足球用聚氨酯材料的阻尼性能研究*

徐思丹

（陜西學(xué)前師范學(xué)院，陜西西安710000）

足球運動受到全世界人們喜愛，人們也將其視為基本運動項目之一[1]。數(shù)百年來，用于制造足球材料一直是動物皮，但是隨著人造革使用和推廣，人們也逐漸開始使用人造革來制造足球[2]。現(xiàn)在，合成革生產(chǎn)工藝不斷更新，許多物理性能已接近甚至超過天然皮革。國際通用足球制造材料主要包括人工草料和填充橡膠材料；填充橡膠材料是由熱塑性聚合物、聚丙烯、聚乙烯、羧基苯乙烯丁二烯橡膠等組成的熱固性高分子材料[3]。人造草不能回收利用，造成了嚴重環(huán)境污染和資源消耗。聚合物材料因其重量輕、強度高、韌性好、耐老化、易成型加工等優(yōu)點，在足球比賽應(yīng)用中有著許多優(yōu)點。聚氨酯材料應(yīng)用于足球優(yōu)點是通過調(diào)整軟硬段比例，可獲得寬溫度范圍和良好阻尼性能。基于此，對足球用聚氨酯材料的阻尼性能進行了研究。

1 聚氨酯材料應(yīng)用于足球特性分析

1.1 聚氨酯材料

聚氨酯是以泡沫，彈性體，涂料材料，粘合劑，皮革和附件的形式生產(chǎn)的，軟泡聚氨酯彈性體是用來提高足球彈性的[4]。利用不同原料、催化劑等輔助材料及合成方法，可有選擇地改變聚氨酯產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，從而得到廣泛應(yīng)用[5]。聚氨酯具有較好彈性和可控硬度，可以在硬質(zhì)材料和軟質(zhì)泡沫材料兩類材料之間形成微觀分離，從而使其具有較好耐久性[6]。聚氨酯彈性體是聚氨酯制品應(yīng)用方向，其彈性體有軟相和硬相兩種形態(tài)特征，調(diào)整軟硬段比例，可得到不同溫度范圍內(nèi)阻尼材料，是一種優(yōu)良阻尼材料基質(zhì)。

1.2 聚氨酯彈性體

聚氨酯彈性體結(jié)構(gòu)中，由異氰酸酯、擴鏈劑和多元醇聚合物組成部分稱為硬段(HS) 和軟段(SS)，因此，當溫度低于環(huán)境溫度時，軟段會發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，而硬段高于環(huán)境溫度時發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變[7-8]。聚氨酯硬段是異氰酸酯與擴鏈劑交替形成無序段或結(jié)晶段，這類無序或結(jié)晶的鏈段聚合在一起，通過彼此間形成的氫鍵相互作用形成物理交聯(lián)硬段，可被視為橡膠軟段填充物。聚氨酯彈性體的特性來自于5～100 nm 面積尺度的納米級軟、硬段相分離。聚氨酯也可以被歸為納米尺度物質(zhì)。影響聚氨酯產(chǎn)品高彈性能的主要因素是兩相形態(tài)和分離度。

2 阻尼性能研究

2.1 材料及試樣準備

2.1.1 材料

足球：聚氨酯材料的足球。這種聚合物材料使足球運動有很強彈性，踢過球后可以快速恢復(fù)原來形狀，使足球運動更持久、更靈活。其它材料：甲苯二異氰酸酯，康迪斯化工（湖北）有限公司；聚醚二元醇，上海凱摯新材料科技有限公司；二氨基二苯甲烷，武漢拉那白醫(yī)藥化工有限公司；云母，靈壽縣展騰礦產(chǎn)品加工廠。

2.1.2 試樣

在清潔、干燥的大型試管中加入一定量聚氨酯預(yù)聚體，加入混合固化劑MOCA 填充云母，攪拌均勻，再倒入聚四氟乙烯，使其在室溫下固化。局部應(yīng)用在足球制作過程中，并直接凝固成足球形狀，形成粘彈性阻尼結(jié)構(gòu)。阻尼材料按不同填料含量分別記為填料質(zhì)量分數(shù)為20%的U1 和填料質(zhì)量分數(shù)為30% 的U2，相應(yīng)粘彈阻尼結(jié)構(gòu)記為 A 和 B，兩種結(jié)構(gòu)尺寸相同，所研究彈性阻尼材料是人工草料體系厚度的兩倍。

2.2 儀器

阻尼性能研究所需的儀器有：電子分析天平（型號FA1004，上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司），真空干燥箱（型號DZF-6050，北京海富達科技有限公司），電熱鼓風(fēng)干燥箱（型號SD36-CS101-3EB，北京中西遠大科技有限公司），循環(huán)水式多用真空泵（型號SHB-B95，南通普瑞科技儀器有限公司），油浴鍋（型號DF-6CD，常州市億能實驗儀器廠）。

2.3 性能分析

2.3.1 阻尼性能受填料含量影響

同樣激勵條件下，測試結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B 在0～800 Hz 頻段上對應(yīng)點的線性譜，如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B 線譜圖對比結(jié)果Fig.1 Comparison results of line spectra of structure A and structure B

如圖1 所示，在0～800 Hz 時，結(jié)構(gòu)A 和結(jié)構(gòu)B 的線性譜峰結(jié)構(gòu)相似，說明兩者振動響應(yīng)基本一致。但由于加速度的不同，材料U1 和U2 對低頻振動的抑制作用存在不同。說明填充率高的U1 比填充率低的U2 具有更好的阻尼性能，隨著頻率增加，結(jié)構(gòu) B 線性譜峰明顯高于結(jié)構(gòu) A，其主要原因是填料增加使材料彈性增強，兩種材料的模量和損耗系數(shù)都有利于改善結(jié)構(gòu)阻尼性能。同時，研究還發(fā)現(xiàn)材料損失因子U1 和U2 在動力學(xué)譜上與阻尼有很大區(qū)別，物料損失系數(shù)差異增大，也說明材料本身的某些差異可能導(dǎo)致其實際減振效果。

2.3.2 阻尼性能受氣泡影響

將聚氨酯材料應(yīng)用到足球制作過程中，易與空氣混合而形成氣泡，影響材料的阻尼性能，所以有必要對其進行研究。選材U2 制作結(jié)構(gòu) B 和C，B 基本無氣泡，C 中氣泡較多，阻尼層厚度相同。測試0～800Hz 兩個結(jié)構(gòu)對應(yīng)點在相同激勵條件下線性譜，如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)B 和C 加速度導(dǎo)納值Fig.2 Acceleration admittance values of structure B and C

如圖2 所示，線譜峰結(jié)構(gòu)B 比C 有較大幅度的上升，表明氣泡的存在使結(jié)構(gòu)阻尼和減振性能下降，從而提高了結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)。當阻尼層厚度相同時，對于氣泡較多的阻尼層，其單位體積內(nèi)的大分子段數(shù)比無氣泡時要少。所以，當激勵條件相同時，需要克服管片摩擦，能量消耗減少，氣泡的存在降低阻尼層整體彈性模量，而阻尼材料彈性模量的降低通常會降低結(jié)構(gòu)阻尼性能。所以在制作和鋪設(shè)阻尼材料時，盡量避免與材料的空氣混合。

3 實驗驗證分析

為了驗證足球用聚氨酯材料的阻尼性能，分別使用人工草料、填充橡膠材料與其對比。

3.1 不同材料阻尼性能分析

（1）不同溫度影響

在不同溫度下，分別使用三種材料分析加速度導(dǎo)納值，對比結(jié)果見表1。

表1 三種材料不同溫度下加速度導(dǎo)納值( 分貝)Table 1 Acceleration admittance of three materials at different temperatures

由表1 可知，使用人工草料加速度導(dǎo)納值隨著溫度升高呈增加又下降趨勢，最低為-5.00 分貝，最高為10.00 分貝；使用填充橡膠材料加速度導(dǎo)納值隨著溫度升高呈增加又下降趨勢，最低為-3.00 分貝，最高為8.00分貝；使用聚氨酯材料加速度導(dǎo)納值隨著溫度升高呈增加又下降趨勢，最低為1.00 分貝，最高為21.00 分貝。通過上述分析可知，使用聚氨酯材料受到溫度影響較小，具有良好阻尼性能。

（2）制作過程中出現(xiàn)氣泡影響

分別使用三種材料，分析制作過程中出現(xiàn)氣泡時加速度變化值，對比結(jié)果見表2。

表2 三種材料制作過程中出現(xiàn)氣泡加速度變化值（m/s2）Table 2 Bubble acceleration changes in the manufacturing process of three kinds of materials

由表2 可知，使用人工草料在實驗次數(shù)為4、5 次時，加速度達到最低為0.05m/s2，而在實驗次數(shù)為1 次時，加速度達到最高為0.2 m/s2；使用填充橡膠材料在實驗次數(shù)為4、5 次時，加速度達到最低為0.1m/s2，而在實驗次數(shù)為1、2 次時，加速度達到最高為0.3m/s2；使用聚氨酯材料在實驗次數(shù)為1 次時，加速度達到最低為0.3m/s2，而在實驗次數(shù)為5 次時，加速度達到最高為0.8m/s2。分析可知，使用聚氨酯材料在制造足球過程中，出現(xiàn)氣泡情況較少，具有良好阻尼性能。

4 結(jié)束語

通過不同填料含量聚氨酯阻尼材料，采用動態(tài)力學(xué)譜儀研究了材料阻尼性能。研究發(fā)現(xiàn)，增加云母填充量可以提高阻尼性能，利用粘彈阻尼結(jié)構(gòu)，在0～800Hz 范圍內(nèi)研究了材料實際阻尼減振性能。結(jié)果表明，填料含量高的材料具有較好的阻尼性能，隨著溫度的升高，材料的阻尼性能下降，氣泡存在使材料阻尼性能下降。