應用于幼兒玩具的水型樹脂環保材料特性測試研究

摘要：幼兒玩具常使用傳統的塑料材料，這些材料可能含有對環境和人體有害的化學物質，因此，尋找更環保的材料是一項重要任務。研究將環氧樹脂與聚氨酯預聚體結合，得到最終的聚氨酯-環氧樹脂合成水性樹脂，將新型環保樹脂用于幼兒玩具材料中，并對其特性進行測試。實驗結果表明，當第三次循環利用后，合成樹脂的拉伸強度恢復到了初始強度的90%，可多次進行重復利用，新材料在使用過程中表現出了良好的性能和安全性，能夠為幼兒玩具行業提供更環保、安全、可持續的材料選擇，保護兒童的健康。

關鍵詞：環氧樹脂；聚氨酯；環保材料；幼兒玩具

中圖分類號：TQ323.8文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0076-04

Research on new environmentally friendly materials andcharacteristics testing applied to children’s toys

ZHANG Lei

（Normal College，Weinan Institute of Vocational Technology，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：Children’s toys often use traditional plastic materials，which may contain harmful chemicals to the envi?ronment and human body. Therefore，finding more environmentally friendly materials is an important task. In thisstudy， epoxy resin was combined with polyurethane prepolymer to obtain the final polyurethane-epoxy resin synthe?sis of water-based resin， and the new environmentally friendly resin was used in children’s toy materials， and itsproperties were tested. The experimental results showed that after the third recycling，the tensile strength of the syn?thetic resin recovered to 90% of its initial strength，which can be reused multiple times. The new material showedgood performance and safety during use，providing a more environmentally friendly，safe，and sustainable materialselection for the children’s toy industry，and protecting children’s health.

Key words：epoxy resin；polyurethane；environmentally friendly materials；children’s toys

傳統的幼兒玩具材料常常含有對環境和人體健康有害的化學物質，這給兒童的健康和環境帶來潛在的風險[1]。因此，尋找更環保、安全的材料成為了一個迫切的問題。在以往的研究中，科學家們已經開始關注環保材料的開發，但這些研究主要集中在一般應用領域，較少有針對幼兒玩具材料的特定研究[2]。針對幼兒玩具材料的研究需要考慮到兒童特殊的生理特點，需要開展一項專門針對幼兒玩具的新型環保材料及特性測試的研究，以確保其對兒童和環境的安全性[3-4]。研究提出將環氧樹脂用于幼兒玩具制作中，并進一步將聚氨酯用于環氧樹脂的制作中，以提高環氧樹脂的韌性，使環氧樹脂具有可循環利用的能力。

1新型環保合成水性樹脂材料及特性測試

1. 1基于聚氨酯-環氧樹脂的合成水性樹脂

環氧樹脂是一種在分子鏈中包含2個或2個以上環氧基團的聚合物的統稱[6]。當液態的環氧樹脂與固化劑反應后，形成交聯網絡，使成品具有良好的熱穩定性，粘接性和耐化學腐蝕性，在汽車、船舶、手工藝生產等領域得到了廣泛的應用[7-8]。而聚氨酯樹脂是一種具有高強度、抗撕裂、耐磨等特性的聚合物材料，具有較高的軟粘性和回彈性，因而常被用于戶外標牌、商標、珠寶、鏡子、工藝品等生產[9]。將聚氨酯應用于環氧樹脂中聚合而成的水性樹脂具有更好的柔韌性，使原材料能進行重復的手工藝品制作。且合成的水性樹脂更加綠色環保，不含有毒化學物質，水性產品的特性能更好地預防火災的發生。研究將環氧樹脂與聚氨酯預聚體結合，添加擴鏈劑后經中和水化，得到最終的聚氨酯－環氧樹脂合成水性樹脂。合成聚氨酯－環氧樹脂具體制備步驟如下：

（1）需要制備聚氨酯預聚體，按摩爾比將聚己內酯二元醇：異佛爾酮二異氰酸酯=5?1的比例準備試劑，先將聚己內酯二元醇放入三口燒杯，升溫至90℃并脫水1小時，直至溫度降至80℃時加入異佛爾酮二異氰酸酯至反應瓶，得到聚氨酯預聚體[10-11]。

（2）將環氧樹脂與聚氨酯預聚體結合得到合成水性樹脂，具體制備方法為將10.00 g環氧樹脂、3.30g哌嗪和31.00 g聚氨酯預聚體混合投入反應瓶中，再加入40.00 g的N，N-二甲基甲酰胺。

（3）當升溫至55℃后放置5 h，加入與實際質量相同的去離子水，通過水洗的方式得到前驅樹脂，加入冰醋酸中和，最后再次加入二倍質量的去離子水攪拌乳化，即可得到合成的高韌性水性樹脂。其中，假設配方參數R為1.1，H為30%，二者的計算公t式如式（1）、式（2）所示。

R={nA/[nB+nC]}t（1）

式中：Rt為擴鏈參數，用于控制合成樹脂分子的質量，通常Rt取值大于1；A表示氨基；B表示環氧基；C表示異氰酸酯基。

H={[mD+mE]/[mD+mE+mF]}（2）

式中：H表示硬段質量分數，用于調節水性樹脂韌性；D表示環氧樹脂；E表示哌嗪；F表示聚氨酯預聚體。

（4）需制備固化物樣品，將聚氨酯-環氧樹脂合成水性樹脂和BL3370 MPA按摩爾比活潑氫?異氰酸酯基=2?1配置，倒入模具中待水分揮發即可。

1. 2環保樹脂幼兒玩具制作流程

通過上述步驟，實現了聚氨酯-環氧樹脂合成材料制備，利用制備好的材料制作幼兒玩具，主要制作步驟如表1所示。

在幼兒玩具制作中，環保樹脂可以作為替代品用于制作各種零件，如塑料車輪、玩偶身體和形狀拼圖等。這些樹脂不僅可以滿足孩子們對于各種顏色、形狀和紋理的需求，而且具有符合環保要求的特性。

2環保樹脂特性分析

2. 1環保樹脂材料特性測試方法

在傅里葉紅外光譜（FT-IR）測試中，采用儀器為美國珀金埃爾默股份有限公司的Spectrum One，掃描波段為4 000～400 cm-1，測試對象為原料、聚氨酯預聚體和合成前驅樹脂[12-13]。動態力學分析（DMA）測試中，采用儀器為TAQ800型動態機械分析儀，測試對象為固化物的玻璃化溫度T，頻率為1 Hz，升溫范圍為室溫g到150℃。在形狀記憶性能測試中，將樣品加熱達到玻璃態，軟化固定樣品后對其形狀固定率Rf進行測試，再次加熱至玻璃態后對其形狀回復率R進行測試，并r記錄不同配方參數時合成樹脂的玻璃化溫度[14-15]。

2. 2環保樹脂材料特性分析

根據研究提出的合成水性樹脂制備方法制作而成的試劑包含了測試原材料、聚氨酯預聚體和成品等，為鑒定制備過程中步驟及成品的正確性，實驗首先采用紅外光譜分析方法對材料分子進行分析和鑒定，得到紅外光譜圖結果如圖1所示。

圖1（a）中，對比PCL紅外光譜，IPDI-PCL-IPDI紅外譜中的—OH特征吸收峰消失，另外在3 378 cm-1處出現了—NH—特征吸收峰，在2 270 cm-1處出現了—NCO特征吸收峰，在1 500 cm-1處出現了—NH—的變形振動峰。在圖1（b）中，對比環氧樹脂、產物和IP-I-PCL-IPDI的特征吸收峰，可以看出生成合成水性樹脂的過程順利。

為探究合成樹脂性能，研究通過定量法設置實驗，通過改變參數Rt和H值的方法測定合成水性樹脂的粒徑和存儲特性，結果如表2所示。

表2中，當固定參數H不變時，Rt為1.10時合成樹脂無法被水化；而當Rt升至1.20時，合成樹脂能被水化，穩定性在合格范圍內。隨著R數t值的增加，合成成品的粒徑逐漸減小。當固定參數Rt不變時，隨著H數值的增加，合成成品的粒徑同樣逐漸減小，且減小比例更大。

實驗進一步探索配方參數對固化物影響，對成品進行DMA測試，通過改變參數R和H值得到t合成環保樹脂與固化物玻璃化所需時間如圖2所示。

圖2中，當固定參數H為30%時，令初始值為1.20，并以0.05趨勢增加，可以發現合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸降低，當Rt為1.30時，玻璃化溫度降至24℃。當固定參數R為1.30時，令H初始值t為1.20，并以10%趨勢增加，合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸升高，當H為50%時，玻璃化溫度升至45℃。

為了保證幼兒在使用合成環保樹脂制作DIY時的安全性和環保性，研究對成品熱穩定性和再加工性能進行評估，結果如圖3所示。

由圖3可以發現，原始材料和經過1次、2次、3次循環利用材料的拉伸應力變化較小，拉伸強度略微下降，在第3次循環利用后拉伸強度達到16.56 MPa，恢復至初始強度的90%。表明材料具有較好的抗應力變形能力，雖然經過循環利用后，拉伸強度略微降低，但在第3次循環利用后依然能達到約16.56 MPa的拉伸強度，且恢復到初始強度的90%。這說明材料在多次利用后仍保持較高的拉伸強度，并且具有一定的強度恢復能力，符合環保和可循環利用的概念。

3結語

研究將聚氨酯與環氧樹脂結合增加樹脂膠的韌性，得到一種新型環保合成水性樹脂，將這種合成樹脂應用于幼兒環保玩具制作中，并對其特性進行測試。測試結果表明，在材料紅外光譜測試中對比特征吸收峰變化情況，可以看出生成合成水性樹脂的過程順利。固定參數H不變時，合成水性樹脂膠隨著Rt數值的增加，合成成品的粒徑逐漸減小。合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸降低，當R為1.30時，玻璃化溫度降至24℃。當固定參t數R不變時，合成樹脂膠的粒徑逐漸減小，且隨著tH的增加固化物的玻璃化溫度逐漸升高。當第3次循環利用后合成樹脂的拉伸強度恢復到了初始強度的90%，說明研究提出的合成環保水性樹脂材料表現出了良好的物理性能和安全性。

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