聚氨酯基增強復合材料應用 在體育健身器材中的優勢分析

張珂

摘 要：文章著重針對半預聚體法制備連續玻纖增強聚氨酯復合材料性能優勢進行實驗。結果表明：雙組分聚氨酯樹脂在反應溫度逐漸增高過程中粘度不斷增強，當達到30℃條件時能夠獲得最佳的適用期;隨固化溫度的提升，純聚氨酯材料力學性能中的拉伸強度、伸長率基本呈先增強后逐漸降低變化趨勢，分別對應最佳固化溫度為120℃、110℃;拉伸模量呈先下降后迅速提升變化趨勢，于140℃環境下達到最大值;隨固化時間的增長，材料拉伸強度、伸長率呈先迅速提升后增幅放緩趨勢，拉伸強度則呈先下降后提升變化態勢;聚氨酯復合材料成型工藝、溫度等同樣會對材料的力學性能產生影響，但變化趨勢與純聚氨酯材料略有不同。

關鍵詞：聚氨酯基增強復合材料;體育健身器材;拉伸強度;伸長率;力學性能

中圖分類號：TS186.1;TB33 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0067-05

Analysis on the Advantages of Polyurethane Reinforced Composite Materials Used in Sports and Fitness Equipment

Zhang Ke

（Party School of Shaanxi Provincial Committee of C.P.C（Shaanxi Academy of Govemance ）， Xi an 710061， China）

Abstract：This paper focuses on the semi-prepolymer method for the preparation of continuous glass fiber reinforced polyurethane composites performance advantages were experimented. The results showed that the viscosity of two-component polyurethane resin increased with the increasing of reaction temperature， and the best application period was obtained when the temperature reached 30℃. With the increase of curing temperature， the tensile strength and elongation of the mechanical properties of pure polyurethane basically increased first and then gradually decreased， corresponding to the optimal curing temperature of 120℃ and 110℃， respectively. Tensile modulus decreases first and then increases rapidly， and reaches the maximum value at 140℃. With the increase of curing time， the tensile strength and elongation of the material increased rapidly at first and then slowed down， while the tensile strength decreased at first and then increased. The forming process and temperature of polyurethane composites also affect the mechanical properties of the materials， but the changing trend is slightly different from that of pure polyurethane materials.

Key words：polyurethane reinforced composites; sports and fitness equipment; tensile strength; elongation; mechanical properties

0 引言

聚氨酯（PU，分子式：C3H8N2O）及其復合材料具有較為優良的力學性能、抗老化、抗撕裂性能等，是一種廣泛應用于體育健身器材制備領域的高分子復合材料。其主要產品類型有聚氨酯發泡材料、高分子復合彈性記憶海綿、復合纖維、環保型合成革等。與一般體育器材制備材料相比，聚氨酯及其復合材料的耐磨性、高彈性以及耐腐蝕性能更為優異，因而被廣泛應用于足球、運動鞋、防護裝備等的制備工藝中[1-3]。文章以雙組分聚氨酯基連續玻璃纖維增強復合材料為主要研究對象，對該類型復合材料在體育運動領域的性能優勢進行研究，分別針對一步法制備聚氨酯基增強復合材料、封閉型聚氨酯預聚體以及半預聚體法制備聚氨酯的原理進行分析，著重針對應用半預聚體法制備聚氨酯方法下，材料的力學性能隨反應溫度、固化溫度、固化時間等的變化情況開展實驗研究并取得了數據化結果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與設備

在開展材料力學性能實驗之前，本文首先將利用半預聚體法制備一種雙組分聚氨酯（兩份），其中一份主要進行純聚氨酯部分實驗，另一份在與連續玻璃纖維進行復合以后進行聚氨酯基增強復合材料相關性能實驗。本次實驗所使用實驗材料與設備如表1所示。由于本文主要考量聚氨酯基增強復合材料在體育健身器材中的應用與性能優勢，因此關于材料性能將主要考核熱性能、動態力學性能、拉伸性能、彎曲強度以及黏度等。這些因素將直接影響聚氨酯及其復合材料制備的如防護用具、服飾以及其他體育健身器材的力學強度、耐熱耐腐蝕性、彈性等。

1.2 實驗方法

1.2.1 雙組分聚氨酯樹脂制備

聚氨酯樹脂制備方法通常包含：①一步法，將多異氰酸酯與多元醇及其他擴鏈劑、催化劑等統一同時混合于一起進行模具澆注，因所有反應均在統一場景同時進行，因而該方法制備聚氨酯樹脂被成為一步法，一步法成本低廉、工藝簡單，但產品質量較差，聚氨酯樹脂材料分子結構不規整[4];②預聚體法，該方法需要首先將異佛爾酮二異氰酸酯與聚四氫呋喃二醇等制備預聚物，后將預聚物與擴鏈劑進行混合以后進行模具澆注得到聚氨酯樹脂，該方法性能較一步法更為優越，但工藝難度較大[5];③半預聚體法，該法先首先利用異佛爾酮二異氰酸酯與聚四氫呋喃二醇制備所需的聚合物多元醇，再將聚合物多元醇與剩余的多元醇和擴鏈劑進行混合，得到聚氨酯樹脂，該方法存在部分預聚合反應也存在一部分擴鏈反應，具有質量可控、反應多樣、操作簡單等優勢[6]。利用半預聚體法制備的聚氨酯樹脂，更加適合當前體育事業飛速發展狀態下，對新型、高端體育建設器材、設施等的需求，也更加適合大規模批量化生產能夠進行模具成型的部分體育健身器材如網球球拍、高端運動場地、運動防護設備等。因此，本文采用半預聚體法制備雙組分聚氨酯樹脂。

1.2.2 復合材料制備

聚氨酯樹脂基玻璃纖維增強復合材料制備，需要將玻璃纖維和模具在T=150℃條件下進行干燥和預熱處理，后將雙組分聚氨酯樹脂按照質量比為0.881：1比例進行混合后均勻涂波在預熱完成的玻璃纖維上，經t=120s時間浸潤后，利用壓實機進行壓實后加熱固化。

1.2.3 儀器與測試

各儀器應用條件及主要分析數據指標如表2所示。各儀器將主要圍繞聚氨酯基增強纖維材料在體育健身器材制備領域中最為重要的力學性能、彎曲強度等開展測試，用以挖掘材料與其他傳統材質體育健身器材之間的性能差異。

2 結果分析

2.1 反應溫度對純聚氨酯樹脂黏度影響

將利用半預聚體法制備完成的聚氨酯樹脂進行預熱，達到30℃測試溫度以后按照比例進行混合，使用武漢格萊莫檢測設備有限公司生產的NDJ-1B旋轉黏度計測量混合物的實時黏度，得到表3所示反應溫度對純聚氨酯樹脂黏度的影響結果。

可知，當溫度高于室溫條件（25℃）后，相同反應時間條件下，純聚氨酯樹脂黏度隨溫度的提升而下降;同一反應溫度條件下，純聚氨酯樹脂黏度隨反應時間的延長基本呈逐漸上升趨勢，這是因為溫度的提升，純聚氨酯樹脂中的活性基團碰撞幾率隨之提升，此時樹脂中相對分子質量變化狀態基本全部呈現上升趨勢，使樹脂黏度隨之提升。而純聚氨酯樹脂黏度的提升與材料適用期之間的關系為正相關。因此，當反應溫度為30℃時能夠獲得最佳的聚氨酯樹脂材料適用期（約為64min左右）。與一般的塑料或其他高分子材料相比，聚氨酯基材料制備的體育健身器材或用具能夠獲得更長的材料適用期，可廣泛應用于部分結構復雜、制作時間較長的體育建設器材或模塊。

2.2 固化條件對樹脂澆注體影響

2.2.1 固化溫度

固化溫度是影響樹脂澆注體力學性能的主要條件之一。表4所示為不同固化溫度條件下幾組純聚氨酯材料的拉伸強度、伸長率、拉伸模量平均值變化情況。

隨著固化溫度由100℃提升至140℃，材料的拉伸強度由23.7MPa提升至26.9MPa逐漸下降，對應最佳固化溫度為120℃;伸長率由127.6%提升至164.8%后先緩慢下降后快速下降，對應最佳固化溫度為110℃;拉伸模量則呈先緩慢下降后快速下降最后急劇提升變化狀態，最佳固化溫度為140℃。分析其原因，主要是因為溫度的提升會加劇固化反應速度和反應程度，因而力學性能中的拉伸強度和伸長率先增長，但隨著溫度的不斷提升，在達到一定溫度后混合物體系中的異氰酸酯會與氨基甲酸酯產生交聯效應，混合物中的分子鏈滑移能力呈現出逐漸下降趨勢，此時拉伸強度與伸長率開始逐漸下降[7-9];而溫度的提升會在混合物中形成交聯，造成樹脂拉伸變形性呈現逐漸下降趨勢，但在溫度達到一定程度后交聯反應逐漸完成，材料拉伸模量開始恢復。綜合而言，純聚氨酯澆注體的拉伸性能在120℃左右達到最佳。與碳纖維、芳綸等材料相比，該最佳固化溫度較低，表明聚氨酯材料能夠在較低的固化溫度條件下完成材料的制備，會在一定程度上降低工藝難度和對能源的消耗，對于體育健身器材生產廠家而言，能夠一定程度上節約生產成本，有利于產業綠色可持續發展。

2.2.2 固化時間

將澆注體分為五等分，保持最佳固化溫度120℃不變，分別測試1h～5h條件下試樣的拉伸強度、伸長率以及拉伸模量，得到表5所示結果。

拉伸強度、伸長率基本均隨固化時間的演唱而增大，在達到3、4h后基本趨于穩定，數據不再產生劇烈變化，這是因為隨著固化時間的延長，純聚氨酯材料內部反應逐漸完全，分子鏈內部由于反應生成的相分離結構逐漸成型而提升了材料的力學性能;拉伸模量則隨固化時間延長呈現出先急劇降低后緩慢提升變化態勢，在固化時間為4h時達到最低值211.5 MPa，可能是由于固化時間的延長首先使純聚氨酯材料內部分子鏈軟段產生滑移，降低了材料力學強度，而逐漸使純聚氨酯材料內部的相分離結構趨向穩定，增強了聚氨酯分子鏈中硬段聚集性，材料的剛性由弱增強。綜合而言，純聚氨酯材料的最佳固化時間為5h或更長。最佳固化時間方面，聚氨酯材料并未與其他高分子復合材料之間形成明顯差異，大多數高分子材料的最佳固化時間均集中在4h以上，但聚氨酯材料最終達到的拉伸強度、伸長率以及拉伸模量等超過了相當一部分高分子材料，表明在同樣的最佳固化時間下，利用聚氨酯材料制備的體育健身器材或防護裝備的綜合力學性能表現更為優越。

2.3 純聚氨酯熱性能分析

表6所示為保持固化溫度120℃、固化時間5h的最佳條件下制備的純聚氨酯材料動態熱機械性能變化情況。其中tanδ為損耗角正切值用于表示材料機械損耗因子，該值越高則表示材料的玻璃化溫度越高。

tanδ值隨反應溫度的提升而呈現出先上升后下降的變化趨勢，當溫度達到175℃左右時tanδ達到最高值8.8。由于150℃之后材料的模量呈現出下降趨勢，因而材料在150℃之后已逐漸由玻璃態轉變為橡膠態，材料在溫度達到175℃左右之后材料基本完成了玻璃化。

2.4 聚氨酯基增強復合材料性能變化分析

2.4.1 玻纖含量

同時制備多種不同玻纖含量的聚氨酯基增強玻璃纖維復合材料，利用萬能材料拉力試驗機檢測材料在固化4h之后的彎曲性能，測試結果如表7所示。

隨著玻璃纖維在聚氨酯基復合材料中體積占比的提升，復合材料的彎曲強度呈現出逐漸提升后下降的變化趨勢，當玻璃纖維體積占比為72%左右時達到最高值516MPa，這是因為復合材料的粘接性能會隨復合材料中樹脂成分占比的降低而降低，在達到一定程度以后復合材料已經無法將玻纖完整地粘接為一個整體，此時材料的彎曲性能必然會呈下降趨勢[10];彎曲模量變化趨勢則是隨玻璃纖維體積占比的提升而逐漸增強變化態勢，但變化幅度逐漸放緩，在玻璃纖維體積占比達到72%以后，增幅已不再明顯，這是由于材料中玻璃纖維體積占比的提升很大程度增強了復合材料的整體剛性，但在達到一定程度以后材料剛性的提升幅度已不再明顯，彎曲模量的增長逐漸放緩。綜合而言玻璃纖維體積占比約72%時能夠獲得最佳的彎曲性能。玻纖含量越高表明材料獲得最佳彎曲性能時材料中聚氨酯樹脂體積占比越低，而相同規格和尺寸的體育建設器材中同體積的聚氨酯樹脂價格要遠高于玻纖材料，表明獲得最佳彎曲性能的聚氨酯基增強復合材料體育健身器材的材料成本也越低。但是材料成本的降低并不能完全彌補玻纖含量的上升對體育健身器材材料制備工藝要求的提升，也并不代表利用聚氨酯基增強復合材料制備某些體育健身器材時玻纖含量越高越好，尚需要進一步分析。

2.4.2 固化溫度及時間

盡管玻纖積占比約72%時，復合材料的彎曲性能最佳，但由于該種實驗條件對浸潤時間和材料制備的要求更高，因而本文并未將積占比72%的聚氨酯基增強玻璃纖維復合材料作為材料在固化條件影響下的實驗對象，而是采用了玻璃纖維體積占比為36%的復合材料開展論述，得到了表8所示的若干組復合材料在不同固化溫度下的彎曲強度和彎曲模量平均值。

隨溫度的提升復合材料的彎曲強度呈現出先增強后減弱的變化態勢，于120℃時達到最大值316 MPa，分析其原因主要是因為隨著反應溫度的提升材料中的高分子反應逐漸完全，此時材料的彎曲強度逐漸增強，但較高的反應溫度會不斷增加復合材料中的交聯效應，對高分子材料中的微區相分離結構產生破壞，造成聚氨酯基增強玻璃纖維復合材料中的分子鏈滑移困難，強度降低;彎曲模量則處于先降低后上升變化態勢，在溫度為130℃條件下達到最低值10168 MPa，在140℃條件下的彎曲模量與最高值相比差距依然明顯，這主要是由于交聯效應的存在造成復合材料剛性的提升并不明顯，無法完全抵消材料內部高分子完全反應帶來的彎曲模量下降。因此，本文認為材料的最佳固化溫度應保持在120℃左右。

表9所示為不同固化時間聚氨酯基增強玻璃纖維復合材料的彎曲性能變化情況，彎曲強度及彎曲模量均隨材料固化時間的增長而增大，變化趨勢高度一致;在固化時間超過4h后材料的彎曲性能逐漸趨向穩定，彎曲強度及彎曲模量的變化幅度逐漸降低。

3 結論

（1）針對純聚氨酯樹脂材料的粘溫特性進行實驗分析，可知在相同的反應時間條件下隨著溫度的提升材料的黏度呈現下降趨勢，當反應溫度為30℃時能夠獲得最佳的聚氨酯樹脂材料適用期（約為64min左右）。較長時間的材料適用期，能夠幫助體育健身器材及相關防護用具生產廠家有更長的時間用于進行復雜工藝建設器材或模塊的生產，這一點是聚氨酯材料比碳纖維材料明顯更具優勢的地方。

（2）固化溫度120℃、固化時間為5h條件下，純聚氨酯材料澆注體能夠獲得最佳的綜合力學性能，此時材料的拉伸強度、伸長率、拉伸模量值分別為26.9MPa、161.8%和232.6MPa。盡管類似高分子材料固化時間均集中在4h及以上，但使用最佳固化條件聚氨酯材料制備的體育健身器材或防護用具最終能夠得到的最佳力學性能與一般PU、PVB材料相比更加優異，更遠高于一般的硫化橡膠等材料。

（3）玻璃纖維體積占比為72%時，能夠獲得最佳的復合材料彎曲性能，此時復合材料彎曲強度及彎曲模量分別為516MPa、38879MPa。盡管該條件下能夠獲得最佳的材料彎曲性能并降低體育健身器材制備環節中的材料成本，但實際的體育健身器材并不能完全按照這一比例進行制備，企業可根據具體的體育健身器材類型和應用場景進行靈活掌握。

（4）固化溫度120℃、固化時間為5h條件下復合材料綜合彎曲性能最佳，體積占比36%的復合材料的彎曲強度及彎曲模量分別為316MPa、19136MPa。在彎曲性能方面，利用聚氨酯基增強復合材料制備的體育健身器材如撐桿跳的撐桿等性能與碳纖維材料相比毫不遜色，但生產成本方面要遠低于一般碳纖維復合材料。因此，可考慮使用聚氨酯基玻璃纖維復合材料制備新型的撐桿等體育健身器材，用于替換部分價格高昂的碳纖維復合材料。

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