新型的納米材料在體育器材中的應用及性能研究

呂 晶

西安培華學院 陜西西安710000

GFRP擋風抑塵板采用新型玻璃鋼有機復合材料研制而成，擋風抑塵效果比較好，但造價較高，不適應現代社會倡導的低碳經濟，不飽和聚酯樹脂有著廣泛的原料來源、低廉的價格以及簡單的合成工藝而受到廣泛應用，但是在應用過程中受到本身材料性能的限制使得應用范圍大大縮小，而納米材料均勻地分散到不飽和聚酯樹脂中，可以對樹脂的拉伸、彎曲、沖擊等力學性能起到明顯提高，將這種納米材料改性的不飽和聚酯基體材料應用到防風抑塵板上，會使得擋風抑塵板具有剛度和強度高、抗損傷、使用壽命長、阻燃性能高、抗疲勞、可著色等一系列優異的性能，開發納米改性不飽和聚酯擋風抑塵板材質具有較好的應用前景。對擋風抑塵板材質配方進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抑塵板生產企業提供不同需要的合理配方，而且對各種成分對擋風抑塵板的各種性能影響提供了理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

不飽和聚酯樹脂，促進劑（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，十溴聯苯醚，紫外線吸收劑UV-9，鈦酸酯偶聯劑（NDZ-201），無水乙醇（分析純），甲醇（分析純），甲苯（分析純），硬脂酸（化學純），氫氧化鈉（分析純），無水乙醇（分析純），納米ZnO，納米SiO2。

1.2 實驗儀器

電動攪拌器，JPT-5 托盤天平，北京精雕JD-60V號設備切割機，WSM-20KN計算機控制電子萬能試機，XBJJ 計算機控制擺錘沖擊試驗機，氧指數測定儀，紫外燈耐氣候試驗箱，FA2104N 電子天平，DHT 攪拌恒溫電熱套，SHBIII(A)型循環水多用真空泵，DZ-1A 型真空干燥箱，超聲清洗器。

1.3 實驗方法

1.3.1 擋風抑塵板樣品的制備

稱取一定量的不飽和聚酯樹脂，加入少量色漿，用電動攪拌器攪拌均勻，然后依次加入比例一定的促進劑和固化劑，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間，即得到了所制備的擋風抑塵板。按照上述方法，在加入促進劑、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 擋風抑塵板材質物理性能的測試

(1)拉伸性能測試

拉伸性能在ANSTRON5567萬能材料拉伸機上進行，按照GB/T 1040-92進行測試。拉伸樣條總長L為180mm、標距體為（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號設備上進行切割。沖擊性能測試參照GB/T 1043-93硬質塑料簡支梁沖擊試驗方法，在ACSFAAR公司生產的IMPATS-15型懸/簡沖擊實驗機上進行[2]。

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

（3）阻燃性能的測試

選擇氧指數作為擋風抑塵板燃燒性能的參照標準，并按照標準 GB/T2406-93《塑料燃燒性能試驗方法氧指數法》測定擋風抑塵板的氧指數，本實驗是在規定的試驗條件下，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）的試驗方法，通常以氧氣所占的體積分數表示。試樣長度為（70～150）mm,寬度為（6.5±0.5）mm,厚度為（3±0.5）mm,試驗結果只能在同樣厚度下進行比較，試驗樣條每組不少于十五條[3]。

（4）老化性能的測試

根據GB/T 16422·2實驗室光源曝露試驗方法,本實驗在室溫條件下進行了人工加速老化試驗。老化采用紫外線燈源，為了對比照射時間對材料強度的影響，試樣進行了從20h到200h等跨距的紫外線照射（跨距為30h）,并保證每照射時間組內有8個有效試樣，輻照溫度為50°C,對照射后試樣的拉伸強度進行測試[4]。

2 結果與討論

實驗分別用修飾過的納米SiO2和納米ZnO來改性不飽和聚酯，可以對樹脂的拉伸、彎曲、沖擊等力學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具有強烈的反紫外線的能力，考察兩種納米粒子對不飽和聚酯擋風板物理性能的影響。

2.1 納米SiO2對不飽和聚酯擋風抑塵板物理性能的研究

納米SiO2和納米是目前應用最廣泛的納米材料之一，由于其具有高強度、高剛性、能吸收紫外線等特點，在許多材料研究領域引起了廣泛的重視,逐漸成為材料科學研究的熱點。納米SiO2特有的絮狀和網狀的準顆粒結構使得納米SiO2表現出極強的活性，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，復合材料的韌性、強度、延展性等均有大幅度提高，即表現為拉伸強度、抗沖擊性等性能的提高。根據這些特性，納米SiO2目前被廣泛應用于化工、醫藥、橡膠、涂料、建筑業等方面。

2.1.1 納米SiO2對擋風抑塵板力學性能的影響

在優化的條件下，制備不同含量的納米SiO2復合材料擋風抑塵板。納米SiO2加入量對復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，各項力學性能都出現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合非常好的界面，納米SiO2在聚合物機體起到了同時增強增韌的作用。但納米SiO2分散到一定程度就不容易再分散了，當納米材料的加入量超過某一界限時，納米材料很容易在不飽和聚酯內發生團聚，粉團中粒子間的相互作用就變得很弱，在復合材料內部形成缺陷，受到外力時，此處最先破壞，力學性能降低。當納米材料加入量為1%時，綜合力學性能最優，其拉伸強度和沖擊強度分別為103.2MPa和56.7kJ/m2,比普通擋風抑塵板分別提高了 13.8MPa和15.4 kJ/m2

2.1.2 納米SiO2擋風抑塵板抗老化性能的研究

圖5為不同量納米SiO2復合材料在紫外燈輻照后的力學性能，可以發現，納米SiO2可以使材料的力學性能升高，且納米SiO2的加入對材料的強度保持及壽命延長有促進的作用，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的存在可延長擋風抑塵板的后固化作用，這主要是因為納米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，從而降低紫外線對復合材料性能的影響，從而提高復合材料的抗老化性能。

圖5 不同含量納米SiO2復合材料在不同輻照時間下的拉伸強度Fig. 5 Tensile strength of difference nano- SiO2content vs.irradiation time fo rcomposites

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

2.2 納米ZnO對不飽和聚酯擋風抑塵板物理性能的影響

納米ZnO因其納米特性體現出許多新的物理化學性能，使它在眾多領域表現出巨大的應用前景。通過改性的納米ZnO加入到不飽和聚酯中能改善其力學性能，由于納米ZnO具有吸收紫外線的能力，對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復合材料在紫外燈輻照后的力學性能，可以發現，納米ZnO可以使材料的力學性能升高，且納米ZnO的加入對材料強度的保持及壽命的延長有促進作用，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的存在可延長擋風抑塵板的后固化作用，這主要是因為納米ZnO具有吸收紫外線的能力，從而降低紫外線對復合材料性能的影響，從而提高復合材料的抗老化性能。

圖6 不同含量納米ZnO復合材料在不同輻照時間下的拉伸強度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，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擋風抑塵板老化性能的研究

對于不飽和聚酯樹脂擋風抑塵板材質而言，材料的老化一直是一個重要的問題，如何采用合理的老化劑在不影響力學性能的情況下提高材質的使用壽命，是一個非常具有現實意義的問題。實驗中，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，膠衣樹脂可以保護樹脂基體材料不受外界侵蝕。因此，本文將幾種材料對不飽和聚酯的抗老化性對比，并對納米擋風抑塵板的老化改性進行了實驗優化，在紫外燈輻射200h的拉伸強度變化如圖7所示。

圖7 紫外燈照射對復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抑塵板在紫外線照射下拉伸強度隨時間變化的曲線圖，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時拉伸性能最高，隨著照射時間的增加，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抑塵板拉伸強度變化率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抑塵板的拉伸強度有不同程度的降低，但變化率不同。單加紫外線吸收劑時板材在被輻射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抑塵板抗老化的能力較好，對比兩種納米材料，可以發現納米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結合使用時，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，兩者的協同作用使得更少的紫外線進入到板材中，從而減緩了紫外線對不飽和聚酯擋風抑塵板的損害。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度高性能的樹脂，對擋風抑塵板起到有效的保護作用，使得其老化速度減緩，與UV-9和納米SiO2的聯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，擋風抑塵板的抗老化性能最好，在紫外線照射下200h出現的拉伸強度的變化率為-8.18%,納米SiO2與UV-9的協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 結論

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

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

(3)納米SiO2加量為1%時，UV-9為0.8%,膠衣樹脂為14.3%時，擋風抑塵板的抗老化性能最好，在紫外線照射下200h出現的拉伸強度的變化率為-8.18%,納米SiO2與UV-9的協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用。