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噴涂聚脲彈性體技術及運動場地建設應用
發布時間：2014-08-09
現代生活質量的提高，尤其是我國城市化的進程加快，人們對運動設施需求量越來大，要求也越來越高，在科技高速發展的現代社會與市場經濟的發展中，應用于運動場地的材料也會越來越多，在運功場地的地面鋪設中，近年來興起的一種適應環保需求而研制、開發的一種新型綠色材料——噴涂聚脲彈性體（Spray Polyurea Elastomer，以下簡稱SPUA）。SPUA技術是繼高固體分涂料、水性涂料、光固化（ＵＶ）涂料、粉末涂料等之后研制的一種新型無溶劑、無污染的噴涂技術，是噴涂工業技術的一次革新，該技術可廣泛應用于石油化工、防水工程、道具制作、車間地坪、體育設施工程等領域，其優異的物理力學性能及適用性能將給建設、機械、化工礦山等行業帶來全新的發展，尤其是出色的防滑，耐磨性能，能有效地防止運動員滑倒或摔傷，提高運動成績，且外觀非常均勻，美觀實用。作為一種綠色與高科技含量的噴涂聚脲彈性體，必將在我國運動設施建設中呈現出十分廣闊的應用前景。本文主要通過該技術的基本性能特點和施工工藝介紹，促進該技術在體育場地設施中的推廣與應用，為提高體育設施的科技含量，更好的服務于人們對體育運動和健身活動。1 SPUA的研發歷程
SPUA技術的發展，德國、美國發源地，最早開發噴涂聚氨酯（SPU）以及聚氨酯/聚脲彈性體技術的是Bayer、BASF、Futura和 Uniroyal公司。20世紀80年代中期，Austin在實驗室，研發成功SPUA技術。20世紀90年代，美國率先開發并投入商業應用，顯示出其優異的綜合性能，經過不斷的總結和提高。目前，北美地區已逐步淘汰SPU/SPUA體系，正全面推廣SPUA體系，澳大利亞、日本和韓國在九十年代分別引進該技術，并相繼投入商業應用。由于研發APUA配方和工藝的難度比較大，澳大利亞及東南亞一般采用從設備到原料全盤進口、或合資建廠的辦法。我國海洋化工研究院在1995年首先開展APUA技術的前期探索研究工作，隨后幾年國內廠家開始購置設備，進行產品設計和開發具有自主知識產權的APUA配方體系，并已推出適合我國國情中、低價位水平為SPUA（Ａ）系列化產品和具有自主知識產權的關鍵原材料Ａ621系列端氨基聚醚，2003年1月通過了國家經貿委組織有關專家的技術鑒定，達到國際先進水平, 為我國“噴涂聚脲彈性體技術”的大規模推廣和普及提供了可靠的保證，并在青島、上海、大連等工程中成功應用。
2 SPUA的基本性能
SPUA材料的主要原料是由異氰酸酯組份（簡稱A組份）與氨基化合物組份（簡稱R組份）反應生成的一種彈性體物質。其中的R組份必須是由端氨基樹脂和端氨基擴鏈劑組成，在端氨基樹脂中，不得含有任何羥基成分和催化劑，但可以含有便于顏料分散的助劑。根據噴涂聚氨酯（脲）彈性體技術所用材料的組成和特性的不同，該領域的噴涂技術從聚氨酯（PU）、聚氨酯/聚脲（PU/PUA）、純聚脲（PUA）到現在的噴涂3個階段。SPUA技術是在聚氨酯反應注射成型（RI）技術的基礎上發展起來的，結合了聚脲樹脂的反應特性和RIM技術的快速混合、快速成型的特點，可以進行施工現場各類大面積形狀復雜的表面涂層處理。采用這種工藝技術，基于聚脲樹脂的反應特點，通過調整反應體系中材料的配比得到不同性能和不同固化時間涂層，不同柔性、韌性到硬度較大的各類耐沖擊磨損涂層，其固化時間可以調節，從幾秒到很長時間。SPUA噴涂的聚脲彈性體涂層的主要性能特點如下：
1）不含催化劑，可以實現所需要的快速固化時間；可在任意曲面、斜面及垂直面上噴涂成型，不產生流掛現象，可在5s左右達到凝膠(一般在30～50s左右)，1 min即可達到步行強度，對水分和濕氣不敏感，施工時不受環境溫度、濕度的影響，可以在潮濕環境和接口上固化而不影響其性能，在-28℃左右施工不影響其施用性。
2）100%的高固含量，無任何溶劑和影響強度的助劑，無污染，對環境影響小，是真正的不含有機揮發物的綠色產品。
3）具有非常優異的柔韌性、耐磨性及本體拉伸強度等物理力學性能。對鋼材、鋁、混凝土、瀝青等底材有著非常良好的連接強度，自身的耐老化性能也十分突出。
4）優良的耐高、低溫性能，在-25℃~150℃溫度范圍內能具有良好的熱穩定性能，可以長期使用。
5）可以根據配方調節得到從軟橡膠（邵A硬度30）到硬質彈性體（邵D硬度65）的不同性能的材料。
6）可以加入各種顏料制成不同顏色制品，可摻入其它填料如短玻璃絲纖維等對材料進行增強。
7）采用專用施工設備，施工效率高。
SPUA材料有著非常優越的物理力學性能，分別見表1、表2和表3所示。其中用UVB- 313燈進行抗紫外線連續耐老化試驗，試驗溫度為5 0度，試驗時間為3871 小時，耐老化性能無與倫比。SPUA材料的多種優良性能，無不與SPUA材料穩定的分子結構有關。
表1 聚脲彈性體的綜合物理力學性能
物理力學性能 性能指針 物理力學性能 性能指針
拉伸強度（MPa） 10—27.5
邵氏硬度 30A-65D
撕裂強度 (KN/m) 43.9-105.4
伸長率 (%) 420—1000
與砼粘接( MPa) >2.8 與鋁板的粘接(噴砂處理) >13.7
與鋁的粘接MPa >13.7
耐磨性能 小于45
沖擊性能 大于50
表2 聚脲彈性體的低溫物理力學性能(零下20度)
物理力學性能 性能指針
拉伸強度（MPa） >10
撕裂強度 (KN/m) 43.9--105.4
伸長率 (%) 100--500
表3 聚脲彈性體涂層的耐老化性
物理力學性能 老化前 力學性能
拉伸強度（MPa） 13.5 13,5
撕裂強度 (KN/m) 76.4 84.4
伸長率 (%) 134 110
3 SPUA技術的施工工藝
噴涂聚脲彈性體技術是在聚氨酯反應注射成型技術的基礎上發展起來的，結合了聚脲樹脂的反應特性和RIM技術的快速混合、快速成型的特點。采用這種工藝技術，通過調整反應體系中材料的配比得到不同性能和不同固化時間涂層，不同柔性、韌性到硬度較大的耐沖擊磨損涂層，其固化時間可以調節，從幾秒到很長時間。噴涂聚脲彈性體技術的關鍵主要有兩方面，一是氨基聚醚、液態胺擴鏈劑與異氰酸酷的反應原理及其工業化，二是噴涂所需要的專業化設備。
3.1 設備要求
由于A ，R組分的化學活性極高，混合后粘度會迅速增大，ＳＰＵＡ物料的固化速度極快, 對噴涂設備的要求遠遠超過對ＳＰＵ和ＳＰＵ/ＳＰＵＡ，如果沒有適當的混合及成型設備，這一反應是不可控制的。設備概括起來有五方面：1）平穩的物料輸送系統；2）精確的物料計量系統；3）均勻的物料混合系統；4）良好的物料霧化系統；5）方便的物料清洗系統。具體為H-35主機1臺，GX-7-400噴槍1把，抽料泵2支，洗槍罐1個，加熱保溫管18～93米；10公斤、0.8立方米空壓機1臺，10公斤、0.8立方米油水分離器1臺，5噸保溫集裝箱車 1輛，10～15KW發電車1輛。
3.2 操作方法
噴涂設備由H系列主機和GX-7系列噴槍組成。施工時將主機配置的2支抽料泵分別插入裝有A、R原料桶內，借助主機產生的高壓（24Mpa）將原料推入噴槍混合室，進行混合、霧化后噴出。在到達基層的同時，涂料幾乎已近凝膠，5～10s后，涂層完全固化。一次噴涂厚度為1.5mm左右，達到規定厚度只需反復噴涂（間隔5s以上），涂層總成膜厚度不限。可根據用戶的要求噴涂不同色彩的材料。一些工程（如乒乓球、羽毛球等球類比賽場地）對材料的抗濕滑性有較高的要求。若采用普通橡膠、塑料或涂料等材料，由于運動員比賽時大量出汗，易產生濕滑現象，不僅影響比賽正常進行，還會造成人員受傷。SPUA材料在潮濕狀態下的摩擦系數與干燥狀態的相差較小，且可利用噴涂技巧人為制造均勻的“自防滑”粗糙表面，產生良好的抗濕滑性能。由于表面顆粒與基材材質的組成一致，使噴涂得到的防滑結構具有良好的耐磨性，長期使用不會脫落，其性能明顯優于人工鋪撒橡膠粒的防滑結構，特別適合于防滑要求較高的場所。
3.3 工藝流程
1） 基礎處理：運動場地面基礎一般為水泥基礎或瀝青混凝土基礎。基面需堅實、完整、清潔、無塵土、無疏松結構。混凝土表面的水泥浮漿、油脂等需用鋼刷、鑿錘、噴砂等方法除去。裂縫、空洞需事先修補好。
2） 檢查找平層干燥度，徹底清除表面灰塵，保證防水層良好附著，噴涂聚脲涂層必須要在相對干燥的接口上才有很好的粘結力。
3） 在干燥、清潔的基層上噴涂1道封閉底漆。
4） 噴涂SPUA聚脲彈性體厚度約為1.5mm，原料體系、主機壓力及噴槍移動速度視涂層性質（如厚度、耐老化等）確定。網球場、排球場、籃球場等一般厚度為4～10mm。 可根據用戶要求施工。
5） 用聚氨酯密封劑封邊處理。
6） 對有要求的工程在SPUA材料表面鋪撒金剛砂、石英砂和橡膠粒等防滑粒料。也可通過調節噴涂工藝，即通過調節體系的凝膠時間和噴槍角度, 獲得具有均勻顆粒的自防滑毛面，以滿足特殊工程的防濕滑要求。這是傳統的手工澆注法望塵莫及的。
7） 施工縫、端頭縫、穿墻管等不必單獨處理，可連續噴涂。施工結束后不必養護，一般1～2min即可上人行走，2h投入使用。
3.4 注意事項
1）通過對聚脲噴涂彈性體技術的研究和應用，人們發現在擁有好的配方基礎上，用好SPUA技術關鍵在于要解決好兩個方面的問題，即基底接口的底涂處理和噴涂機具操作工藝的掌握。
2）在SPUA材料表面鋪撒防滑粒（如金剛砂、橡膠粒、石英砂等）的場合，可選用不含DETDA的“漫體系’(slow－system)，該體系中的胺擴鏈劑使用化學活性較低的仲胺或位阻型伯胺，以降低反應速度，延長凝膠時間，保證有足夠的時間，使噴涂材料流平，鋪撒防滑粒料。
4 SPUA技術發展展望
SPUA采用成套噴涂設備，輸出量大，可連續操作，施工方便，施工效率高；而且幾秒鐘凝膠，幾分鐘即可達到步行強度，噴涂結束后10分鐘后可達到步行強度，12小時即可投入正常使用，可在最短的時間使用，停工時間短；同時，SPUA材料對水分、濕氣小敏感，施工不受環境溫度、濕度的影響。在基層干燥的情況下，無論是北方寒冷季節還是南方梅雨季節，都可正常施工，對環境條件要求低。因此，SPUA料能夠在較短的時間里在國內外廣泛使用，與其具有優異的施工性能密不可分。
基于APUA技術的基本性能，對運動場地設施的建設帶來極大的便利。首先，運動場地的建設具有周期長的特點，在施工過程中會遇到天氣的變化，特別是南方的多雨和北方的冰雪，傳統的技術于施工工藝往往會造成工期的延長，也會影響施工的質量。SPUA技術能較好的克服由此而帶的施工困難，為施工技術帶來極大的便利。第二，SPUA的材料具有通過調整反應體系中材料的配比得到不同柔性、韌性、硬度和顏色的涂層，適應體育運功中不同項目對場地設施的要求，具有很大的使用范圍。第三，SPUA技術在運動場地的建設中，具有明顯抗濕滑性，具有良好的防滑效果，能減少運動過程中因汗水等原因而造成的不必要的運動損傷。第四，在SPUA技術的施工過程或投入使用后，涂層均不產生有害物質和刺激性氣味，是一種綠色材料，對環境保護極為有益。第五，SPUA具有固化效果，通過簡單的施工方法，將材料從空中落下，形成均勻的防滑顆粒，同時也具有明顯的消光效果，有利于燈光球場和電視轉播。因此，如果推廣應用SPUA技術，必將促進體育運動場地和設施建設質量的提高，滿足人們對體育運動環境的需求，同時也會帶動SPUA技術的不斷完善和發展。
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