熱塑性彈性體在塑膠跑道的沖擊吸收性能研究

劉興斌

(內(nèi)蒙古師范大學(xué) 體育學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

熱塑性彈性體是一種無毒無味的環(huán)保材料，且具有良好的橡膠彈性和撓曲性，回彈性優(yōu)良，在體育和休閑用品方面的應(yīng)用廣泛[1-4]。熱塑性彈性體可以通過各種材料配比來達(dá)到不同沖擊載荷的要求，同時(shí)其良好的可加工性，使其能夠廣泛適用不同的應(yīng)用場景[5-8]。本文報(bào)道了基于高抗沖聚苯乙烯(HIPS)和WGRT粉末復(fù)合材料的TPE的制備方法，通過加入乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改進(jìn)了界面相容性。研究了不同混合比例的HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料機(jī)械性能、動態(tài)力學(xué)性能和低速沖擊性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

廢舊橡膠輪胎粉末(120目)；高抗沖聚苯乙烯：注塑級622P；乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，注塑級 630；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，YH-792 級。

XWW-20電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)；HTS-210D數(shù)顯邵氏硬度計(jì)；DMA Q800動態(tài)熱機(jī)械分析儀；SHLJ-LSIT-01型低速沖擊測試儀。

1.2 熱塑性聚氨酯彈性體制備

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料是使用Brabender PLE 331塑膠工藝通過混合工藝生產(chǎn)的?；旌掀鳒囟缺３衷?65 ℃，恒定轉(zhuǎn)子(凸輪型)轉(zhuǎn)速為80 r/min， HIPS，EVA和12%的SBS樹脂裝入混合器中，使其熔融復(fù)合。3 min后，加入WGRT粉末，混合5 min，使WGRT粉末在熱塑性基質(zhì)中充分均勻分散。取出材料，以熔融狀態(tài)通過冷二輥軋機(jī)獲得片材(約2 mm 厚)，在15 MPa的壓力下在 180 ℃下壓縮成型 10 min，然后冷壓縮 8 min。試樣從壓塑板上模切下來，24 h后用于測試[9]。

1.3 性能測試

1.3.1 機(jī)械性能測試 將試樣制備成啞鈴形，用XWW-20電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)測定復(fù)合材料的試樣抗拉強(qiáng)度和斷裂拉伸率，拉伸速度設(shè)置為500 mm/min，溫度設(shè)置為23 ℃，相對濕度為62%HR[10]。用HTS-210D數(shù)顯邵氏硬度計(jì)測定復(fù)合材料的邵氏硬度，溫度設(shè)置為23 ℃，相對濕度為62%HR。

1.3.2 動態(tài)力學(xué)性能測試 將試樣制備成啞鈴形，用DMA Q800動態(tài)力學(xué)分析儀測定復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能，升溫速率設(shè)置為2 ℃/min，溫度范圍為-80～60 ℃，外加頻率設(shè)置為1 Hz[10]。

1.3.3 低速沖擊性能測試 將試樣制備成100 mm×100 mm×150 mm 的正方形，用SHLJ-LSIT-01型低速沖擊測試儀測定復(fù)合材料的低速沖擊性能測試?？刂茝椈傻膲嚎s程度，以獲得不同的沖擊速度。在試樣頂部預(yù)置厚20 mm的硬質(zhì)板，以保證相同沖擊條件。

2 結(jié)果與討論

2.1 機(jī)械性能

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的機(jī)械性能測試結(jié)果見表1。

表1 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的機(jī)械性能Table 1 Mechanical properties of HIPS/EVA/WGRT composites

由表1可知，HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、邵氏A硬度和撕裂強(qiáng)度均隨復(fù)合材料中HIPS含量的增加而增加，而斷裂伸長率略有下降，這與HIPS本身優(yōu)越的機(jī)械性能相關(guān)。在HIPS中，聚苯乙烯和橡膠粒子均勻分散，且大量聚苯乙烯被包裹在橡膠粒子中，形成了細(xì)胞機(jī)構(gòu)，因此HIPS是決定復(fù)合材料力學(xué)性能的主要因素[11]。 WGRT 粉末是一種有較高成本效益的環(huán)保材料，能夠被用作熱塑性基體中的分散彈性體相，作為復(fù)合材料的骨架材料[12]。在HIPS和WGRT兩相體系中，加入EVA和SBS，可提高復(fù)合材料的加工性能及界面相容性[13]。因此，在機(jī)械性能方面，高HIPS含量低WGRT含量的復(fù)合材料能夠獲得更好的機(jī)械性能。結(jié)果表明HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，機(jī)械性能達(dá)到最強(qiáng)。

2.2 動態(tài)力學(xué)性能

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的動態(tài)力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

表2 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的動態(tài)力學(xué)性能Table 2 Dynamic mechanical properties of HIPS/EVA/WGRT composites

由表2可知，隨著HIPS含量的增加，WGRT含量的減少，tanδmax升高。這可以用分子相容性來解釋[14]：HIPS本身是一種易加工的熱塑性聚合物，有良好的混合特性，含量越高越能夠發(fā)揮其力學(xué)特性；WGRT是由廢舊輪胎粉碎而來，其本身固定的交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致與其他聚合物基體之間的附著力較低，較高的含量會使材料之間分散不勻。較高含量的HIPS和較低含量的WGRT時(shí)，HIPS的體積大于WGRT，WGRT能夠均勻分散在其中，不易堆積，相容性好，二者之間相互作用增強(qiáng)，中間部分阻尼增強(qiáng)[15]。結(jié)果表明HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，動態(tài)力學(xué)性能達(dá)到最好。

2.3 低速沖擊性能分析

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的沖擊強(qiáng)度見圖1。

圖1 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度Fig.1 Impact strength of HIPS/EVA/WGRT composites

由圖1 可知，隨著HIPS含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度顯著提高。HIPS含量的增加，為體系中帶來了更多的酰胺基團(tuán)，基團(tuán)內(nèi)的極性羰基和活潑仲胺氫原子廣泛形成化學(xué)鍵與氫鍵，從化學(xué)角度達(dá)到了增韌增強(qiáng)的作用。從材料角度來說，HIPS材料中包含的橡膠粒子不僅能夠發(fā)生形變，還能誘導(dǎo)混合體系發(fā)生其他形式的塑性形變，從而耗散能量，提高沖擊強(qiáng)度。有研究表明，橡膠粒子是吸收沖擊能的關(guān)鍵，但其粒徑和含量是需要綜合考慮的因素，WGRT的加入能夠增強(qiáng)沖擊強(qiáng)度，但從結(jié)果來說，還是需要適當(dāng)加入。結(jié)果表明，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，沖擊強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的剩余沖擊載荷結(jié)果見圖2。剩余沖擊載荷是指材料受到?jīng)_擊力后，經(jīng)過材料內(nèi)部作用后剩余的沖擊力。剩余沖擊載荷越小，說明材料能夠吸收了力越多，材料的沖擊吸收性能越好。

圖2 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的剩余沖擊載荷Fig.2 Residual impact load of HIPS/EVA/WGRT composite

由圖2可知，沖擊速度增加，材料受到的沖擊力也越大，各混合比例材料的剩余沖擊載荷也隨之上升，且隨HIPS的含量增加，剩余沖擊載荷隨之降低，說明HIPS含量提高了復(fù)合材料的沖擊吸收性能。同時(shí)，隨著沖擊速度增加，各混合比例材料間的差距也隨著增大，說明，在較高沖擊力情況下，復(fù)合材料吸收性能越好。

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的峰值持續(xù)時(shí)間結(jié)果見圖3。峰值持續(xù)時(shí)間為剩余載荷值的持續(xù)時(shí)間，時(shí)間越短，沖擊力分散吸收越快，沖擊隔離防護(hù)性能越好。

圖3 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的峰值持續(xù)時(shí)間Fig.3 Peak duration of HIPS/EVA/WGRT composite

由圖3可知，沖擊速度增加，各混合比例材料的峰值持續(xù)時(shí)間越短，且隨HIPS的含量增加，峰值持續(xù)時(shí)間隨之降低，說明HIPS含量提高了復(fù)合材料的沖擊隔離性能。同時(shí)，隨著沖擊速度增加，各混合比例材料間的差距也隨著增大，說明，在較高沖擊力情況下，復(fù)合材料沖擊隔離性能越好。

HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料在各種混合比例下的系統(tǒng)吸收能量結(jié)果見圖4。系統(tǒng)吸收能量為材料被沖擊時(shí)被消耗的沖擊能量總量，系統(tǒng)吸收能量越高，材料的沖擊防護(hù)性能越好。系統(tǒng)吸收能量可通過如下公式計(jì)算：

式中，E為系統(tǒng)吸收能量；m為沖擊頭質(zhì)量；v1為沖擊頭接觸試樣前的瞬時(shí)速度；v2為沖擊頭反彈離開試樣時(shí)的瞬時(shí)速度。

圖4 HIPS/EVA/WGRT復(fù)合材料的系統(tǒng)吸收能量Fig.4 Energy absorption of HIPS/EVA/WGRT composite system

由圖4可知，沖擊速度增加，各混合比例材料的系統(tǒng)吸收能量越高，且隨HIPS的含量增加，峰值持續(xù)時(shí)間隨之升高，說明HIPS含量提高了復(fù)合材料的沖擊防護(hù)性能。同時(shí)，隨著沖擊速度增加，各混合比例材料間的差距也隨著增大，說明，在較高沖擊力情況下，復(fù)合材料沖擊防護(hù)性能越好。

HIPS本身具有優(yōu)異的抗沖擊性能，這得益于添加的微米級橡膠顆粒并通過枝接的辦法把聚苯乙烯和橡膠顆粒連接在一起。當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)，裂紋擴(kuò)展的尖端應(yīng)力會被相對柔軟的橡膠顆粒釋放掉。因此，裂紋的擴(kuò)展受到阻礙，抗沖擊性得到了提高[16]。WGRE粉末的加入，增強(qiáng)了橡膠顆粒的應(yīng)力吸收，同時(shí)EVA和SBS的界面相容性也使得整個(gè)體系的分散均勻度，大大提高了復(fù)合材料的沖擊吸收性能。結(jié)果表明，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，沖擊性能達(dá)到最好。

3 結(jié)論

(1)采用熔融法制備HIPS/EVA/WGRT熱塑性彈性體復(fù)合材料，添加了12%SBS的HIPS/EVA/WGRT熱塑性彈性體復(fù)合材料機(jī)械、動態(tài)力學(xué)性能優(yōu)異，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，機(jī)械性能和動態(tài)力學(xué)性能達(dá)到最好。

(2)HIPS/EVA/WGRT熱塑性彈性體復(fù)合材料的低速沖擊測試表明，HIPS的含量是決定復(fù)合材料抗沖擊性能的關(guān)鍵，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55時(shí)，機(jī)械性能和動態(tài)力學(xué)性能達(dá)到最好，且在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，材料沖擊吸收性能隨著速度增加而逐漸增大。