一種體育器材用新型彈性復(fù)合材料的應(yīng)用性能分析

摘要：采用硫磺和偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑協(xié)同對(duì)杜仲膠進(jìn)行改性，得到一種耐沖擊性能良好的新型彈性材料。試驗(yàn)首先對(duì)彈性材料的配比進(jìn)行優(yōu)化，然后以?xún)?yōu)化后材料為基礎(chǔ)制備了耐沖擊性良好的復(fù)合材料，并與市售足球護(hù)腿進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該材料的耐沖擊性能。結(jié)果表明，發(fā)泡杜仲橡膠的最佳配比為，硫磺用量2%，偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑用量24%，此條件制備的發(fā)泡杜仲橡膠密度為0.371g/cm3，硬度為79 HA，拉伸強(qiáng)度為6.9 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為246%，傳遞的最大沖擊力為132.5 N，沖擊力傳遞時(shí)間為13.8 mS。以該材料制備的復(fù)合材料單位厚度削減的外界沖擊力為13.4%，耐沖擊性能明顯高于市售足球護(hù)腿，具備作為防護(hù)材料應(yīng)用的潛力。

關(guān)鍵詞：體育器材；體育護(hù)具；發(fā)泡杜仲橡膠；物理軟化

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ332.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0040-04

Application performance analysis of a new elastic composite material for sports equipment

YAN Liqiong1，AO Jun2，ZHANG Qing3

（1.Shaanxi Institute of Mechatronic Technology，Baoji 721000 Shaanxi China；2.Xinfuyuan Primary School，Jintai District，Baoji，Baoji 72100，Shaanxi China；3.Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：A new type of elastic material with good impact resistance was obtained by co modifying Eucommia ul-moides gum with sulfur and azodicarbonamide foaming agent.The experiment first optimized the ratio of elastic ma-terials，and then prepared composite materials with good impact resistance based on the optimized materials，and compared them with commercially available football leg protectors to verify the impact resistance performance of the material.The experimental results show that the optimal ratio of foamed Eucommia ulmoides rubber is 2%sulfur and 24%azodicarbonamide foaming agent.The density of foamed Eucommia ulmoides rubber prepared under these conditions is 0.371 g/cm3，the hardness is 79 HA，the tensile strength is 6.9 MPa，the elongation at break is 246%，the maximum transmitted impact force is 132.5 N，and the impact force transmission time is 13.8ms.The composite material prepared with this material has a reduced external impact force of 13.4%per unit thickness，and its impact resistance is significantly higher than that of commercially available football leg protectors.It has the potential to be used as a protective material.

Key words：sports equipment；sports protective equipment；foamed eucommia ulmoides rubber；physical softening

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提升，對(duì)生活質(zhì)量也有了更高的要求。由于某些體育運(yùn)動(dòng)過(guò)于激烈，可能對(duì)運(yùn)動(dòng)員造成一些損傷，因此佩戴防護(hù)用具是很有必要的。目前市面上的防護(hù)用具多為PP材料制作而成，雖具備一定的防護(hù)效果，但彈性較差，佩戴舒適度較低。為尋找一種更適合的體育防護(hù)用品材料，很多學(xué)者進(jìn)行了研究，如吳秀華等[1]研究了體育器材中纖維增強(qiáng)塑料的應(yīng)用效果。韓有強(qiáng)[2]以玄武巖纖維為改性材料對(duì)尼龍（聚酰胺）進(jìn)行強(qiáng)化處理。王利娥等[3]探討了碳纖維增強(qiáng)塑料原理和優(yōu)良性能，并對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料在幾種常用體育器材中的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行分析。張冰[4]研究了聚氨酯材料在體育裝備、用具、設(shè)施等產(chǎn)品上的應(yīng)用現(xiàn)狀。以上學(xué)者的研究為體育護(hù)具材料的發(fā)展提供了參考，但在防護(hù)材料性能方面還有進(jìn)一步優(yōu)化空間。基于此，本文制備了一種新型發(fā)泡杜仲橡膠，并以該材料為基礎(chǔ)，制備了用于體育防護(hù)器材的復(fù)合材料。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

主要材料：杜仲膠（一級(jí)品，華翔科潔生物科技）；防老劑（AR，米蘭新材料）；活性劑（AR，宇濤化工）；促進(jìn)劑CZ（AR，軒浩新材料科技）；硫磺（AR，雷沃生物科技）；偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑（AR，燕邦化工科技）；天然橡膠（一級(jí)品，蓄福源化工）。

主要設(shè)備：BP-8175-B型熱輥開(kāi)煉機(jī)（寶品精密儀器）；SHK-C101型發(fā)泡硫化儀（檢卓?jī)x器科技）；WEW-600B型萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)（中路昌試驗(yàn)機(jī)）；ET-320型交聯(lián)密度儀（儀特諾電子科技）；TS-3型沖擊試驗(yàn)機(jī)（艾思荔檢測(cè)儀器）；SS-150型掃描電子顯微鏡（善時(shí)儀器）。

1.2發(fā)泡杜仲橡膠的制備

（1）提前打開(kāi)開(kāi)煉機(jī)加熱開(kāi)關(guān)，提升加煉機(jī)雙輥溫度至70℃，然后將200 g塊狀杜仲膠放入開(kāi)煉機(jī)進(jìn)行塑煉軟化處理；

（2）待杜仲膠軟化至包輥狀態(tài)且顏色略微透明時(shí)，加入2 g防老劑和6 g活性劑，待其混合均勻后，依次放入硫化劑、1.6 g促進(jìn)劑和偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑，得到發(fā)泡杜仲橡膠。以同樣的方法制備不含偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑的硫化杜仲橡膠，研究硫化交聯(lián)對(duì)杜仲橡膠的影響。

1.3性能測(cè)試

1.3.1硫化性能

通過(guò)發(fā)泡硫化儀對(duì)材料硫化性能進(jìn)行測(cè)試[5-6]。

1.3.2力學(xué)性能

通過(guò)萬(wàn)能拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料拉伸性能進(jìn)行測(cè)試；通過(guò)邵氏硬度計(jì)對(duì)材料硬度進(jìn)行測(cè)試[7]。

1.3.3密度

通過(guò)交聯(lián)密度儀對(duì)材料密度進(jìn)行測(cè)試[8]。

1.3.4沖擊性能

通過(guò)沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料沖擊性能進(jìn)行測(cè)試[9]。

1.3.5微觀結(jié)構(gòu)

通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察材料微觀結(jié)構(gòu)[10]。

2結(jié)果與討論

2.1硫化交聯(lián)對(duì)杜仲膠性能的影響

2.1.1硫化性能分析

對(duì)不同硫磺用量的硫化杜仲橡膠硫化性能進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知，燒焦時(shí)間tc10和正硫化時(shí)間tc90隨硫磺用量的增加而縮短，橡膠最高轉(zhuǎn)矩MH與最低轉(zhuǎn)矩ML的差值變大。說(shuō)明硫磺用量對(duì)增加杜仲橡膠的交聯(lián)程度有積極的作用，可幫助杜仲橡膠內(nèi)部形成更堅(jiān)固的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。但值得注意的一點(diǎn)是，過(guò)量硫磺可能會(huì)導(dǎo)致杜仲膠的正硫化時(shí)間過(guò)短，進(jìn)而導(dǎo)致橡膠材料出現(xiàn)硫化返原現(xiàn)象，這就導(dǎo)致杜仲橡膠的加工安全性有所降低[11-12]。

2.1.2力學(xué)性能分析

通過(guò)邵氏硬度表征硫磺對(duì)杜仲橡膠力學(xué)性能的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，隨硫磺用量的增加，杜仲橡膠的力學(xué)性能也隨之下降，說(shuō)明硫磺對(duì)杜仲橡膠起到很好的軟化作用，在受外力作用時(shí)，表現(xiàn)出更好的彈性。經(jīng)過(guò)查閱資料，有學(xué)者嘗試將硫磺添加量增加至6%，此時(shí)杜仲膠因?yàn)榻宦?lián)程度過(guò)大而失去了原本的韌性和強(qiáng)度，無(wú)法成型，失去使用價(jià)值[13]。

2.1.3沖擊力學(xué)性能

對(duì)不同硫磺添加量杜仲橡膠的沖擊力學(xué)性能分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，杜仲膠所傳遞的最大沖擊力隨硫磺用量的增加而降低，沖擊力持續(xù)傳遞時(shí)間增加。說(shuō)明經(jīng)過(guò)硫磺軟化后，杜仲膠在受外界沖擊時(shí)，材料更容易發(fā)生較大的彈性變形，對(duì)外部沖擊力有很好的削減作用，有效提升材料的防護(hù)能力[14-15]。

2.2發(fā)泡杜仲橡膠配比優(yōu)化

2.2.1硫磺用量?jī)?yōu)化

硫磺用量對(duì)偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑杜仲橡膠的特性影響見(jiàn)表4。

由表4可知，發(fā)泡杜仲橡膠中，硫磺含量越多，其密度越大，硬度和發(fā)泡倍率越低。這是因?yàn)榱蚧怯昧枯^少時(shí)，膠料內(nèi)部具備較低的交聯(lián)程度，進(jìn)而影響膠料黏度，降低了偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑受熱膨脹的束縛，膨脹性能高，因此發(fā)泡程度較高。隨硫磺用量的增加，膠料黏度增加，微球受熱膨脹的束縛增加，發(fā)泡倍率有所下降。同時(shí)，過(guò)量的硫磺會(huì)增加杜仲膠內(nèi)部結(jié)晶結(jié)構(gòu)的破壞程度，而材料硬度是同時(shí)受發(fā)泡程度和結(jié)晶程度的影響，因此即便發(fā)泡倍率下降，硬度仍在持續(xù)下降[16]。

不同硫磺含量的發(fā)泡杜仲橡膠力學(xué)性能見(jiàn)圖1。

由圖1可知，杜仲膠拉伸強(qiáng)度與硫磺用量成正相關(guān)，斷裂伸長(zhǎng)率的變化規(guī)律則為先增加后降低。這是因?yàn)槎胖傧鹉z體系內(nèi)摻入過(guò)量硫磺后，杜仲膠無(wú)法保持低交聯(lián)條件下的半結(jié)晶狀態(tài)，發(fā)泡微球膨脹收到的阻礙減小，增加了材料內(nèi)部空洞。在受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)會(huì)被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致試件斷裂，因此斷裂伸長(zhǎng)率降低[17-18]。綜合硫磺對(duì)發(fā)泡杜仲橡膠特性和力學(xué)性能的影響，選擇適合的硫磺用量為2%。

2.2.2偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑用量?jī)?yōu)化

偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑用量對(duì)發(fā)泡杜仲橡膠的特性的影響見(jiàn)表5。

由表5可知，隨發(fā)泡劑用量的增加，對(duì)杜仲橡膠的發(fā)泡效果越好，杜仲基體中的孔洞越多，使得杜仲橡膠內(nèi)部的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)坍塌，使其密度和硬度下降。

偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑對(duì)力學(xué)性能的影響見(jiàn)表6。

由表6可知，隨發(fā)泡劑用量的增加，發(fā)泡杜仲橡膠的拉伸性能和傳遞的最大沖擊力也明顯下降，沖擊力傳遞時(shí)間增加。這就說(shuō)明物理發(fā)泡會(huì)對(duì)杜仲橡膠的拉伸性能產(chǎn)生不良影響，但卻可以有效增強(qiáng)橡膠材料的沖擊防護(hù)性能。這是因?yàn)榘l(fā)泡微球在硫化過(guò)程中發(fā)泡，使橡膠基體內(nèi)部出現(xiàn)泡孔結(jié)構(gòu)，在受拉伸應(yīng)力作用時(shí)，這些泡孔結(jié)構(gòu)形成缺陷，促使材料發(fā)生斷裂。但在受沖擊作用時(shí)，這種泡孔結(jié)構(gòu)能有效吸收和耗散外界沖擊能量，進(jìn)而增強(qiáng)了橡膠基體的沖擊防護(hù)性能[19-20]。將杜仲橡膠作為制作體育護(hù)具時(shí)，不僅要求橡膠具備良好的沖擊防護(hù)性能，還需要具備一定的拉伸性能，綜合考慮，選擇適合的偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑用量為24%。

綜上，發(fā)泡杜仲橡膠的最佳配比為，硫磺用量2%，偶氮二甲酰胺發(fā)泡劑用量24%，此條件制備的發(fā)泡杜仲橡膠密度為0.371 g/cm3，硬度為79HA，拉伸強(qiáng)度為6.9 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為246%，傳遞的最大沖擊力為132.5 N，沖擊力傳遞時(shí)間為13.8 ms。

2.3發(fā)泡杜仲橡膠性能

通過(guò)對(duì)沖擊試驗(yàn)前后發(fā)泡杜仲橡膠微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，對(duì)發(fā)泡杜仲橡膠性能進(jìn)行進(jìn)一步研究，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2（a）可知，最佳條件下制備的發(fā)泡杜仲橡膠內(nèi)部微球均勻膨脹，幾乎不出現(xiàn)破損，具備較好的發(fā)泡效果。在受外界沖擊力時(shí)，這些均勻的微球?qū)δ芰坑形蘸秃纳⒆饔茫蛊渚邆漭^好的抗沖擊性能。由圖2（b）可知，經(jīng)過(guò)多次沖擊作用后，發(fā)泡杜仲橡膠內(nèi)部的微球出現(xiàn)疊加破裂變癟的情況，原本微球的部位形成空洞，進(jìn)而降低了發(fā)泡杜仲的防護(hù)性能。這就說(shuō)明發(fā)泡杜仲橡膠在外力作用下易出現(xiàn)變形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，因此不適宜單獨(dú)作為防護(hù)材料使用。

2.4實(shí)際應(yīng)用

由于2.3節(jié)結(jié)論中確定發(fā)泡杜仲橡膠不適宜單獨(dú)作為防護(hù)材料使用，因此以杜仲膠、天然橡膠和發(fā)泡杜仲橡膠作為材料，通過(guò)熱壓制備結(jié)構(gòu)為杜仲膠→天然橡膠→發(fā)泡杜仲橡膠的復(fù)合材料，并對(duì)復(fù)合材料性能進(jìn)行表征。

2.4.1沖擊力學(xué)試驗(yàn)

對(duì)制備的復(fù)合材料進(jìn)行持續(xù)的沖擊力學(xué)試驗(yàn)，觀察經(jīng)過(guò)沖擊后，材料傳遞的最大沖擊力和沖擊力持續(xù)時(shí)間的變化，結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知，經(jīng)過(guò)沖擊后，材料的防護(hù)性能有一定下降，但下降的趨勢(shì)較小，仍可認(rèn)定該材料具備良好的防護(hù)性能。

2.4.2與市售護(hù)腿耐沖擊防護(hù)性能對(duì)比

選擇市售足球護(hù)腿板為對(duì)對(duì)照，對(duì)材料防護(hù)性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可知，市售護(hù)腿板單位厚度削減的外界沖擊力僅為9.7%，而本試驗(yàn)制備的復(fù)合材料單位厚度削減的外界沖擊力為13.4%，在防護(hù)效果方面具備較大優(yōu)勢(shì)。

3結(jié)語(yǔ)

本文制備的發(fā)泡杜仲橡膠性能良好，以該材料為基礎(chǔ)制備的復(fù)合材料單位厚度削減的外界沖擊力明顯高于市售護(hù)腿，具備作為防護(hù)材料的潛力。

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（責(zé)任編輯：張玉平）