新型的納米材料在體育器材中的應(yīng)用及性能研究

呂 晶

西安培華學(xué)院 陜西西安710000

GFRP擋風(fēng)抑塵板采用新型玻璃鋼有機(jī)復(fù)合材料研制而成，擋風(fēng)抑塵效果比較好，但造價(jià)較高，不適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)倡導(dǎo)的低碳經(jīng)濟(jì)，不飽和聚酯樹脂有著廣泛的原料來源、低廉的價(jià)格以及簡單的合成工藝而受到廣泛應(yīng)用，但是在應(yīng)用過程中受到本身材料性能的限制使得應(yīng)用范圍大大縮小，而納米材料均勻地分散到不飽和聚酯樹脂中，可以對(duì)樹脂的拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能起到明顯提高，將這種納米材料改性的不飽和聚酯基體材料應(yīng)用到防風(fēng)抑塵板上，會(huì)使得擋風(fēng)抑塵板具有剛度和強(qiáng)度高、抗損傷、使用壽命長、阻燃性能高、抗疲勞、可著色等一系列優(yōu)異的性能，開發(fā)納米改性不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板材質(zhì)具有較好的應(yīng)用前景。對(duì)擋風(fēng)抑塵板材質(zhì)配方進(jìn)行了一系列的研究并加入納米材料，增加了材料的拉伸性能和抗沖擊的性能，并在此基礎(chǔ)上提高了材料的抗老化性能，使其使 用壽命得到延長。該研究不僅能為擋風(fēng)抑塵板生產(chǎn)企業(yè)提供不同需要的合理配方，而且對(duì)各種成分對(duì)擋風(fēng)抑塵板的各種性能影響提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

不飽和聚酯樹脂，促進(jìn)劑（異辛酸鈷），固化劑（過氧化甲乙酮），玻璃纖維氈，不飽和聚酯樹脂色漿，氫氧化鋁，氫氧化鎂，十溴聯(lián)苯醚，紫外線吸收劑UV-9，鈦酸酯偶聯(lián)劑（NDZ-201），無水乙醇（分析純），甲醇（分析純），甲苯（分析純），硬脂酸（化學(xué)純），氫氧化鈉（分析純），無水乙醇（分析純），納米ZnO，納米SiO2。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

電動(dòng)攪拌器，JPT-5 托盤天平，北京精雕JD-60V號(hào)設(shè)備切割機(jī)，WSM-20KN計(jì)算機(jī)控制電子萬能試機(jī)，XBJJ 計(jì)算機(jī)控制擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，氧指數(shù)測定儀，紫外燈耐氣候試驗(yàn)箱，F(xiàn)A2104N 電子天平，DHT 攪拌恒溫電熱套，SHBIII(A)型循環(huán)水多用真空泵，DZ-1A 型真空干燥箱，超聲清洗器。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 擋風(fēng)抑塵板樣品的制備

稱取一定量的不飽和聚酯樹脂，加入少量色漿，用電動(dòng)攪拌器攪拌均勻，然后依次加入比例一定的促進(jìn)劑和固化劑，快速攪拌均與，而后均勻涂在玻璃纖維氈上，在室溫下固化一定時(shí)間，即得到了所制備的擋風(fēng)抑塵板。按照上述方法，在加入促進(jìn)劑、固化劑之前，分別加入改性的材料(分別是阻燃劑十溴二苯醚、氫氧化鋁、氫氧化鎂、紫外線吸收劑UV-9、納米SiO2、納米ZnO)。

1.3.2 擋風(fēng)抑塵板材質(zhì)物理性能的測試

(1)拉伸性能測試

拉伸性能在ANSTRON5567萬能材料拉伸機(jī)上進(jìn)行，按照GB/T 1040-92進(jìn)行測試。拉伸樣條總長L為180mm、標(biāo)距體為（50±0.5 ）mm,中間平行段長度L1為（55±0.5 ）mm，夾具間距離L3為（115±5 ）mm、中間平行段寬度b 為（10±0.5 ）mm，端頭寬度也為（20±0.5） mm，厚度d為2～10 mm，其試樣如圖1所示[1]。

圖1 拉伸試樣圖Fig. 1 The tensile of sample diagram

（2）沖擊性能測試

b為板的厚度，取(6～10)mm,如圖2所示。缺口沖擊測試樣條的尺寸為80x10x4 mm,由北京精雕JD-60V號(hào)設(shè)備上進(jìn)行切割。沖擊性能測試參照GB/T 1043-93硬質(zhì)塑料簡支梁沖擊試驗(yàn)方法，在ACSFAAR公司生產(chǎn)的IMPATS-15型懸/簡沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行[2]。

圖2 沖擊試樣圖Fig. 2 The impact sample diagram

（3）阻燃性能的測試

選擇氧指數(shù)作為擋風(fēng)抑塵板燃燒性能的參照標(biāo)準(zhǔn)，并按照標(biāo)準(zhǔn) GB/T2406-93《塑料燃燒性能試驗(yàn)方法氧指數(shù)法》測定擋風(fēng)抑塵板的氧指數(shù)，本實(shí)驗(yàn)是在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，在氧、氮混合氣流中剛好維持試樣燃燒所需的最低氧濃度（亦稱氧指數(shù)）的試驗(yàn)方法，通常以氧氣所占的體積分?jǐn)?shù)表示。試樣長度為（70～150）mm,寬度為（6.5±0.5）mm,厚度為（3±0.5）mm,試驗(yàn)結(jié)果只能在同樣厚度下進(jìn)行比較，試驗(yàn)樣條每組不少于十五條[3]。

（4）老化性能的測試

根據(jù)GB/T 16422·2實(shí)驗(yàn)室光源曝露試驗(yàn)方法,本實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行了人工加速老化試驗(yàn)。老化采用紫外線燈源，為了對(duì)比照射時(shí)間對(duì)材料強(qiáng)度的影響，試樣進(jìn)行了從20h到200h等跨距的紫外線照射（跨距為30h）,并保證每照射時(shí)間組內(nèi)有8個(gè)有效試樣，輻照溫度為50°C,對(duì)照射后試樣的拉伸強(qiáng)度進(jìn)行測試[4]。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)分別用修飾過的納米SiO2和納米ZnO來改性不飽和聚酯，可以對(duì)樹脂的拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能起到明顯的提高，另外納米ZnO具有吸收紫外線能力，而納米SiO2具有強(qiáng)烈的反紫外線的能力，考察兩種納米粒子對(duì)不飽和聚酯擋風(fēng)板物理性能的影響。

2.1 納米SiO2對(duì)不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板物理性能的研究

納米SiO2和納米是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一，由于其具有高強(qiáng)度、高剛性、能吸收紫外線等特點(diǎn)，在許多材料研究領(lǐng)域引起了廣泛的重視,逐漸成為材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)。納米SiO2特有的絮狀和網(wǎng)狀的準(zhǔn)顆粒結(jié)構(gòu)使得納米SiO2表現(xiàn)出極強(qiáng)的活性，易與材料中的氧起鍵合作用，提高分子之間的鍵合力[5]。添加納米SiO2后，復(fù)合材料的韌性、強(qiáng)度、延展性等均有大幅度提高，即表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度、抗沖擊性等性能的提高。根據(jù)這些特性，納米SiO2目前被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、橡膠、涂料、建筑業(yè)等方面。

2.1.1 納米SiO2對(duì)擋風(fēng)抑塵板力學(xué)性能的影響

在優(yōu)化的條件下，制備不同含量的納米SiO2復(fù)合材料擋風(fēng)抑塵板。納米SiO2加入量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能和沖擊性能的影響如圖3和圖4所示。

圖 3 納米SiO2對(duì)材料拉伸性能的影響Fig. 3 The Effect of the nano-silica on tensile properties of the materials

圖 4 納米SiO2對(duì)材料沖擊性能的影響Fig. 4 The effect of nanometer silica on impact properties of materials

由圖3和圖4可見，隨著納米SiO2的增加，各項(xiàng)力學(xué)性能都出現(xiàn)了先提高后降低的趨勢[6]。這是由于納米SiO2比表面積比較大，表面的缺陷多，能與不飽和聚酯基體形成多而結(jié)合非常好的界面，納米SiO2在聚合物機(jī)體起到了同時(shí)增強(qiáng)增韌的作用。但納米SiO2分散到一定程度就不容易再分散了，當(dāng)納米材料的加入量超過某一界限時(shí)，納米材料很容易在不飽和聚酯內(nèi)發(fā)生團(tuán)聚，粉團(tuán)中粒子間的相互作用就變得很弱，在復(fù)合材料內(nèi)部形成缺陷，受到外力時(shí)，此處最先破壞，力學(xué)性能降低。當(dāng)納米材料加入量為1%時(shí)，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為103.2MPa和56.7kJ/m2,比普通擋風(fēng)抑塵板分別提高了 13.8MPa和15.4 kJ/m2

2.1.2 納米SiO2擋風(fēng)抑塵板抗老化性能的研究

圖5為不同量納米SiO2復(fù)合材料在紫外燈輻照后的力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)，納米SiO2可以使材料的力學(xué)性能升高，且納米SiO2的加入對(duì)材料的強(qiáng)度保持及壽命延長有促進(jìn)的作用，也有利于提高不飽和聚酯樹脂的耐紫外光老化性能。由圖可知納米SiO2的存在可延長擋風(fēng)抑塵板的后固化作用，這主要是因?yàn)榧{米SiO2具有很好的紫外反射性，可以反射照到材料表面的紫外光，從而降低紫外線對(duì)復(fù)合材料性能的影響，從而提高復(fù)合材料的抗老化性能。

圖5 不同含量納米SiO2復(fù)合材料在不同輻照時(shí)間下的拉伸強(qiáng)度Fig. 5 Tensile strength of difference nano- SiO2content vs.irradiation time fo rcomposites

由圖5還可知，當(dāng)納米SiO2為1%時(shí)，效果最好，這與力學(xué)性能是一致的，納米SiO2擋風(fēng)抑塵板中的后固化拉伸強(qiáng)度上升并不大，但后固化時(shí)間卻得到延長，這可能還是由于納米SiO2的紫外反射性決定的。普通擋風(fēng)抑塵板的拉伸強(qiáng)度最大值和最小值分別出現(xiàn)在50h和200h，而納米SiO2擋風(fēng)抑塵板則分別出現(xiàn)在110h和200h，說明需要更長的時(shí)間才會(huì)達(dá)到后固化平衡點(diǎn)，可見其后固化現(xiàn)象有所靠后，體現(xiàn)了納米SiO2的紫外反射性。另外，輻照200h后納米擋風(fēng)抑塵板的拉伸強(qiáng)度變化率要小于普通擋風(fēng)抑塵板，可見納米SiO2的加入可大大提高復(fù)合材料抗紫外線老化能力，對(duì)延緩復(fù)合材料的老化有很大作用。

2.2 納米ZnO對(duì)不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板物理性能的影響

納米ZnO因其納米特性體現(xiàn)出許多新的物理化學(xué)性能，使它在眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。通過改性的納米ZnO加入到不飽和聚酯中能改善其力學(xué)性能，由于納米ZnO具有吸收紫外線的能力，對(duì)于提高不飽和聚酯樹脂的抗老化能力有一定的作用。

圖6為不同量納米ZnO復(fù)合材料在紫外燈輻照后的力學(xué)性能，可以發(fā)現(xiàn)，納米ZnO可以使材料的力學(xué)性能升高，且納米ZnO的加入對(duì)材料強(qiáng)度的保持及壽命的延長有促進(jìn)作用，也有利于提高不飽和聚酯樹脂的耐紫外光老化性能。由圖可知納米ZnO的存在可延長擋風(fēng)抑塵板的后固化作用，這主要是因?yàn)榧{米ZnO具有吸收紫外線的能力，從而降低紫外線對(duì)復(fù)合材料性能的影響，從而提高復(fù)合材料的抗老化性能。

圖6 不同含量納米ZnO復(fù)合材料在不同輻照時(shí)間下的拉伸強(qiáng)度Fig. 6 Tensile strength of difference nano- ZnO content vs.irradiation time for composites

從圖6還可以看出納米ZnO含量為1%時(shí)，效果最好，納米ZnO的加入使得其后固化推遲，主要由于納米ZnO吸收紫外線的能力，使得在紫外燈照射后再固化其拉伸性能下降較小。在紫外燈照射110h出現(xiàn)最大值，較未加入抗老化劑的其下降的幅度較小，有一定的抗老化的能力[7]。

2.3 不同種類抗老化劑對(duì)擋風(fēng)抑塵板老化性能的研究

對(duì)于不飽和聚酯樹脂擋風(fēng)抑塵板材質(zhì)而言，材料的老化一直是一個(gè)重要的問題，如何采用合理的老化劑在不影響力學(xué)性能的情況下提高材質(zhì)的使用壽命，是一個(gè)非常具有現(xiàn)實(shí)意義的問題。實(shí)驗(yàn)中，納米SiO2具有紫外反射性,納米ZnO具有吸收紫外線的能力，而抗老化劑UV-9又具有紫外吸收性，膠衣樹脂可以保護(hù)樹脂基體材料不受外界侵蝕。因此，本文將幾種材料對(duì)不飽和聚酯的抗老化性對(duì)比，并對(duì)納米擋風(fēng)抑塵板的老化改性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，在紫外燈輻射200h的拉伸強(qiáng)度變化如圖7所示。

圖7 紫外燈照射對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響Fig. 7 The effect of UV on the tensile strength of composites

注：（a）納米ZnO為0%，納米SiO20%，UV-9含量0%，膠衣含量0%。（b）納米ZnO為0%，納米SiO20%，UV-9含量0.8%，膠衣含量0%。（c）納米ZnO為0%，納米SiO21.0%，UV-9含量0%，膠衣含量0%。（d）納米ZnO為0%，納米SiO21.0%，UV-9含量0.8%，膠衣含量0%。（e）納米ZnO為0%，納米SiO21.0%，UV-9含量0.8%，膠衣含量14.3%。（f）納米ZnO為1.0%，納米SiO20%，UV-9含量0%，膠衣含量0%。（g）納米ZnO為1.0%，納米SiO20%，UV-9含量0.8%，膠衣含量0%。（h）納米ZnO為1.0%，納米SiO20%，UV-9含量0.8%，膠衣含量14.3%。

圖7為不同種類抗老化劑改性不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板在紫外線照射下拉伸強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線圖，可以看出加入紫外線吸收劑與納米材料的板材的后固化推遲，并均在紫外照射后110h時(shí)拉伸性能最高，隨著照射時(shí)間的增加，其拉伸性能逐漸下降，但比沒加任何抗老化劑的擋風(fēng)抑塵板下降幅度要小，具體變化率見表1。

表1 不同抗老化劑改性不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板拉伸強(qiáng)度變化率Table1 Analysis on the f luctuation of tensile strength of composites with different anti-aging agents

由表1可以看出，輻射200h后，各種類抗老化劑改性的不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板的拉伸強(qiáng)度有不同程度的降低，但變化率不同。單加紫外線吸收劑時(shí)板材在被輻射200h的變化率比普通板材提高了 35.85%,說明紫外線吸收劑UV-9具有很好的抗老化性，這是由于UV-9能夠吸收大量的紫外線，紫外線吸收劑再加上膠衣樹脂的保護(hù)作用收到比單加UV-9起到更好的效果。納米材料改性不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板抗老化的能力較好，對(duì)比兩種納米材料，可以發(fā)現(xiàn)納米SiO2的抗老化的能力與納米ZnO的抗老化能力比較接近，但與UV-9結(jié)合使用時(shí)，納米SiO2要大于納米ZnO的抗老化能力，其原因在于UV-9具有吸收紫外線的能力，納米SiO2具有反射紫外線的能力，兩者的協(xié)同作用使得更少的紫外線進(jìn)入到板材中，從而減緩了紫外線對(duì)不飽和聚酯擋風(fēng)抑塵板的損害。相反，納米ZnO和UV-9都具有吸收紫外線的能力，兩者的結(jié)合并不能起到更好抗老化的效果，和單加一種抗老化劑效果相近。膠衣樹脂本身就是一種高強(qiáng)度高性能的樹脂，對(duì)擋風(fēng)抑塵板起到有效的保護(hù)作用，使得其老化速度減緩，與UV-9和納米SiO2的聯(lián)合使用起到更好的抗老化效果。

由表1也可以看出，納米SiO2加量為1%、UV-9為0.8%、膠衣樹脂為14.3%時(shí)，擋風(fēng)抑塵板的抗老化性能最好，在紫外線照射下200h出現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度的變化率為-8.18%,納米SiO2與UV-9的協(xié)同作用的抗老化能力要大于納米ZnO與UV-9的抗老化能力。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)納米SiO2加入量為1%時(shí)，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別103.2MPa和56.7kJ/m2,比普通擋風(fēng)抑塵板分別提高了15.40% 和37.24%。納米SiO2的加入可大大提高復(fù)合材料抗紫外線老化的能力，對(duì)延緩復(fù)合材料的老化有很大作用。

(2)當(dāng)納米ZnO加入量為1%時(shí)，綜合力學(xué)性能最優(yōu)，其拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別94.5MPa和45.1kJ/m2，比普通擋風(fēng)抑塵板分別提高了5.67%和9.16%。納米ZnO的加入可以提高復(fù)合材料抗紫外線老化的能力，對(duì)延緩復(fù)合材料的老化有一定的作用。

(3)納米SiO2加量為1%時(shí)，UV-9為0.8%,膠衣樹脂為14.3%時(shí)，擋風(fēng)抑塵板的抗老化性能最好，在紫外線照射下200h出現(xiàn)的拉伸強(qiáng)度的變化率為-8.18%,納米SiO2與UV-9的協(xié)同作用的抗老化能力要大于納米ZnO與 UV-9的抗老化能力，在體育器材具有廣泛的應(yīng)用。