聚氨酯在體育防護用品中的應(yīng)用研究

張冰

摘要：得益于自身較高的機械強度、柔韌性和抗氧化性，聚氨酯在合成革、橡膠以及材料纖維體育防護用品領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。研究針對該材料在體育裝備、用具、設(shè)施等產(chǎn)品上的應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細分析了作為減震材料、鋪地材料、高回彈材料等在體育領(lǐng)域各個環(huán)節(jié)中的制備方法、加工工藝;最后介紹了聚氨酯材料作為一種面料在體育服飾、體育競技服裝如泳衣滑冰服等面料加工領(lǐng)域的制備方法和加工工藝。該類型材料具備的相關(guān)屬性能夠為運動員提供極為有效的防護作用，因而受到體育領(lǐng)域的重視。

關(guān)鍵詞：聚氨酯;體育防護用品;減震;纖維

中圖分類號：TQ323.8 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）10-0035-03

得益于自身分子結(jié)構(gòu)中的強極性基團和聚醚或聚酯柔性鏈段，不論是聚酯類或是聚醚類聚氨酯材料通常都能夠擁有比其他同類型產(chǎn)品高很多的機械強度、柔韌性以及抗氧化性。因此，聚氨酯被越來越多地應(yīng)用在聚氨酯纖維、橡膠、合成革以及聚氨酯泡沫塑料的加工和生產(chǎn)中。

在體育器材領(lǐng)域，各類型運動產(chǎn)品、器械、設(shè)備的加工許多均要求材料具有良好的減震性、彈性或者能夠迅速干燥等特性。因此聚氨酯材料越來越被廣泛應(yīng)用于該類型產(chǎn)品的生產(chǎn)和加工，如各類型室內(nèi)外跑道、競技場地地板中作為鋪面材料使用;各類型鞋底、手套、頭盔作為減震材料使用;泳衣、球衣及各類型需要快速干燥的運動服裝中作為衣物纖維使用等。對聚氨酯在體育防護用品中的應(yīng)用進行研究，有助于開發(fā)更好的運動產(chǎn)品，一方面提升普通運動愛好者的運動質(zhì)量，另一方面提升專業(yè)運動員的競賽成績。

1聚氨酯行業(yè)總體發(fā)展情況

1.1聚氨酯發(fā)展概況

聚氨酯最早于二次世界大戰(zhàn)時期的德國科學家將液態(tài)的異氰酸酯和液態(tài)聚醚或二醇聚酯縮聚研發(fā)而成，初期主要用于軍工用品的加工和使用。后隨著德國戰(zhàn)敗和世界工業(yè)的復蘇，美國首先針對聚氨酯材料進行了利用和改良，約在20世紀50-60年代合成了聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料，奠定了聚氨酯材料在工業(yè)領(lǐng)域的加工和使用基礎(chǔ)。

1.2全球聚氨酯市場情況

目前，工業(yè)發(fā)展較為先進的國家或地區(qū)是聚氨酯生產(chǎn)和加工的主要區(qū)域，如中國、日本及韓國、歐美等。這一區(qū)域的國家或地區(qū)聚氨酯生產(chǎn)加工業(yè)占據(jù)了全球絕大部分聚氨酯市場。尤其我國更是占據(jù)全球聚氨酯加工或消費總量的一半以上。2019年全球聚氨酯總產(chǎn)量已經(jīng)達到近2500萬t。

1.3國內(nèi)聚氨酯市場情況

目前我國的聚氨酯生產(chǎn)加工地點聚集在長三角地區(qū)、環(huán)渤海生產(chǎn)區(qū)、珠三角生產(chǎn)區(qū)以及西北工業(yè)區(qū)等地。迫于環(huán)境保護需求，聚氨酯生產(chǎn)加工業(yè)逐漸走向綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方向。未來我國的聚氨酯加工業(yè)將逐漸轉(zhuǎn)移到家具類產(chǎn)品生產(chǎn)以及體育用品加工生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2應(yīng)用領(lǐng)域

2.1減震材料

當前體育器械領(lǐng)域中的減震材料如D30等，其工作原理基本均為依靠具有較高彈性形變能力的聚氨酯材料加工而成。不工作狀態(tài)下，聚氨酯彈性壓縮材料普遍處于流體狀態(tài)，呈現(xiàn)出易流動、易變形的特征。如用聚氨酯加工制造的護肘、護膝等裝備，不工作狀態(tài)下非常柔軟便于攜帶的佩戴，但一旦受到外力沖擊，則該類型產(chǎn)品會迅速變硬，對沖擊部位提供強度極高的保護，保護質(zhì)量遠超傳統(tǒng)護具。

由我國某公司自主研發(fā)的P4U材料，具有與D30相似的工作效能。該材料同樣主要有聚氨酯類材料設(shè)計加工而成，具有高智能柔性特征，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進行快速感知。由該類型材料加工而成的防護用具普通狀態(tài)下保持柔軟、松弛狀態(tài)，一旦某部位受到外力沖擊時，材料內(nèi)部各分子之間迅速完成互鎖，使護具迅速達到硬化效果，從而有效保護受沖擊部位。沖擊結(jié)束后，該部位恢復初始狀態(tài)。

2.2聚氨酯跑道

聚氨酯材料在各類型跑道中的應(yīng)用已較為成熟，通常使用的為TDI型聚氨酯材料。但是近些年研究人員發(fā)現(xiàn)，該類型材料加工而成的跑道中含有一定量的重金屬物質(zhì)，在日常使用中會因為與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而揮發(fā)出來。尤其某些室內(nèi)跑道，由于密閉環(huán)境的影響會對大氣和人體產(chǎn)生一定的負面影響。因此，我國某高校針對這一問題開發(fā)了一種新型跑道材料加工和制備方法，能夠有效降低材料中的重金屬成分，在長時間使用過程中不會因為與氧氣反應(yīng)而揮發(fā)，有效降低了污染和對人體的傷害，其具體加工工藝如下。

1）制備材料I。I組為彈性材料組，將聚醚二元醇于真空狀態(tài)80%左右進行攪拌脫水、脫氣，后冷卻至50℃左右，將MDI材料按照53.0%質(zhì)量分數(shù)假如冷卻后材料，后于80-85%狀態(tài)下進行反應(yīng)2.5h左右，冷卻至室溫。

2）制備材料Ⅱ。Ⅱ組為其他材料組，將聚醚三元醇、二元醇于真空狀態(tài)80%左右進行攪拌脫水、脫氣，1-2.5h后，將交聯(lián)劑、增塑劑、油性引發(fā)劑、環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯、硅溶膠微粒、CaS04晶須、氧化鋁、顏料按照0.6%：9.0%：0.4%：15.0%：14.0%：8.0%：10.0%：10.0%：2.O%的比例攪拌混合均勻。

3）將I、Ⅱ兩組完成材料進行1：2混合，進行攪拌混合均勻。所得到的固化后的材料即為環(huán)保型聚氨酯材料，可用于室內(nèi)外各類型跑道的加工和制備。生產(chǎn)出的跑道，具有高耐磨性、高環(huán)保性，同時還能夠一定程度上耐油、耐腐蝕。在長期使用過程中，該類型材料不會揮發(fā)有毒有害氣體，對人體和自然環(huán)境傷害較低，已被廣泛應(yīng)用于各類型比賽場地、娛樂型體育設(shè)施建設(shè)中。

2.3聚氨酯頭盔

聚氨酯體育用防護頭盔主要為散打、跆拳道、拳擊、自行車等項目中所使用的頭盔，該類型運動中聚氨酯材料能夠有效降低擊打或碰撞給人體帶來的傷害，達到吸能的效果。我國某聚氨酯制品加工企業(yè)在進行搏擊運動防護頭盔的制備中采用如下工藝。

1）制備材料I。I組為原料組，將聚醚多元醇、聚合物多元醇、擴鏈劑、胺類催化劑、硅烷類表面活性劑、一氟二氯乙烷發(fā)泡劑按照50.00：50.00：7.00：1.30：0.75：10.00phr的比例進行配置。

2）準備材料Ⅱ。Ⅱ的主要成分為MDI，可直接獲取相應(yīng)原料。

3）將I、Ⅱ兩組材料在40℃條件下進行反應(yīng)。

4）將第三步加工后所得到的原材料注人模具，在30℃狀態(tài)下進行搖模，25rain后開模取出，修邊后完成制備。

該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝可同樣應(yīng)用與自行車頭盔的加工可制備。

2.4聚氨酯面料

聚氨酯面料又稱為氨綸面料，采用聚氨酯纖維材料加工而成，主要特性有防風防雨、彈性好、抗老化性能強、耐磨、易干等，通常與其他材料混合后進行加工制成衣物等。采用聚氨酯材料加工而成的泳衣具有防水透濕功效，且由于具有較高的彈性能夠有效對運動員進行包裹從而降低運動員在水中的阻力，提升運動員競技成績。我國某公司針對聚氨酯面料開發(fā)出一種耐高水壓的聚氨酯膜，該產(chǎn)品具有極低的厚度和極強的耐水壓性能及耐濕透度，可用于泳衣、潛水服的加工和使用。其加工制備工藝如下。

1）將原材料加入高壓反應(yīng)釜中進行催化，在密閉狀態(tài)下進行氮氣排氧。

2）向高壓反應(yīng)釜中通人環(huán)氧丙烯，于45℃左右溫度下進行1d時長的反應(yīng)得到制備的聚醚中間體。

3）向高壓反應(yīng)釜中通人環(huán)氧乙烯，于45℃左右溫度下進行1d時長的反應(yīng)得到制備的共聚醚中間體。

4）抽真空脫水排氧，加人MDI反應(yīng)后加人擴鏈劑得到聚氨酯膠。

5）進行涂布測試得到最佳上膠量。

上述產(chǎn)品雖然保證了高密度、高防水性能，但是一般采用聚氨酯纖維加工而成的材料通常透氣性較差。因此，我國某企業(yè)采用了地膠涂層加面膠涂層的方法進行聚氨酯材料的制備，加工而成的材料同時具備了防水透濕和透氣的特性。該面料涂層由高分子透氣防透水材料加工而成，但是缺點為質(zhì)感較差且不具備防風性能。為此，我國另一企業(yè)研究制備了一種同時具備透氣、防水、速干、高彈性等優(yōu)點的泳衣面料。該面料由除內(nèi)外兩層涂層外（分別采用聚對苯二甲酸乙二酯加氨綸、聚碳酸酯型聚氨酯膜），在面料的中間也加入了一層涂層。由此工藝加工而成的織物能夠快速將水分子傳遞到織物表面，達到速干和降低阻力的作用，且由于三層涂料的雙向彈力特征，能夠有效降低衣物與人體的黏著感，提升了運動時的舒適程度。

3結(jié)語

綜上，聚氨酯材料由于其具備減震、防水、高彈、耐磨等特性而被廣泛應(yīng)用于體育防護器材的生產(chǎn)和制備中。除文中涉及的各類型跑道、頭盔、衣料外，未來還可能被用于軍工、體育等領(lǐng)域的衣物內(nèi)襯、鞋包等用具的防水部位加工中，具有廣泛的應(yīng)用前景。