確規(guī)定,詳見(jiàn)表2。

表2 面層成品厚度及物理機(jī)械性能要求

如表2所示,新國(guó)標(biāo)對(duì)塑膠跑道厚度的最低要求從10 mm提高至13 mm,并增加了對(duì)跑道沖擊吸收、垂直變形、抗滑值、拉伸強(qiáng)度等物理指標(biāo)的限定[3]。沖擊吸收是衡量塑膠跑道運(yùn)動(dòng)性能和緩沖保護(hù)性能的核心指標(biāo),是影響中小學(xué)生足踝膝關(guān)節(jié)健康的重要因素,而跑道的鋪裝工藝質(zhì)量對(duì)其物理機(jī)械性能影響巨大。

因此,塑膠跑道施工質(zhì)量和原材料質(zhì)量同樣重要,新國(guó)標(biāo)的規(guī)定不僅對(duì)跑道原材料及配方體系提出了技術(shù)要求,也對(duì)跑道工程設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)節(jié)及監(jiān)管驗(yàn)收提出了質(zhì)量要求[6]。

3 新國(guó)標(biāo)塑膠跑道配方設(shè)計(jì)的改進(jìn)

與舊國(guó)標(biāo)相比,新國(guó)標(biāo)對(duì)化學(xué)有害物質(zhì)限量指標(biāo)做出大幅度的修訂,不僅從跑道生產(chǎn)配方的角度進(jìn)行考慮,更增加了對(duì)原料中可能包含的有害物質(zhì)的限制和檢測(cè)要求,有效防止部分企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中改變配方、使用違規(guī)添加劑而導(dǎo)致毒跑道事件的發(fā)生。為適應(yīng)新國(guó)標(biāo)的要求,企業(yè)必須在原材料選用及配方設(shè)計(jì)上做出調(diào)整,以生產(chǎn)出合格的新產(chǎn)品。

3.1 MDI型聚氨酯膠料

鑒于新國(guó)標(biāo)中對(duì)游離TDI、1,6-亞己基二異氰酸酯(HDI)含量的限制,以及TDI型塑膠跑道對(duì)人體存在的健康威脅,聚氨酯膠料采用揮發(fā)性較低、危害較小的二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)或液化MDI體系代替TDI體系將是大勢(shì)所趨,而且液化MDI的流動(dòng)性好,制備聚氨酯預(yù)聚體不需額外添加有機(jī)溶劑,更符合環(huán)保要求[7]。侯芳等[8]成功研制出MDI環(huán)保型單組分體系替代TDI體系,且配方不含氯化石蠟、鄰苯二甲酸二丁酯等增塑劑。

3.2 非MOCA 型擴(kuò)鏈劑

MOCA擴(kuò)鏈劑是一種芳香胺類(lèi)化合物,屬于低毒至基本無(wú)毒物質(zhì),但其是否致癌一直是科學(xué)界爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。由MOCA固化的聚氨酯彈性體的物理性能較好,但固化時(shí)間偏快,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工要求較高,而且新國(guó)標(biāo)要求固化后跑道面層中游離MOCA的含量低于1 g/kg。面對(duì)新要求,聚氨酯配方體系應(yīng)做出相應(yīng)的改變,鋪設(shè)時(shí)注意使MOCA固化完全,或者選用非MOCA型擴(kuò)鏈劑。孔克健等[10]提出使用非鹵代二胺化合物如間苯二胺替代MOCA,國(guó)外拜耳公司的產(chǎn)品Baytec-1604以及國(guó)內(nèi)廣州賽諾公司的SN-4135都是MOCA替代品,但這些產(chǎn)品由于成本高或使用條件受限等因素,不易大面積推廣[11]。

3.3 非重金屬型催化劑

原來(lái)TDI-MOCA體系中常用的催化劑主要是有機(jī)酸的重金屬衍生物,如辛酸鉛、乙酸苯汞等,這類(lèi)催化劑會(huì)造成重金屬污染,損害人體健康。由于新國(guó)標(biāo)中對(duì)可溶性重金屬的限定,現(xiàn)在多采用有機(jī)鉍、有機(jī)鋅、有機(jī)錫或有機(jī)稀土復(fù)合催化劑替代傳統(tǒng)催化劑[12]。

3.4 填充膠粒

聚氨酯塑膠跑道常用膠粒包括廢橡膠膠粒、PU膠粒、乙丙橡膠 (EPDM)膠粒。使用廢舊輪胎和廢橡膠制品粉碎后的“黑顆?！弊髋艿捞畛淠z粒是行業(yè)慣例,2008年北京奧運(yùn)會(huì)就曾使用廢舊輪胎膠粒制成的賽道。但部分商家使用違規(guī)手段處理廢舊輪胎,甚至摻雜其它化工廢料和有害化學(xué)物質(zhì),導(dǎo)致跑道中多環(huán)芳烴和苯并芘含量超標(biāo),氣味刺鼻。由于新國(guó)標(biāo)中對(duì)多環(huán)芳烴和苯并芘的限定,現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)多采用EPDM合成橡膠顆粒替代廢膠粒。巴斯夫等公司研制出E-TPU彈性體顆粒,并在上海鋪設(shè)了全球首條E-TPU塑膠跑道[12]。國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)推出自結(jié)紋塑膠跑道,以防滑花紋層代替防滑膠粒,實(shí)現(xiàn)了跑道表面無(wú)顆粒。

3.5 無(wú)溶劑和增塑劑的聚氨酯膠料

有部分商家會(huì)在原料中添加劣質(zhì)黑膠粒和無(wú)機(jī)填料以達(dá)到降低成本的目的,并曾使用苯、甲苯或二甲苯等有毒溶劑稀釋聚氨酯膠液,這些溶劑是“毒跑道”的主要源頭。新國(guó)標(biāo)中對(duì)跑道面層的短鏈氯化石蠟和TVOC含量做了嚴(yán)格限定,聚氨酯膠料生產(chǎn)廠(chǎng)家必須限量添加無(wú)機(jī)填料,減少或棄用溶劑和增塑劑,無(wú)溶劑型和水性聚氨酯塑膠跑道將是未來(lái)的研究重點(diǎn)[12]。

4 塑膠跑道行業(yè)研究發(fā)展趨勢(shì)

4.1 無(wú)溶劑聚氨酯塑膠跑道體系

無(wú)溶劑塑膠跑道面層采用的是MDI無(wú)溶劑聚氨酯與EPDM橡膠顆?；旌鲜褂?中間層為MDI加強(qiáng)層,底層為MDI彈性層,同時(shí)改用蓖麻油替代短鏈氯化石蠟,有機(jī)鉍替代重金屬類(lèi)催化劑[13]。

4.2 水性聚氨酯塑膠跑道體系

水性聚氨酯主要由聚氨酯/丙烯酸酯共混復(fù)合分散體、增稠劑、填料、顏料、助劑、水性固化劑等經(jīng)一系列混合加工制成,綜合了丙烯酸酯和聚氨酯的優(yōu)點(diǎn),又滿(mǎn)足環(huán)保的要求,但其對(duì)施工條件要求較高,目前主要應(yīng)用在透氣型跑道及跑道面漿上[12]。

4.3 自結(jié)紋塑膠跑道

自結(jié)紋工藝是特種聚氨酯純膠漿通過(guò)化學(xué)反應(yīng)形成的聚氨酯共聚物,面層為噴涂后自然形成的無(wú)顆粒防滑層表面,在表結(jié)狀態(tài)下自動(dòng)生成凹凸均勻且防滑耐磨的紋理,它既有聚氨酯材料耐候耐老化的優(yōu)點(diǎn),又改善了傳統(tǒng)聚氨酯跑道易脫粒的問(wèn)題[14]。

4.4 預(yù)制型塑膠跑道

預(yù)制型塑膠跑道就是將成品塑膠卷材用聚氨酯膠黏劑粘接在跑道地基上。卷材由工廠(chǎng)統(tǒng)一制作,鋪裝簡(jiǎn)單,質(zhì)量可靠性高,經(jīng)濟(jì)耐用性好，并能有效解決現(xiàn)場(chǎng)澆注面層在環(huán)保施工上的不足[12]。

4.5 納米復(fù)合聚氨酯塑膠跑道

新國(guó)標(biāo)對(duì)塑膠跑道物理化學(xué)性能提出了更高要求,使得納米改性聚氨酯塑膠跑道重新受到關(guān)注。納米改性的核心是在聚氨酯材料中引入層狀納米粒子,保證其均勻分散在基材中,利用納米粒子結(jié)構(gòu)的特殊性和小尺寸效應(yīng)改善原材料性能。納米復(fù)合聚氨酯不僅具有良好的綜合力學(xué)性能,同時(shí)能大幅度提高聚氨酯的耐磨性、阻燃性和抗霉性，延長(zhǎng)生命周期。2008年北京奧運(yùn)會(huì)就曾使用高強(qiáng)度納米復(fù)合聚氨酯塑膠跑道作為競(jìng)技賽道[15]。

4.6 施工工藝質(zhì)量

在保證材質(zhì)的前提下,應(yīng)關(guān)注工程設(shè)計(jì)階段、現(xiàn)場(chǎng)施工階段、審查驗(yàn)收階段的質(zhì)量監(jiān)督。真實(shí)可靠的工程設(shè)計(jì)、切實(shí)有效的施工工藝方法、技術(shù)過(guò)硬的施工和監(jiān)理隊(duì)伍、有資質(zhì)的檢驗(yàn)和驗(yàn)收單位是聚氨酯跑道鋪設(shè)工程的重要保障,把握好這些環(huán)節(jié)的審查工作,才能淘汰掉一批不合格單位和產(chǎn)品,保證聚氨酯塑膠跑道行業(yè)的良性發(fā)展。

5 未來(lái)與展望

適配新國(guó)標(biāo)的聚氨酯塑膠跑道對(duì)產(chǎn)品原料、生產(chǎn)工藝和鋪裝質(zhì)量都提出了更高要求,創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)、環(huán)保配方體系的設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)和施工監(jiān)控的專(zhuān)業(yè)化水平的提高都是保證運(yùn)動(dòng)地材行業(yè)良性發(fā)展的關(guān)鍵。新國(guó)標(biāo)以其專(zhuān)業(yè)性、科學(xué)性和全面性的要求,推動(dòng)我國(guó)運(yùn)動(dòng)地材行業(yè)從“手工生產(chǎn)、勞動(dòng)密集型”向“精細(xì)、環(huán)保、綠色型”轉(zhuǎn)變。