一种高强度多图案人造草坪及其制备方法与流程

本发明属于人造草坪，具体涉及一种高强度多图案人造草坪及其制备方法。

背景技术：

1、与纯天然植物生命草坪相比，利用现代塑料化纤或其他材料制备的人造草坪具有显著的优点，人造草坪可以全天候的使用，受外界自然环境及气候变化影响较小，并且维护简单，长期养护方便和成本低廉，因此，目前人造草坪已被广泛用于各种比赛场地、公众练习场，以及作为地面铺装美化室内环境等各种应用场景中。人造草坪主要由三个部分组成,即仿草叶状的合成草丝层、用于植入合成纤维的底布以及起固定作用的背胶层。

2、草丝层通常由聚乙烯和聚丙烯材料混合制备而成，这种材质的草丝层导致人造草坪的耐磨性能不佳、回弹性差、热稳定性不好，为了改善了人造草坪的耐磨性能和回弹性，采用聚酰胺（尼龙）材料来制备草丝层。公开号为cn110777605a的中国专利公开了一种使用尼龙材质的人造草坪，包括人造草坪本体，所述人造草坪本体包含有使用尼龙材质的人造草纤维、底布和胶水。该专利提供的一种使用尼龙材质的人造草坪，拥有优良的耐磨性能、老化性能、阻燃性能和更好的拔出力。但是由于尼龙人造纤维的易吸水、耐光性差，导致人造草坪在潮湿和高温环境中，容易变形和强度降低，而且由于尼龙材质的易吸水，使人造草纤维与背胶层之间的粘结力减弱，导致人造草纤维容易从背胶层上脱落，进而缩短了人造草坪的使用寿命。为了提高人造纤维的强度和耐磨性，延长人造纤维的使用寿命，研究者不断探索与研究具有良好粘接强度的背胶组合物。公开号为cn110205056a的中国专利公开了一种人造草坪用高性能水性胶黏剂组合物，组合物赋予了底背优异的粘接强度，并使得人造草坪在经历长期使用后背胶层的粘接强度依旧良好。该专利的人造草坪用高性能水性胶黏剂组合物通过利用二元有机酸对填料进行改性引入了羧酸基团，在此基础上针对胶乳和改性填料中的羧酸基团引入了羧酸型离聚物乳液，通过离聚物乳液中的金属离子与羧基形成离子键和配位键构建了胶乳和改性填料之间的交联网状结构，并利用羧酸型离聚物乳液在加热固化时的熔融增强了胶层和草丝之间的粘接力，从而延长了人造草坪的使用寿命。但是该专利中并没有涉及到如何提高人造草坪的力学性能和耐磨性。公开号为cn116751556a的中国专利公开了一种草坪背胶及其制备方法和应用，所述草坪背胶由如下重量份的原料组成：聚醚多元醇50-70重量份、聚酯多元醇10-20重量份、多异氰酸酯20-40重量份、氟硅乳液1-10重量份、聚四氟乙烯乳液5-15重量份、小分子扩链剂3-5重量份、无机填料20-35重量份、有机硅偶联剂1-3重量份。该专利的草坪背胶具有韧性好、力学强度高、耐候性好，热固化速度快，应用于人造草坪中能够提高人造草坪的草丝拉拔力，从而提高人造草坪的力学性能和耐老化性。但是该专利所得的背胶在长期使用后脱胶和粘接强度出现明显下降，严重影响人造草坪整体的使用寿命，因此该专利中背胶的粘接强度还有待提高。

3、现有技术中关于能够同时具有高强度、优良耐磨性和使用寿命长的人造草坪的报道比较少，因此，随着人造草坪的日益广泛使用，研究一种同时具有高强度、耐磨性好，且人造纤维草丝与背胶层之间粘结力强的人造草坪是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高强度多图案人造草坪及其制备方法。本发明以改性尼龙6和改性的聚氨酯分别作为人造草坪的人造草丝和背胶，解决了现有技术中人造草坪无法同时具备良好的力学性能、耐磨性和使用寿命长的问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高强度多图案人造草坪，包括粘结剂、基布层以及设于所述基布层上的人造草丝；所述粘结剂主要由改性聚氨酯制成，所述人造草丝由改性尼龙6制成；所述改性尼龙6的制备方法包括如下步骤：

4、（1）先将甲基三乙氧基硅烷溶解于无水乙醇中，在25-30℃下以600-800r/min的转速搅拌30-40min，混合均匀，然后将纳米碳酸钙加入到甲基三乙氧基硅烷的无水乙醇溶液中，在20-25℃下以800-1000r/min的转速搅拌混合30-60min，再升温至90-100℃以800-1000r/min的转速搅拌混合，去除乙醇，真空干燥，得改性纳米碳酸钙，备用；

5、（2）将稀土氧化物加入质量分数为30-35%的盐酸溶液中，所述稀土氧化物为氧化镧、三氧化二铈或二氧化铈中任一种，超声混合20-30min，超声频率为120-150khz，在52-62℃下蒸发浓缩30-50min，得稀土氯化物溶液；将所述稀土氯化物溶液加入乙酰水杨酸酐的乙醇溶液中，调节ph6-7，加热至68-72℃，保温反应2.5-4h后，将反应产物分离、洗涤并脱水、干燥，制得乙酰水杨酸酐稀土，备用；

6、（3）将步骤（1）中所得的改性纳米碳酸钙和步骤（2）中所得的乙酰水杨酸酐稀土分别加入无水乙醇中，超声分散30-40min，超声频率为100-120khz，得改性纳米碳酸钙乙醇溶液和乙酰水杨酸酐稀土的乙醇溶液；然后将所述乙酰水杨酸酐稀土的乙醇溶液加入所述改性纳米碳酸钙乙醇溶液中，混合均匀后，加入碱性催化剂氢氧化钾，在55-70℃下反应3-4h，过滤、洗涤、真空干燥，得乙酰水杨酸酐稀土包覆的改性纳米碳酸钙；

7、（4）将步骤（3）所得乙酰水杨酸酐稀土包覆的改性纳米碳酸钙和尼龙6加入转速为1500-2000r/min高速混炼机于95-105℃下处理30-45min，出料，得物料1，将所述物料1置于100-120℃真空干燥箱中干燥18-24h，得物料2，将所述物料2投入双螺杆挤出机进行熔融共混、挤出造粒，得物料3，将所述物料3进入注塑成型机注塑成型，得改性尼龙6。

8、由于尼龙结构中含有酰胺基团，使得尼龙具有很强的吸水性，尼龙吸水后会导致尺寸不稳定，从而使尼龙的力学性能下降，因此，需要对尼龙进行改性。本技术以纳米碳酸钙作为改性尼龙6的无机填料，但由于普通纳米碳酸钙颗粒具有表面晶格缺陷和表面极性的作用，导致碳酸钙颗粒易发生团聚，在聚合物中分散性和相容性均较差，进而影响尼龙体系材料的力学性能，所以本技术通过将硅烷结构引入到纳米碳酸钙，降低了纳米碳酸钙的表面能，使纳米碳酸钙表面间的作用力减小，这样纳米碳酸钙颗粒便不易团聚，从而提高了纳米碳酸钙在尼龙聚合物中的分散性和相容性；同时，为了增强尼龙体系材料的力学性能和耐磨性，再通过乙酰水杨酸酐稀土对硅烷改性的碳酸钙进行包覆处理，由于乙酰水杨酸酐稀土具有很强的配位作用，不仅能与纳米碳酸钙粒子的表面形成物理包覆作用，还能够与碳酸钙表面的硅烷结构发生化学反应，形成酯类结构，酯类结构具有稳定性，从而提升尼龙6分子的稳定性，而且酯基还可以与尼龙6分子中的-conh-键形成配位键，这样使得纳米碳酸钙粒子与尼龙6界面的作用增强，相容性增加；同时乙酰水杨酸酐稀土的强配位作用，使尼龙6体系各组分间的作用力增加，因而可以提高尼龙6体系的力学性能。由于乙酰水杨酸酐稀土与尼龙6分子中亲水基团( -conh- )发生配位作用后，大大削弱了-conh-与水形成氢键的能力，因而显著降低了尼龙6的吸水性。由于乙酰水杨酸酐稀土的加入使碳酸钙粒子与尼龙6界面的作用增强，同时乙酰水杨酸酐稀土与尼龙6的相互作用使尼龙6分子之间的物理缠结点增加， 因而尼龙6体系相互作用力增强，结合更加紧密，从而提高了尼龙6的耐磨损性能。

9、进一步地，所述步骤（1）中甲基三乙氧基硅烷、无水乙醇和纳米碳酸钙的质量比为(1-1.5):(7-9):(4-6)；所述步骤（2）中稀土氧化物与盐酸的摩尔比为(1-1.5):(6-10)；稀土氯化物和乙酰水杨酸酐的摩尔比为(1-1.5):(3-4.8)；所述步骤（3）中改性纳米碳酸钙乙醇溶液与乙酰水杨酸酐稀土乙醇溶液的质量比为(80-100):(1.2-1.5)。

10、进一步地，所述步骤（4）中双螺杆挤出机从进料端向出料端的6个温度区段的温度依次设置为220-230℃、240-245℃、240-245℃、245-250℃、250-260℃、250-260℃，双螺杆挤出机的主轴转速为60-90r/min，进料速度为30-40r/min。

11、进一步地，所述步骤（4）中注塑成型机的料筒温度为240-250℃，注塑压力为80-100mpa，保压时间为8-12s，注塑成型机的注射速度为6-8m/s。

12、进一步地，所述人造草丝的制备方法如下：将制备好的改性尼龙6作为基材，与色母粒、抗老化母粒、润滑剂按照质量比为(10-15):(0.8-1.2):(1-1.5):(2-2.4)进行熔融混炼、挤出、拉丝，得尼龙人造草丝；其中，所述挤出的温度为200-230℃；所述拉丝的热拉伸比为4.5-6，热拉伸的温度为120-150℃。

13、进一步地，所述改性聚氨酯的制备方法包括以下步骤：

14、1）向100ml聚四氟乙烯反应釜中依次加入邻二醇、碳酸二甲酯和催化剂氯化锌，搅拌混合均匀，然后放入真空烘箱中加热120-140℃反应2-4h，自然冷却，得五元环碳酸酯溶液；

15、2）将三乙胺、扩链剂、 填料、色浆、抗老化剂、有机硅偶联剂进行混合，得混合溶液1；

16、3）向步骤2）所得的混合溶液1中加入步骤1）所得五元环碳酸酯溶液、二苄基二硫代氨基甲酸锌和酸性硅溶胶，混合均匀，在40-50℃下反应4-6h，得改性聚氨酯。

17、通过以五元环碳酸酯溶液与脂肪胺（三乙胺）为主要原料制备得到聚氨酯的粘结剂，该粘结剂中通过三乙胺中的叔胺基对五元环环碳酸酯中的羰基进行亲核进攻，得到一种四面体中间体；所形成的四面体中间体继续被三乙胺中的叔胺基进攻而除去一个h+，并使得氮原子上形成高密度电子云从而导致五元环上碳氧键断裂而开环，同时，碳上氧负离子快速与h+结合成羟基，最终形成重复单元中含氨基甲酸酯结构及β位碳原子上含有羟基的聚氨酯化合物。由于重复单元结构的氨基甲酸酯键中羰基氧原子可与β位碳原子上羟基通过氢键作用力形成分子内六元环结构的相对稳定状态，从而提高了聚氨酯粘结剂的稳定性和结合强度；当向混合液中加入五元环碳酸酯溶液、二苄基二硫代氨基甲酸锌和酸性硅溶胶时，三乙胺中的叔胺基会同时与五元环碳酸酯和酸性硅溶胶溶液中的羟基发生反应，合成了以二氧化硅为核，聚氨酯为壳的核壳结构，有效提高了粘结剂的韧性和耐候性，二氧化硅的核成分能够有效提高粘结剂的稳定性和粘结力，而且致密的聚氨酯壳结构表面能够有效防止粘结剂固化后吸湿，从而提高聚氨酯粘结剂的粘结力，当将聚氨酯粘结剂应用于人造草坪的背胶时，二苄基二硫代氨基甲酸锌中的金属离子与聚氨酯的氨基甲酸酯中的氨基形成配位键，提高粘结剂的粘结强度和力学性能，从而延长了人造草坪的使用寿命。

18、进一步地，所述步骤1）中邻二醇与碳酸二甲酯的摩尔比为1:(0.6-1.6)；所述步骤3）中混合溶液1中的三乙胺与五元环碳酸酯的摩尔比为(3-6):1。

19、进一步地，所述邻二醇为1,2-戊二醇；所述抗老化剂为亚磷酸酯抗氧剂168；所述扩链剂为乙二胺或n，n-二羟基(二异丙基)苯胺中任一种。

20、进一步地，一种如上所述高强度多图案人造草坪的制备方法，包括如下步骤：

21、步骤s1、将人造草丝通过簇绒机簇绒于基布上，得到人造草坪胚毯，备用；

22、步骤s2、在步骤s1所得的人造草坪胚毯的背面涂上粘结剂，之后放入真空烘箱烘干、固化，得人造草坪；

23、步骤s3、通过3d数码印染技术在步骤s2所得的人造草坪的正面印染上不同颜色的图案，得高强多图案的人造草坪。

24、进一步地，所述步骤s2中烘箱烘干的温度为60-70℃。

25、与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果在于：

26、本发明先利用甲基三乙氧基硅烷与纳米碳酸钙表面的羟基或羰基结合形成化学键，降低纳米碳酸钙的表面能，使纳米碳酸钙表面间的作用力减小，从而提高了纳米碳酸钙在尼龙聚合物中的分散性和相容性；然后再通过乙酰水杨酸酐稀土对硅烷改性后的纳米碳酸钙进行包覆处理，最后再与尼龙6熔融共混、挤出造粒、注塑成型，得改性尼龙6，改性的尼龙6由于改性纳米碳酸钙的填充，改性后的纳米碳酸钙中引入的乙酰水杨酸酐稀土与尼龙6分子中亲水基团( -conh- )发生配位作用，并且改性后碳酸钙引入的硅烷结构中还含有疏水si-ch3基团，大大降低了尼龙6的吸水性，提升了尼龙6的强度和耐磨性能。本发明以五元环碳酸酯溶液与脂肪胺为主要原料制备得到聚氨酯的粘结剂作为背胶，脂肪胺中的叔胺基会同时与五元环碳酸酯和酸性硅溶胶溶液中的羟基发生反应，合成了以二氧化硅为核，聚氨酯为壳的核壳结构，核壳结构提高了粘结剂的韧性和耐候性，而且二氧化硅作为核成分具有良好的导热性能和三维网状结构，可以提高粘结剂的热固化速度、耐高温性能，致密的聚氨酯壳结构表面能够有效防止粘结剂固化后吸湿，从而提高聚氨酯粘结剂的粘结强度；当将聚氨酯粘结剂应用于人造草坪的背胶时，二苄基二硫代氨基甲酸锌中的金属离子与聚氨酯的氨基甲酸酯中的氨基形成配位键，提高粘结剂的粘结强度和稳定性。本发明以改性尼龙6和改性的聚氨酯分别作为人造草坪的人造草丝和背胶，显著提高了人造草坪的力学性能、耐磨性能和耐候性能，延长了人造草坪的使用寿命。