聚氨酯對(duì)羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑性能的影響

張 頎，何 智

(1.西安體育學(xué)院，陜西 西安 710068； 2.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)

環(huán)氧樹脂膠粘劑由于具有粘接性能較好、價(jià)格低廉和使用便捷等特性而在現(xiàn)代體育器械中有著廣泛應(yīng)用。要想獲得性能優(yōu)異的環(huán)氧樹脂膠粘劑，在制備過(guò)程中需要嚴(yán)格控制好環(huán)氧樹脂基料、固化劑和改性劑等的種類和含量。作為羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑，其力學(xué)性能是重要的考核指標(biāo)，已有的許多增韌改性技術(shù)雖然在一定程度上提高了環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的韌性，但是拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等有較大的下降。如何在不降低環(huán)氧樹脂膠粘劑試件韌性的基礎(chǔ)上，提升膠粘劑試件的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度等是值得研究的課題。本研究考察了聚氨酯(PU)對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件力學(xué)性能的影響，此舉有助于高綜合性能環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的開發(fā)與應(yīng)用。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

E-51型雙酚A型環(huán)氧樹脂(工業(yè)級(jí)，深圳市海能化工有限公司)、聚氨酯預(yù)聚體(工業(yè)級(jí)，東莞市天之鴻塑化有限公司)、脫模劑(工業(yè)級(jí)，廣州市壹諾化工科技有限公司)、二氨基二苯砜(分析純，武漢遠(yuǎn)成共創(chuàng)科技有限公司)、無(wú)水乙醇(純度99.5%，濟(jì)寧博誠(chéng)化工有限公司)。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

PX225型電子天平(浙江納德科學(xué)儀器有限公司)、DT88型超聲波清洗器(北京中西遠(yuǎn)大科技有限公司)、dzf-6020B智能電熱真空干燥箱(上海東麓儀器設(shè)備有限公司)、HV-1000A型顯微硬度計(jì)(萊州華銀試驗(yàn)儀器有限公司)、WDW-50E型微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南恒旭試驗(yàn)機(jī)技術(shù)有限公司)。

1.3 試驗(yàn)制備

聚氨酯環(huán)氧樹脂膠粘劑的具體配置方案如表1；圖1為聚氨酯環(huán)氧樹脂澆注體的制備方案，制備后根據(jù)試驗(yàn)需要加工成相應(yīng)的形狀。

表1 聚氨酯環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的配置方案

圖1 聚氨酯環(huán)氧樹脂澆注體的制備方案

1.4 測(cè)試與表征

(1)硬度：采用顯微硬度計(jì)測(cè)試(載荷為50 N、保持載荷時(shí)間為15 s，測(cè)試結(jié)果取5點(diǎn)平均值)；

(2)拉伸性能：根據(jù)ASTM D638—2014《塑料拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試(在室溫條件下，拉伸速率為1.5 mm/min，取3組試樣的平均值)；

(3)室溫彎曲性能：根據(jù)ASTM D790—2017《未加強(qiáng)和加強(qiáng)塑料與電氣絕緣材料的彎曲性能》標(biāo)準(zhǔn)，采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試(在室溫條件下，加載速率為1.5 mm/min，取3組試樣的平均值)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能

聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度的影響

由圖2可知，隨著環(huán)氧樹脂中改性劑聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，改性膠粘劑的顯微硬度降低至22.41 MPa，相較于未添加聚氨酯的膠粘劑的硬度約降低了14.0%；改性劑聚氨酯的添加使得環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度呈現(xiàn)不同程度的降低，且聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高則膠粘劑硬度越低。這主要是由于聚氨酯的加入會(huì)造成環(huán)氧樹脂膠粘劑中異氰酸酯基與羥基發(fā)生化學(xué)接枝反應(yīng)，從而降低了環(huán)氧樹脂膠粘劑的交聯(lián)密度；環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度會(huì)相應(yīng)地減小。

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖3可知，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，其環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的相對(duì)最大拉力和應(yīng)變也都明顯不同。其中，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，相對(duì)最大拉力較大，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也較高；而聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%時(shí)，相對(duì)最大拉力較小，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也較低。

圖4為不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸性能。

圖4 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸性能

由圖4可知，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得抗拉強(qiáng)度的相對(duì)最大值，約62.23 MPa。此外，對(duì)比分析可知，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件。

圖5為聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件拉伸彈性模量的影響。

圖5 聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸彈性模量的影響

由圖5可知，隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加至20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉伸彈性模量并不呈線性變化，且變化幅度較小。由此表明，聚氨酯添加不會(huì)對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件拉伸彈性模量產(chǎn)生明顯影響。

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉斷伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果，具體如圖6所示。

圖6 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷裂伸長(zhǎng)率測(cè)試結(jié)果

由圖6可知，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷裂伸長(zhǎng)率隨著聚氨酯含量的增加呈先增加后減小的態(tài)勢(shì)。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得拉斷伸長(zhǎng)率的相對(duì)最大值，約3.61%。此外，對(duì)比分析可知，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的斷后伸長(zhǎng)率都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件。由此可見(jiàn)，聚氨酯的添加有助于提升環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的拉斷伸長(zhǎng)率。

2.2 彎曲性能

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的相對(duì)最大彎曲應(yīng)力和彎曲應(yīng)變都明顯不同。其中，聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)具有相對(duì)最大的彎曲拉力，對(duì)應(yīng)的彎曲應(yīng)變也相對(duì)最高。

圖7 不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同聚氨酯含量的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，具體如圖8所示。

圖8 不同聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度的影響

由圖8可知,環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度隨著聚氨酯含量增加呈先增加后減小的態(tài)勢(shì)，在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)取得彎曲強(qiáng)度的相對(duì)最大值，約122.22 MPa，相較于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件約提高了25%。當(dāng)聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)，繼續(xù)增加聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)使得試件的彎曲強(qiáng)度有一定程度減小；但是仍然高于未添加聚氨酯的試件。由此可見(jiàn)，添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度都要高于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件，聚氨酯添加可以在一定程度上提高試件的彎曲強(qiáng)度，這與聚氨酯添加與環(huán)氧樹脂發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)而形成聚合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有關(guān)。

聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲模量的影響，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知,環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量隨著聚氨酯含量增加并不呈線性變化，且變化幅度較小。聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%時(shí)，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量都高于聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的試件，彎曲模量分別為3.22、3.20 GPa；隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)的繼續(xù)增加，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量有所降低；但是仍然高于聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%的試件。由此表明，聚氨酯添加會(huì)一定程度提高環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量。這主要是因?yàn)楫?dāng)在環(huán)氧樹脂膠粘中添加聚氨酯時(shí)，聚氨酯會(huì)與環(huán)氧樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成聚合物網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從而在增強(qiáng)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件彎曲強(qiáng)度的同時(shí)，一定程度上提升了彎曲模量。

圖9 聚氨酯含量對(duì)環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量的影響

3 結(jié)語(yǔ)

(1)隨著羽毛球器械用環(huán)氧樹脂中改性劑聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑的硬度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，改性膠粘劑的顯微硬度降低至22.41 MPa，相較于未添加聚氨酯的膠粘劑的硬度約降低了14.0%。改性劑聚氨酯的添加會(huì)使得環(huán)氧樹脂膠粘劑硬度呈現(xiàn)不同程度的降低，且聚氨酯含量越高、則膠粘劑硬度越低；

(2)羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的抗拉強(qiáng)度隨著聚氨酯含量增加呈先增加后減小的態(tài)勢(shì)，在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)取得抗拉強(qiáng)度的相對(duì)最大值，約62.23 MPa。隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量并不呈線性變化，且變化幅度較小；

(3)隨著聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%～20%，羽毛球器械用環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲強(qiáng)度呈先增加后減小的態(tài)勢(shì)。在聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，取得了彎曲強(qiáng)度的相對(duì)最大值，約122.22 MPa，相較于未添加聚氨酯的環(huán)氧樹脂膠粘劑試件約提高了25%。聚氨酯添加會(huì)在一定程度提高環(huán)氧樹脂膠粘劑試件的彎曲模量。