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    聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用 在體育健身器材中的優(yōu)勢(shì)分析

    2021-04-27 22:01:50張珂
    粘接 2021年8期
    關(guān)鍵詞:伸長(zhǎng)率力學(xué)性能

    張珂

    摘 要:文章著重針對(duì)半預(yù)聚體法制備連續(xù)玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:雙組分聚氨酯樹脂在反應(yīng)溫度逐漸增高過程中粘度不斷增強(qiáng),當(dāng)達(dá)到30℃條件時(shí)能夠獲得最佳的適用期;隨固化溫度的提升,純聚氨酯材料力學(xué)性能中的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率基本呈先增強(qiáng)后逐漸降低變化趨勢(shì),分別對(duì)應(yīng)最佳固化溫度為120℃、110℃;拉伸模量呈先下降后迅速提升變化趨勢(shì),于140℃環(huán)境下達(dá)到最大值;隨固化時(shí)間的增長(zhǎng),材料拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率呈先迅速提升后增幅放緩趨勢(shì),拉伸強(qiáng)度則呈先下降后提升變化態(tài)勢(shì);聚氨酯復(fù)合材料成型工藝、溫度等同樣會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響,但變化趨勢(shì)與純聚氨酯材料略有不同。

    關(guān)鍵詞:聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料;體育健身器材;拉伸強(qiáng)度;伸長(zhǎng)率;力學(xué)性能

    中圖分類號(hào):TS186.1;TB33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1001-5922(2021)08-0067-05

    Analysis on the Advantages of Polyurethane Reinforced Composite Materials Used in Sports and Fitness Equipment

    Zhang Ke

    (Party School of Shaanxi Provincial Committee of C.P.C(Shaanxi Academy of Govemance ), Xi an 710061, China)

    Abstract:This paper focuses on the semi-prepolymer method for the preparation of continuous glass fiber reinforced polyurethane composites performance advantages were experimented. The results showed that the viscosity of two-component polyurethane resin increased with the increasing of reaction temperature, and the best application period was obtained when the temperature reached 30℃. With the increase of curing temperature, the tensile strength and elongation of the mechanical properties of pure polyurethane basically increased first and then gradually decreased, corresponding to the optimal curing temperature of 120℃ and 110℃, respectively. Tensile modulus decreases first and then increases rapidly, and reaches the maximum value at 140℃. With the increase of curing time, the tensile strength and elongation of the material increased rapidly at first and then slowed down, while the tensile strength decreased at first and then increased. The forming process and temperature of polyurethane composites also affect the mechanical properties of the materials, but the changing trend is slightly different from that of pure polyurethane materials.

    Key words:polyurethane reinforced composites; sports and fitness equipment; tensile strength; elongation; mechanical properties

    0 引言

    聚氨酯(PU,分子式:C3H8N2O)及其復(fù)合材料具有較為優(yōu)良的力學(xué)性能、抗老化、抗撕裂性能等,是一種廣泛應(yīng)用于體育健身器材制備領(lǐng)域的高分子復(fù)合材料。其主要產(chǎn)品類型有聚氨酯發(fā)泡材料、高分子復(fù)合彈性記憶海綿、復(fù)合纖維、環(huán)保型合成革等。與一般體育器材制備材料相比,聚氨酯及其復(fù)合材料的耐磨性、高彈性以及耐腐蝕性能更為優(yōu)異,因而被廣泛應(yīng)用于足球、運(yùn)動(dòng)鞋、防護(hù)裝備等的制備工藝中[1-3]。文章以雙組分聚氨酯基連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料為主要研究對(duì)象,對(duì)該類型復(fù)合材料在體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行研究,分別針對(duì)一步法制備聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料、封閉型聚氨酯預(yù)聚體以及半預(yù)聚體法制備聚氨酯的原理進(jìn)行分析,著重針對(duì)應(yīng)用半預(yù)聚體法制備聚氨酯方法下,材料的力學(xué)性能隨反應(yīng)溫度、固化溫度、固化時(shí)間等的變化情況開展實(shí)驗(yàn)研究并取得了數(shù)據(jù)化結(jié)果。

    1 材料與方法

    1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

    在開展材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)之前,本文首先將利用半預(yù)聚體法制備一種雙組分聚氨酯(兩份),其中一份主要進(jìn)行純聚氨酯部分實(shí)驗(yàn),另一份在與連續(xù)玻璃纖維進(jìn)行復(fù)合以后進(jìn)行聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)所使用實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備如表1所示。由于本文主要考量聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料在體育健身器材中的應(yīng)用與性能優(yōu)勢(shì),因此關(guān)于材料性能將主要考核熱性能、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能、拉伸性能、彎曲強(qiáng)度以及黏度等。這些因素將直接影響聚氨酯及其復(fù)合材料制備的如防護(hù)用具、服飾以及其他體育健身器材的力學(xué)強(qiáng)度、耐熱耐腐蝕性、彈性等。

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 雙組分聚氨酯樹脂制備

    聚氨酯樹脂制備方法通常包含:①一步法,將多異氰酸酯與多元醇及其他擴(kuò)鏈劑、催化劑等統(tǒng)一同時(shí)混合于一起進(jìn)行模具澆注,因所有反應(yīng)均在統(tǒng)一場(chǎng)景同時(shí)進(jìn)行,因而該方法制備聚氨酯樹脂被成為一步法,一步法成本低廉、工藝簡(jiǎn)單,但產(chǎn)品質(zhì)量較差,聚氨酯樹脂材料分子結(jié)構(gòu)不規(guī)整[4];②預(yù)聚體法,該方法需要首先將異佛爾酮二異氰酸酯與聚四氫呋喃二醇等制備預(yù)聚物,后將預(yù)聚物與擴(kuò)鏈劑進(jìn)行混合以后進(jìn)行模具澆注得到聚氨酯樹脂,該方法性能較一步法更為優(yōu)越,但工藝難度較大[5];③半預(yù)聚體法,該法先首先利用異佛爾酮二異氰酸酯與聚四氫呋喃二醇制備所需的聚合物多元醇,再將聚合物多元醇與剩余的多元醇和擴(kuò)鏈劑進(jìn)行混合,得到聚氨酯樹脂,該方法存在部分預(yù)聚合反應(yīng)也存在一部分?jǐn)U鏈反應(yīng),具有質(zhì)量可控、反應(yīng)多樣、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)[6]。利用半預(yù)聚體法制備的聚氨酯樹脂,更加適合當(dāng)前體育事業(yè)飛速發(fā)展?fàn)顟B(tài)下,對(duì)新型、高端體育建設(shè)器材、設(shè)施等的需求,也更加適合大規(guī)模批量化生產(chǎn)能夠進(jìn)行模具成型的部分體育健身器材如網(wǎng)球球拍、高端運(yùn)動(dòng)場(chǎng)地、運(yùn)動(dòng)防護(hù)設(shè)備等。因此,本文采用半預(yù)聚體法制備雙組分聚氨酯樹脂。

    1.2.2 復(fù)合材料制備

    聚氨酯樹脂基玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備,需要將玻璃纖維和模具在T=150℃條件下進(jìn)行干燥和預(yù)熱處理,后將雙組分聚氨酯樹脂按照質(zhì)量比為0.881:1比例進(jìn)行混合后均勻涂波在預(yù)熱完成的玻璃纖維上,經(jīng)t=120s時(shí)間浸潤(rùn)后,利用壓實(shí)機(jī)進(jìn)行壓實(shí)后加熱固化。

    1.2.3 儀器與測(cè)試

    各儀器應(yīng)用條件及主要分析數(shù)據(jù)指標(biāo)如表2所示。各儀器將主要圍繞聚氨酯基增強(qiáng)纖維材料在體育健身器材制備領(lǐng)域中最為重要的力學(xué)性能、彎曲強(qiáng)度等開展測(cè)試,用以挖掘材料與其他傳統(tǒng)材質(zhì)體育健身器材之間的性能差異。

    2 結(jié)果分析

    2.1 反應(yīng)溫度對(duì)純聚氨酯樹脂黏度影響

    將利用半預(yù)聚體法制備完成的聚氨酯樹脂進(jìn)行預(yù)熱,達(dá)到30℃測(cè)試溫度以后按照比例進(jìn)行混合,使用武漢格萊莫檢測(cè)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NDJ-1B旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)量混合物的實(shí)時(shí)黏度,得到表3所示反應(yīng)溫度對(duì)純聚氨酯樹脂黏度的影響結(jié)果。

    可知,當(dāng)溫度高于室溫條件(25℃)后,相同反應(yīng)時(shí)間條件下,純聚氨酯樹脂黏度隨溫度的提升而下降;同一反應(yīng)溫度條件下,純聚氨酯樹脂黏度隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)基本呈逐漸上升趨勢(shì),這是因?yàn)闇囟鹊奶嵘兙郯滨渲械幕钚曰鶊F(tuán)碰撞幾率隨之提升,此時(shí)樹脂中相對(duì)分子質(zhì)量變化狀態(tài)基本全部呈現(xiàn)上升趨勢(shì),使樹脂黏度隨之提升。而純聚氨酯樹脂黏度的提升與材料適用期之間的關(guān)系為正相關(guān)。因此,當(dāng)反應(yīng)溫度為30℃時(shí)能夠獲得最佳的聚氨酯樹脂材料適用期(約為64min左右)。與一般的塑料或其他高分子材料相比,聚氨酯基材料制備的體育健身器材或用具能夠獲得更長(zhǎng)的材料適用期,可廣泛應(yīng)用于部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制作時(shí)間較長(zhǎng)的體育建設(shè)器材或模塊。

    2.2 固化條件對(duì)樹脂澆注體影響

    2.2.1 固化溫度

    固化溫度是影響樹脂澆注體力學(xué)性能的主要條件之一。表4所示為不同固化溫度條件下幾組純聚氨酯材料的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、拉伸模量平均值變化情況。

    隨著固化溫度由100℃提升至140℃,材料的拉伸強(qiáng)度由23.7MPa提升至26.9MPa逐漸下降,對(duì)應(yīng)最佳固化溫度為120℃;伸長(zhǎng)率由127.6%提升至164.8%后先緩慢下降后快速下降,對(duì)應(yīng)最佳固化溫度為110℃;拉伸模量則呈先緩慢下降后快速下降最后急劇提升變化狀態(tài),最佳固化溫度為140℃。分析其原因,主要是因?yàn)闇囟鹊奶嵘龝?huì)加劇固化反應(yīng)速度和反應(yīng)程度,因而力學(xué)性能中的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率先增長(zhǎng),但隨著溫度的不斷提升,在達(dá)到一定溫度后混合物體系中的異氰酸酯會(huì)與氨基甲酸酯產(chǎn)生交聯(lián)效應(yīng),混合物中的分子鏈滑移能力呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢(shì),此時(shí)拉伸強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率開始逐漸下降[7-9];而溫度的提升會(huì)在混合物中形成交聯(lián),造成樹脂拉伸變形性呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),但在溫度達(dá)到一定程度后交聯(lián)反應(yīng)逐漸完成,材料拉伸模量開始恢復(fù)。綜合而言,純聚氨酯澆注體的拉伸性能在120℃左右達(dá)到最佳。與碳纖維、芳綸等材料相比,該最佳固化溫度較低,表明聚氨酯材料能夠在較低的固化溫度條件下完成材料的制備,會(huì)在一定程度上降低工藝難度和對(duì)能源的消耗,對(duì)于體育健身器材生產(chǎn)廠家而言,能夠一定程度上節(jié)約生產(chǎn)成本,有利于產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

    2.2.2 固化時(shí)間

    將澆注體分為五等分,保持最佳固化溫度120℃不變,分別測(cè)試1h~5h條件下試樣的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及拉伸模量,得到表5所示結(jié)果。

    拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率基本均隨固化時(shí)間的演唱而增大,在達(dá)到3、4h后基本趨于穩(wěn)定,數(shù)據(jù)不再產(chǎn)生劇烈變化,這是因?yàn)殡S著固化時(shí)間的延長(zhǎng),純聚氨酯材料內(nèi)部反應(yīng)逐漸完全,分子鏈內(nèi)部由于反應(yīng)生成的相分離結(jié)構(gòu)逐漸成型而提升了材料的力學(xué)性能;拉伸模量則隨固化時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先急劇降低后緩慢提升變化態(tài)勢(shì),在固化時(shí)間為4h時(shí)達(dá)到最低值211.5 MPa,可能是由于固化時(shí)間的延長(zhǎng)首先使純聚氨酯材料內(nèi)部分子鏈軟段產(chǎn)生滑移,降低了材料力學(xué)強(qiáng)度,而逐漸使純聚氨酯材料內(nèi)部的相分離結(jié)構(gòu)趨向穩(wěn)定,增強(qiáng)了聚氨酯分子鏈中硬段聚集性,材料的剛性由弱增強(qiáng)。綜合而言,純聚氨酯材料的最佳固化時(shí)間為5h或更長(zhǎng)。最佳固化時(shí)間方面,聚氨酯材料并未與其他高分子復(fù)合材料之間形成明顯差異,大多數(shù)高分子材料的最佳固化時(shí)間均集中在4h以上,但聚氨酯材料最終達(dá)到的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率以及拉伸模量等超過了相當(dāng)一部分高分子材料,表明在同樣的最佳固化時(shí)間下,利用聚氨酯材料制備的體育健身器材或防護(hù)裝備的綜合力學(xué)性能表現(xiàn)更為優(yōu)越。

    2.3 純聚氨酯熱性能分析

    表6所示為保持固化溫度120℃、固化時(shí)間5h的最佳條件下制備的純聚氨酯材料動(dòng)態(tài)熱機(jī)械性能變化情況。其中tanδ為損耗角正切值用于表示材料機(jī)械損耗因子,該值越高則表示材料的玻璃化溫度越高。

    tanδ值隨反應(yīng)溫度的提升而呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì),當(dāng)溫度達(dá)到175℃左右時(shí)tanδ達(dá)到最高值8.8。由于150℃之后材料的模量呈現(xiàn)出下降趨勢(shì),因而材料在150℃之后已逐漸由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài),材料在溫度達(dá)到175℃左右之后材料基本完成了玻璃化。

    2.4 聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料性能變化分析

    2.4.1 玻纖含量

    同時(shí)制備多種不同玻纖含量的聚氨酯基增強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料,利用萬能材料拉力試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)材料在固化4h之后的彎曲性能,測(cè)試結(jié)果如表7所示。

    隨著玻璃纖維在聚氨酯基復(fù)合材料中體積占比的提升,復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸提升后下降的變化趨勢(shì),當(dāng)玻璃纖維體積占比為72%左右時(shí)達(dá)到最高值516MPa,這是因?yàn)閺?fù)合材料的粘接性能會(huì)隨復(fù)合材料中樹脂成分占比的降低而降低,在達(dá)到一定程度以后復(fù)合材料已經(jīng)無法將玻纖完整地粘接為一個(gè)整體,此時(shí)材料的彎曲性能必然會(huì)呈下降趨勢(shì)[10];彎曲模量變化趨勢(shì)則是隨玻璃纖維體積占比的提升而逐漸增強(qiáng)變化態(tài)勢(shì),但變化幅度逐漸放緩,在玻璃纖維體積占比達(dá)到72%以后,增幅已不再明顯,這是由于材料中玻璃纖維體積占比的提升很大程度增強(qiáng)了復(fù)合材料的整體剛性,但在達(dá)到一定程度以后材料剛性的提升幅度已不再明顯,彎曲模量的增長(zhǎng)逐漸放緩。綜合而言玻璃纖維體積占比約72%時(shí)能夠獲得最佳的彎曲性能。玻纖含量越高表明材料獲得最佳彎曲性能時(shí)材料中聚氨酯樹脂體積占比越低,而相同規(guī)格和尺寸的體育建設(shè)器材中同體積的聚氨酯樹脂價(jià)格要遠(yuǎn)高于玻纖材料,表明獲得最佳彎曲性能的聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料體育健身器材的材料成本也越低。但是材料成本的降低并不能完全彌補(bǔ)玻纖含量的上升對(duì)體育健身器材材料制備工藝要求的提升,也并不代表利用聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料制備某些體育健身器材時(shí)玻纖含量越高越好,尚需要進(jìn)一步分析。

    2.4.2 固化溫度及時(shí)間

    盡管玻纖積占比約72%時(shí),復(fù)合材料的彎曲性能最佳,但由于該種實(shí)驗(yàn)條件對(duì)浸潤(rùn)時(shí)間和材料制備的要求更高,因而本文并未將積占比72%的聚氨酯基增強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料作為材料在固化條件影響下的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,而是采用了玻璃纖維體積占比為36%的復(fù)合材料開展論述,得到了表8所示的若干組復(fù)合材料在不同固化溫度下的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量平均值。

    隨溫度的提升復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后減弱的變化態(tài)勢(shì),于120℃時(shí)達(dá)到最大值316 MPa,分析其原因主要是因?yàn)殡S著反應(yīng)溫度的提升材料中的高分子反應(yīng)逐漸完全,此時(shí)材料的彎曲強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),但較高的反應(yīng)溫度會(huì)不斷增加復(fù)合材料中的交聯(lián)效應(yīng),對(duì)高分子材料中的微區(qū)相分離結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,造成聚氨酯基增強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料中的分子鏈滑移困難,強(qiáng)度降低;彎曲模量則處于先降低后上升變化態(tài)勢(shì),在溫度為130℃條件下達(dá)到最低值10168 MPa,在140℃條件下的彎曲模量與最高值相比差距依然明顯,這主要是由于交聯(lián)效應(yīng)的存在造成復(fù)合材料剛性的提升并不明顯,無法完全抵消材料內(nèi)部高分子完全反應(yīng)帶來的彎曲模量下降。因此,本文認(rèn)為材料的最佳固化溫度應(yīng)保持在120℃左右。

    表9所示為不同固化時(shí)間聚氨酯基增強(qiáng)玻璃纖維復(fù)合材料的彎曲性能變化情況,彎曲強(qiáng)度及彎曲模量均隨材料固化時(shí)間的增長(zhǎng)而增大,變化趨勢(shì)高度一致;在固化時(shí)間超過4h后材料的彎曲性能逐漸趨向穩(wěn)定,彎曲強(qiáng)度及彎曲模量的變化幅度逐漸降低。

    3 結(jié)論

    (1)針對(duì)純聚氨酯樹脂材料的粘溫特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,可知在相同的反應(yīng)時(shí)間條件下隨著溫度的提升材料的黏度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),當(dāng)反應(yīng)溫度為30℃時(shí)能夠獲得最佳的聚氨酯樹脂材料適用期(約為64min左右)。較長(zhǎng)時(shí)間的材料適用期,能夠幫助體育健身器材及相關(guān)防護(hù)用具生產(chǎn)廠家有更長(zhǎng)的時(shí)間用于進(jìn)行復(fù)雜工藝建設(shè)器材或模塊的生產(chǎn),這一點(diǎn)是聚氨酯材料比碳纖維材料明顯更具優(yōu)勢(shì)的地方。

    (2)固化溫度120℃、固化時(shí)間為5h條件下,純聚氨酯材料澆注體能夠獲得最佳的綜合力學(xué)性能,此時(shí)材料的拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、拉伸模量值分別為26.9MPa、161.8%和232.6MPa。盡管類似高分子材料固化時(shí)間均集中在4h及以上,但使用最佳固化條件聚氨酯材料制備的體育健身器材或防護(hù)用具最終能夠得到的最佳力學(xué)性能與一般PU、PVB材料相比更加優(yōu)異,更遠(yuǎn)高于一般的硫化橡膠等材料。

    (3)玻璃纖維體積占比為72%時(shí),能夠獲得最佳的復(fù)合材料彎曲性能,此時(shí)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度及彎曲模量分別為516MPa、38879MPa。盡管該條件下能夠獲得最佳的材料彎曲性能并降低體育健身器材制備環(huán)節(jié)中的材料成本,但實(shí)際的體育健身器材并不能完全按照這一比例進(jìn)行制備,企業(yè)可根據(jù)具體的體育健身器材類型和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行靈活掌握。

    (4)固化溫度120℃、固化時(shí)間為5h條件下復(fù)合材料綜合彎曲性能最佳,體積占比36%的復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及彎曲模量分別為316MPa、19136MPa。在彎曲性能方面,利用聚氨酯基增強(qiáng)復(fù)合材料制備的體育健身器材如撐桿跳的撐桿等性能與碳纖維材料相比毫不遜色,但生產(chǎn)成本方面要遠(yuǎn)低于一般碳纖維復(fù)合材料。因此,可考慮使用聚氨酯基玻璃纖維復(fù)合材料制備新型的撐桿等體育健身器材,用于替換部分價(jià)格高昂的碳纖維復(fù)合材料。

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