足球運動防護用HGB/TPU復合泡沫材料制備及其性能

權華

摘 要：足球運動具有一定的危險性，為了降低運動員受傷程度，需要使用到相關的防護用具，為了提高防護用具的效果，其中所使用到的材料非常關鍵。文章將研究一種HGB/TPU復合泡沫材料，該材料具有很強的吸收沖擊荷載能力，而且質量輕、力學性能較好，作為足球運動防護用具材料將能夠起到較好的防護作用。所以文章通過實驗研究，制備HGB/TPU復合泡沫材料，然后研究其性能。實驗結果表明，HGB含量為2%、發泡劑含量為1%、發泡方式為注塑發泡時，能夠得到性能更好的材料。

關鍵詞：防護;HGB/TPU復合泡沫材料;性能;制備

中圖分類號：TQ328 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）06-0148-04

Abstract：Football has a certain degree of danger. In order to reduce the injury of athletes， it is necessary to use related protective equipment. In order to improve the effect of protective equipment， the materials used in it are very critical. This paper will study a kind of HGB/TPU composite foam material， which has a strong ability to absorb iMPact load， and it has light weight and good mechanical properties. As a protective material for football sports， it will play a better protective role. Therefore， through experimental research， the paper prepared HGB/TPU composite foam material， and then studied its performance. The experimental results show that when the HGB content is 2%， the blowing agent content is 1%， and the foaming method is injection molding foaming， materials with better performance can be obtained.

Key words：protection; HGB/TPU composite foam material; performance; preparation

聚合物泡沫屬于一種輕質結構材料，具有很強的吸收沖擊荷載能力，而且其隔音和隔熱性能都很好，但是泡沫的力學性能比較弱，不能經受住加大力量[1-2]。足球運動具有一定的危險性，容易遭到各種碰撞和摩擦，從而導致運動員受傷，所以在足球運動員在運動過程中會穿戴防護用具，如果將聚合物泡沫作為防護用具的材料，除了不能滿足防護用具的力學性能，其他的所有性能都能夠滿足。如果對聚合物泡沫進行改性研究，增強其力學性能，那么能夠在足球運功防護中具有非常好的應用效果。于是文章將主要研究一種HGB/TPU復合泡沫材料，目的在于增強力學性能，從而能夠將其運用到足球運動防護中。

TPU就是熱塑性聚氨酯，屬于一種彈性聚合物，具有減震能力強、強度高、耐化學性能好、耐磨性好、彈性高等熱點[3-4]。TPU能夠進行再加工，因為其分子結構包含硬段和軟段區有序排列[5]。通過發泡處理TPU材料后，能夠降低其質量，得到改善材料的作用。HGB就是空心玻璃微珠，屬于一種質量較輕的無機非金屬材料，具有填充量高、密度低、無應力高度集中、低導熱系數等特點[6-7]。將空心玻璃微珠加到聚合物泡沫中，具有降低成本的作用，而且還可以增強發泡材料作用[8]。所以文章通過實驗研究制備一種HGB/TPU復合泡沫材料，增強其性能，從而能夠在足球運動防護中具有重要作用。

1 實驗過程

1.1 實驗材料和設備

實驗所需材料有熱塑性聚氨酯、空心玻璃微珠、硅烷偶聯劑、偶氮二甲酰胺、乙醇、正丙胺、氫氧化鈉等。

實驗所需的設備如表1所示。

1.2 HGB/TPU復合泡沫材料的制備

1.2.1 HGB材料的表面處理

HGB相關的參數如表2所示。首先需要對HGB材料進行篩選，使用的篩選工具為300目到400目的篩子，篩選完成之后，將其使用真空干燥箱進行干燥處理，將干燥箱的溫度設置為120℃，干燥時間設置為3h。干燥完成之后進行自然冷卻，最后將其放入干燥箱中進行備用。

準備200mL、0.5mol/L的氫氧化鈉，然后將5gHGB放入其中進行加熱到90℃，然后不停的進行攪拌，攪拌時間為2小時，然后通過使用蒸餾水進行洗滌3次待用。準備100mL環己烷，然后將0.1g正丙胺和5g硅烷偶聯劑加入到環己烷中，然后再將剛剛處理好的HGB加入其中，進行加熱處理直至70℃，然后回流2h。還需要對其進行洗滌，首先用乙醇洗滌2次，然后還需要使用蒸餾水洗滌3次，最后就是將HGB進行干燥處理2h，使用80℃真空烘箱。

1.2.2 發泡方法

按照一定的比例，將HGB、TPU、加工助劑和AC使用高速混合機進行攪拌均勻即可出料。文章將使用兩種發泡方式，分別為注塑發泡和模壓發泡。其具體流程分別如下：

（1）模壓發泡：首先使用哈克轉矩流變儀對混合料進行熔融共混，將該儀器的時間設置為10min，溫度設置為175℃，然后將其放入到模具中，再就是對其進行模壓泡發，使用的儀器為平板硫化機，將該機器的發泡壓力設置為4MPa，溫度設置為210℃，最后就是對模具進急速冷卻，發泡樣品即制作成功。

（2）注塑發泡：對混合料直接使用注射成型機進行注塑發泡，該儀器需要設置的相關工藝參數如表3所示，然后對其進行自然冷卻即可得到發泡樣品。

1.3 表征

（1）SEM分析。為了分析發泡樣品和HGB的表面和斷面形貌，分別對兩種材料進行沖擊斷面噴金處理，其中使用到的工具為掃描電子顯微鏡。

（2）FTIR分析。使用KBr壓片法對HGB粉末進行紅外光譜分析，其中使用到的儀器為紅外光譜分析儀。

2 結果與討論

2.1 HGB表面處理的效果

TPU和HGB兩種材料之間的相容性比較差，于是其很難形成較好的粘接界面，從而不利于在足球運動防護中進行使用，所以通過使用硅烷偶聯劑對HGB表面進行處理，從而增強其界面粘接強度，使得復合材料性能變得更加優異。

2.1.1 SEM分析

使用掃描電子顯微鏡觀察HGB經過硅烷偶聯劑處理前后的SEM圖，如圖1所示，其中圖1（a）和圖1（b）為沒有經過硅烷偶聯劑處理的圖像，圖1（b）為放大1000倍的效果，圖1（c）和圖1（d）為經過硅烷偶聯劑處理后的圖片，其中圖1（d）為放大3000倍的效果。

從圖1中可以看出，當沒有經過硅烷偶聯劑進行表面處理的HGB粒子尺寸大小比較統一，大致在50?m，并且可以看出每個粒子的表面呈現出光滑圓整的樣子;而經過硅烷偶聯劑處理之后，每個粒子粗糙不平，這是因為粒子表面被硅烷偶聯劑所覆蓋。HGB和硅烷偶聯劑的反應過程如圖2所示，從該反應過程中也可以看出經過硅烷偶聯劑處理后的HGB表面更好。

2.1.2 FTIR分析

使用硅烷偶聯劑處理前后的HGB紅外光譜圖如圖3所示，從圖中可以看出，波長大致在3450cm-1時，紅外光譜波峰出現了—NH2和—OH伸縮振動疊加峰，其屬于硅烷偶聯劑中氨基和羥基的特征譜線。另外，在波長為2854cm-1和2923cm-1附近出現了為硅烷偶聯劑的成分譜線。總之通過觀察上述光譜圖，能夠說明HGB表面存在硅烷偶聯劑的成分，于是具有有效的處理效果。于是將TPU和HGB進行結合時，能夠大大提高其結合力。

2.2 發泡方式對復合泡沫材料的結構性能影響

使用AC的含量為1%，HGB的含量設置為2%，然后分析兩種不同發泡對HGB/TPU復合泡沫材料斷面結構性能的影響。結果如圖4所示，圖4（a）表示的是模壓發泡，圖4（b）表示的是注塑發泡。從圖中可以看出，使用模壓發泡方法制得的泡沫材料其泡孔大小不均勻，而且泡孔稀疏，所以能夠說明使用該方式的發泡效果不是很好。而另外一種發泡方式能夠得到較好的泡沫材料，從圖中可以看出，其泡孔大小均勻分布，泡孔呈現球狀。出現這種現象的主要原因在于模壓泡發方式中，TPU經過了兩次熔融，就會產生一些小分子，就會阻礙泡孔的生長。而另外一種泡發方式是一次性成型，不會受到其他因素的影響，而且操作簡單方便，具有較好的發泡效果，因此該發泡方式更加適合于工業化生產中。

2.3 AC含量對復合泡沫材料的結構性能影響

將HGB的含量設置為2%，然后分析AC含量為1%、3%和5%時的斷面SEM圖片，其結果如圖5所示，其中圖a、b、c分別代表的是AC含量為1%、3%和5%時的斷面SEM圖片。

從圖5中可以看出，當AC用量存在差別時，HGB/TPU復合泡沫材料的結構性能也會存在明顯的差別。當AC含量為1%時，泡孔的分布比較均勻，并且尺寸比較小，形狀近似于球形，具有較好的泡孔質量;當AC含量為3%時，泡孔的數量變小，尺寸變大，有些泡孔進行了合并，于是形成更加大的空洞，出現這種現象是因為增加AC含量，能夠提高氣體發氣量造成的。當繼續增加AC含量時，即將其增加到5%，此時的SEM圖片中泡孔質量比較差，發生了坍塌和變形，所以此時的復合泡沫材料的性能比較差。通過上述說明，當AC含量為1%時，HGB/TPU復合泡沫材料的性能更好。

2.4 HGB含量對復合泡沫材料的結構性能影響

將AC含量設置為1%，然后分析HGB含量為1%、2%、3%時復合泡沫材料的結構性能，結果如圖6所示，其中圖a、b、d分別表示的是HGB含量為1%、2%、3%時復合泡沫材料的SEM圖片，圖c表示的是將圖b放大到250倍的效果。從圖中可以看出，當HGB含量是1%時，泡孔的數量比較少，而且尺寸大，說明其泡孔質量不好，當增加HGB含量到2%時，泡孔的數量增多，尺寸大小變下，而且其形狀類似球狀并且均勻分布，具有非常好的性能。當HGB含量增加到3%時，泡孔的尺寸大小各異，具有較為嚴重的泡孔并聚現象，其泡孔結構性能比較差。所以可以得出當HGB含量為2%時，具有很好的性能，應用在足球運動防護中具有更好的應用效果。

3 結語

綜上所述，TPU經過硅烷偶聯劑處理之后能夠獲得更好的粘接界面，有助于將TPU和HGB進行更加緊密的結合;相比于壓膜發泡，注塑發泡能夠得到性能更好的HGB/TPU復合泡沫材料，并且該發泡方式操作簡單;當HGB含量為2%、發泡劑AC含量為1%時，得到的HGB/TPU復合泡沫材料性能更好，具有更好的抵抗外力作用，從而有助于保護運動員受到嚴重傷害。

參考文獻

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