足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)用HGB/TPU復(fù)合泡沫材料制備及其性能

權(quán)華

摘 要：足球運(yùn)動(dòng)具有一定的危險(xiǎn)性，為了降低運(yùn)動(dòng)員受傷程度，需要使用到相關(guān)的防護(hù)用具，為了提高防護(hù)用具的效果，其中所使用到的材料非常關(guān)鍵。文章將研究一種HGB/TPU復(fù)合泡沫材料，該材料具有很強(qiáng)的吸收沖擊荷載能力，而且質(zhì)量輕、力學(xué)性能較好，作為足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)用具材料將能夠起到較好的防護(hù)作用。所以文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，制備HGB/TPU復(fù)合泡沫材料，然后研究其性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，HGB含量為2%、發(fā)泡劑含量為1%、發(fā)泡方式為注塑發(fā)泡時(shí)，能夠得到性能更好的材料。

關(guān)鍵詞：防護(hù);HGB/TPU復(fù)合泡沫材料;性能;制備

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ328 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0148-04

Abstract：Football has a certain degree of danger. In order to reduce the injury of athletes， it is necessary to use related protective equipment. In order to improve the effect of protective equipment， the materials used in it are very critical. This paper will study a kind of HGB/TPU composite foam material， which has a strong ability to absorb iMPact load， and it has light weight and good mechanical properties. As a protective material for football sports， it will play a better protective role. Therefore， through experimental research， the paper prepared HGB/TPU composite foam material， and then studied its performance. The experimental results show that when the HGB content is 2%， the blowing agent content is 1%， and the foaming method is injection molding foaming， materials with better performance can be obtained.

Key words：protection; HGB/TPU composite foam material; performance; preparation

聚合物泡沫屬于一種輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，具有很強(qiáng)的吸收沖擊荷載能力，而且其隔音和隔熱性能都很好，但是泡沫的力學(xué)性能比較弱，不能經(jīng)受住加大力量[1-2]。足球運(yùn)動(dòng)具有一定的危險(xiǎn)性，容易遭到各種碰撞和摩擦，從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員受傷，所以在足球運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)穿戴防護(hù)用具，如果將聚合物泡沫作為防護(hù)用具的材料，除了不能滿足防護(hù)用具的力學(xué)性能，其他的所有性能都能夠滿足。如果對(duì)聚合物泡沫進(jìn)行改性研究，增強(qiáng)其力學(xué)性能，那么能夠在足球運(yùn)功防護(hù)中具有非常好的應(yīng)用效果。于是文章將主要研究一種HGB/TPU復(fù)合泡沫材料，目的在于增強(qiáng)力學(xué)性能，從而能夠?qū)⑵溥\(yùn)用到足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)中。

TPU就是熱塑性聚氨酯，屬于一種彈性聚合物，具有減震能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐化學(xué)性能好、耐磨性好、彈性高等熱點(diǎn)[3-4]。TPU能夠進(jìn)行再加工，因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)包含硬段和軟段區(qū)有序排列[5]。通過(guò)發(fā)泡處理TPU材料后，能夠降低其質(zhì)量，得到改善材料的作用。HGB就是空心玻璃微珠，屬于一種質(zhì)量較輕的無(wú)機(jī)非金屬材料，具有填充量高、密度低、無(wú)應(yīng)力高度集中、低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)[6-7]。將空心玻璃微珠加到聚合物泡沫中，具有降低成本的作用，而且還可以增強(qiáng)發(fā)泡材料作用[8]。所以文章通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究制備一種HGB/TPU復(fù)合泡沫材料，增強(qiáng)其性能，從而能夠在足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)中具有重要作用。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所需材料有熱塑性聚氨酯、空心玻璃微珠、硅烷偶聯(lián)劑、偶氮二甲酰胺、乙醇、正丙胺、氫氧化鈉等。

實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備如表1所示。

1.2 HGB/TPU復(fù)合泡沫材料的制備

1.2.1 HGB材料的表面處理

HGB相關(guān)的參數(shù)如表2所示。首先需要對(duì)HGB材料進(jìn)行篩選，使用的篩選工具為300目到400目的篩子，篩選完成之后，將其使用真空干燥箱進(jìn)行干燥處理，將干燥箱的溫度設(shè)置為120℃，干燥時(shí)間設(shè)置為3h。干燥完成之后進(jìn)行自然冷卻，最后將其放入干燥箱中進(jìn)行備用。

準(zhǔn)備200mL、0.5mol/L的氫氧化鈉，然后將5gHGB放入其中進(jìn)行加熱到90℃，然后不停的進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為2小時(shí)，然后通過(guò)使用蒸餾水進(jìn)行洗滌3次待用。準(zhǔn)備100mL環(huán)己烷，然后將0.1g正丙胺和5g硅烷偶聯(lián)劑加入到環(huán)己烷中，然后再將剛剛處理好的HGB加入其中，進(jìn)行加熱處理直至70℃，然后回流2h。還需要對(duì)其進(jìn)行洗滌，首先用乙醇洗滌2次，然后還需要使用蒸餾水洗滌3次，最后就是將HGB進(jìn)行干燥處理2h，使用80℃真空烘箱。

1.2.2 發(fā)泡方法

按照一定的比例，將HGB、TPU、加工助劑和AC使用高速混合機(jī)進(jìn)行攪拌均勻即可出料。文章將使用兩種發(fā)泡方式，分別為注塑發(fā)泡和模壓發(fā)泡。其具體流程分別如下：

（1）模壓發(fā)泡：首先使用哈克轉(zhuǎn)矩流變儀對(duì)混合料進(jìn)行熔融共混，將該儀器的時(shí)間設(shè)置為10min，溫度設(shè)置為175℃，然后將其放入到模具中，再就是對(duì)其進(jìn)行模壓泡發(fā)，使用的儀器為平板硫化機(jī)，將該機(jī)器的發(fā)泡壓力設(shè)置為4MPa，溫度設(shè)置為210℃，最后就是對(duì)模具進(jìn)急速冷卻，發(fā)泡樣品即制作成功。

（2）注塑發(fā)泡：對(duì)混合料直接使用注射成型機(jī)進(jìn)行注塑發(fā)泡，該儀器需要設(shè)置的相關(guān)工藝參數(shù)如表3所示，然后對(duì)其進(jìn)行自然冷卻即可得到發(fā)泡樣品。

1.3 表征

（1）SEM分析。為了分析發(fā)泡樣品和HGB的表面和斷面形貌，分別對(duì)兩種材料進(jìn)行沖擊斷面噴金處理，其中使用到的工具為掃描電子顯微鏡。

（2）FTIR分析。使用KBr壓片法對(duì)HGB粉末進(jìn)行紅外光譜分析，其中使用到的儀器為紅外光譜分析儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 HGB表面處理的效果

TPU和HGB兩種材料之間的相容性比較差，于是其很難形成較好的粘接界面，從而不利于在足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)中進(jìn)行使用，所以通過(guò)使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)HGB表面進(jìn)行處理，從而增強(qiáng)其界面粘接強(qiáng)度，使得復(fù)合材料性能變得更加優(yōu)異。

2.1.1 SEM分析

使用掃描電子顯微鏡觀察HGB經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理前后的SEM圖，如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）為沒(méi)有經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理的圖像，圖1（b）為放大1000倍的效果，圖1（c）和圖1（d）為經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理后的圖片，其中圖1（d）為放大3000倍的效果。

從圖1中可以看出，當(dāng)沒(méi)有經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理的HGB粒子尺寸大小比較統(tǒng)一，大致在50?m，并且可以看出每個(gè)粒子的表面呈現(xiàn)出光滑圓整的樣子;而經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理之后，每個(gè)粒子粗糙不平，這是因?yàn)榱Ｗ颖砻姹还柰榕悸?lián)劑所覆蓋。HGB和硅烷偶聯(lián)劑的反應(yīng)過(guò)程如圖2所示，從該反應(yīng)過(guò)程中也可以看出經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理后的HGB表面更好。

2.1.2 FTIR分析

使用硅烷偶聯(lián)劑處理前后的HGB紅外光譜圖如圖3所示，從圖中可以看出，波長(zhǎng)大致在3450cm-1時(shí)，紅外光譜波峰出現(xiàn)了—NH2和—OH伸縮振動(dòng)疊加峰，其屬于硅烷偶聯(lián)劑中氨基和羥基的特征譜線。另外，在波長(zhǎng)為2854cm-1和2923cm-1附近出現(xiàn)了為硅烷偶聯(lián)劑的成分譜線。總之通過(guò)觀察上述光譜圖，能夠說(shuō)明HGB表面存在硅烷偶聯(lián)劑的成分，于是具有有效的處理效果。于是將TPU和HGB進(jìn)行結(jié)合時(shí)，能夠大大提高其結(jié)合力。

2.2 發(fā)泡方式對(duì)復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)性能影響

使用AC的含量為1%，HGB的含量設(shè)置為2%，然后分析兩種不同發(fā)泡對(duì)HGB/TPU復(fù)合泡沫材料斷面結(jié)構(gòu)性能的影響。結(jié)果如圖4所示，圖4（a）表示的是模壓發(fā)泡，圖4（b）表示的是注塑發(fā)泡。從圖中可以看出，使用模壓發(fā)泡方法制得的泡沫材料其泡孔大小不均勻，而且泡孔稀疏，所以能夠說(shuō)明使用該方式的發(fā)泡效果不是很好。而另外一種發(fā)泡方式能夠得到較好的泡沫材料，從圖中可以看出，其泡孔大小均勻分布，泡孔呈現(xiàn)球狀。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于模壓泡發(fā)方式中，TPU經(jīng)過(guò)了兩次熔融，就會(huì)產(chǎn)生一些小分子，就會(huì)阻礙泡孔的生長(zhǎng)。而另外一種泡發(fā)方式是一次性成型，不會(huì)受到其他因素的影響，而且操作簡(jiǎn)單方便，具有較好的發(fā)泡效果，因此該發(fā)泡方式更加適合于工業(yè)化生產(chǎn)中。

2.3 AC含量對(duì)復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)性能影響

將HGB的含量設(shè)置為2%，然后分析AC含量為1%、3%和5%時(shí)的斷面SEM圖片，其結(jié)果如圖5所示，其中圖a、b、c分別代表的是AC含量為1%、3%和5%時(shí)的斷面SEM圖片。

從圖5中可以看出，當(dāng)AC用量存在差別時(shí)，HGB/TPU復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)性能也會(huì)存在明顯的差別。當(dāng)AC含量為1%時(shí)，泡孔的分布比較均勻，并且尺寸比較小，形狀近似于球形，具有較好的泡孔質(zhì)量;當(dāng)AC含量為3%時(shí)，泡孔的數(shù)量變小，尺寸變大，有些泡孔進(jìn)行了合并，于是形成更加大的空洞，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)樵黾覣C含量，能夠提高氣體發(fā)氣量造成的。當(dāng)繼續(xù)增加AC含量時(shí)，即將其增加到5%，此時(shí)的SEM圖片中泡孔質(zhì)量比較差，發(fā)生了坍塌和變形，所以此時(shí)的復(fù)合泡沫材料的性能比較差。通過(guò)上述說(shuō)明，當(dāng)AC含量為1%時(shí)，HGB/TPU復(fù)合泡沫材料的性能更好。

2.4 HGB含量對(duì)復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)性能影響

將AC含量設(shè)置為1%，然后分析HGB含量為1%、2%、3%時(shí)復(fù)合泡沫材料的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果如圖6所示，其中圖a、b、d分別表示的是HGB含量為1%、2%、3%時(shí)復(fù)合泡沫材料的SEM圖片，圖c表示的是將圖b放大到250倍的效果。從圖中可以看出，當(dāng)HGB含量是1%時(shí)，泡孔的數(shù)量比較少，而且尺寸大，說(shuō)明其泡孔質(zhì)量不好，當(dāng)增加HGB含量到2%時(shí)，泡孔的數(shù)量增多，尺寸大小變下，而且其形狀類(lèi)似球狀并且均勻分布，具有非常好的性能。當(dāng)HGB含量增加到3%時(shí)，泡孔的尺寸大小各異，具有較為嚴(yán)重的泡孔并聚現(xiàn)象，其泡孔結(jié)構(gòu)性能比較差。所以可以得出當(dāng)HGB含量為2%時(shí)，具有很好的性能，應(yīng)用在足球運(yùn)動(dòng)防護(hù)中具有更好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，TPU經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑處理之后能夠獲得更好的粘接界面，有助于將TPU和HGB進(jìn)行更加緊密的結(jié)合;相比于壓膜發(fā)泡，注塑發(fā)泡能夠得到性能更好的HGB/TPU復(fù)合泡沫材料，并且該發(fā)泡方式操作簡(jiǎn)單;當(dāng)HGB含量為2%、發(fā)泡劑AC含量為1%時(shí)，得到的HGB/TPU復(fù)合泡沫材料性能更好，具有更好的抵抗外力作用，從而有助于保護(hù)運(yùn)動(dòng)員受到嚴(yán)重傷害。

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