一種體育護具用新型杜仲膠乳發泡材料制備及性能

摘要：將杜仲膠與丁腈橡膠相結合作為混合膠乳，制備一種可適用于體育護具的新型杜仲膠材料，研究其性能并對混合膠乳中杜仲膠添加量進行優化。試驗結果表明，混合膠乳的旋轉黏度與杜仲膠添加量呈正相關，而發泡倍率則與杜仲膠添加量呈負相關。隨著杜仲膠添加量從0%增多到60%，新型杜仲膠材料拉伸強度和拉伸斷裂伸長率均先升后降，壓縮模量不斷增加，回彈性不斷降低。混合膠乳中杜仲膠添加量為15%比較適宜，此時，材料拉伸強度最大0.56 MPa，提高143.5%；拉伸斷裂伸長率最大368%，提高44.3%，黏度為44 mPa·s，發泡倍率為10.5，壓縮模量1 613 kPa，回彈率49%。

關鍵詞：杜仲膠；丁腈橡膠；黏度；拉伸強度；壓縮模量

中圖分類號：TQ 331文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0013-04

Preparation and properties of a novel eucommia ulmoides gum latex foaming material for sports protective gear

XU Jiang

（Urumqi Vocational University，Urumqi 830023，China）

Abstract：Eucommia ulmoides gum（EUG）was combined with nitrile-butadiene rubber（NBR）to form a mixed la-tex，and a novel EUG-based material suitable for sports protective gear was prepared.The properties of this new ma-terial were investigated，and the optimal content of EUG in the mixed latex was determined through systematic opti-mization.Experimental results demonstrated a positive correlation between the rotational viscosity of the mixed la-tex and the EUG content.Conversely，the foaming ratio exhibited a negative correlation with the EUG content.As the EUG content increased from 0%to 60%，both the tensile strength and the elongation at break of the novel EUG-based material initially increased and then decreased.Meanwhile，the compression modulus continuously in-creased，while the resilience continuously decreased.It was found that an EUG content of 15%in the mixed latex was most appropriate.Under this condition，the material achieved a maximum tensile strength of 0.56 MPa，repre-senting a 143.5%increase；a maximum elongation at break of 368%，signifying a 44.3%increase.Additionally，the viscosity was measured at 44 mPa·s，the foaming ratio was 10.5，the compression modulus was 1 613 kPa，and the rebound rate was 49%.

Key words：eucommia ulmoides gum；nitrile-butadiene rubber；viscosity；tensile strength；compression modulus

體育防護用具不僅能夠保護人體，增強運動安全性，還有著減輕運動負擔等特點[1-2]。許多學者對此進行了研究。其中，通過硫磺和物理微球發泡劑，研制了一種有著高抗沖性能的杜仲膠材料[3]。通過靜電紡絲工藝，使用聚丙烯腈納米纖維對玄武巖纖維進行包覆，進而制備一種纖維緩沖型護具材料[4]。采用剪切增稠液體技術，制備了一種軟質聚氨酯泡沫材料，并對其性能進行研究[5]。膠乳發泡材料在人們生活中的應用也越來越多。但天然膠乳發泡材料通常有著力學性能和壓縮性能不如意等缺點；丁腈膠乳發泡材料雖然回彈性好，但力學性能和壓縮性能等欠佳；杜仲膠乳發泡材料則力學性能和壓縮性能良好，但回彈性欠佳[6]。基于此，試驗以杜仲膠和丁腈橡膠共混，以此作為混合膠乳，進而制備一種新型杜仲膠乳發泡材料，并研究這種材料的性能。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：杜仲膠（工業純，邁德昊化工）；丁腈橡膠（工業純，溢塑新材料）；氧化鋅（工業純，志佳化工）；防老劑4010NA（AR，冠馳化工）；促進劑NS（AR，興琰新材料）；促進劑MZ（AR，紹惠新材料）；硫磺（工業級，天之道新材料）。

主要設備：SL-RH-LAB500型高剪切乳化機（新勒機電）；CZ-8025型平板硫化機（昌哲試驗機械）；HZ-1007型萬能試驗機（力顯儀器）；CREE-6015型開放式雙輥混煉機（科銳儀器）；JY-16613型落球回彈試驗儀（精域環境測試設備）；NDJ-T01型旋轉黏度計（方瑞儀器）；HD-F750A型海綿壓縮試驗機（海達儀器）。

1.2試驗方法

1.2.1基本配方設計

本試驗主要以杜仲膠和丁腈橡膠制備一種新型杜仲膠材料。其中，杜仲膠和丁腈橡膠總量為100 phr，以其中的杜仲膠添加量為變量（0%、15%、30%、45%、60%）。另外，添加氧化鋅3 phr，氟硅化鈉0.5 phr，硫磺2.5 phr，防老劑4010NA 2 phr，促進劑NS 1 phr，促進劑MZ 0.5 phr，油酸鉀2 phr，硫酸銨2 phr，氫氧化鉀0.3 phr[7-9]。

1.2.2新型杜仲膠的制備

（1）稱取適量的杜仲膠，添加適量乳化劑。使用乳化機，在高轉速條件下進行乳化。然后與適量丁腈橡膠共混，獲得混合膠乳；

（2）將適量的混合膠乳添加到燒杯中，添加少許氫氧化鉀作為穩定劑，進行除氨處理；

（3）向混合膠乳中添加適量促進劑、防老劑和硫磺，攪拌混勻，放置在避光的常溫環境中保持24 h，使材料熟成；

（4）將熟成的材料添加到起泡容器中，添加適量硫酸銨以及油酸鉀，在最高轉速下進行起泡處理。再降低轉速，添加適量氧化鋅分散液，攪拌混合1 min，使氣泡均勻；

（5）將混勻的膠乳迅速注模，轉移到恒溫100℃的干燥箱中進行硫化處理1 h；

（6）取出膠乳，脫模水洗。去除膠乳表面水分后，將膠乳放到恒溫60℃烘箱中進行烘干處理，即可獲得新型杜仲膠材料。

1.3性能測試

1.3.1發泡性能

以混合膠乳的起泡黏度和發泡倍率來表征混合膠乳的發泡性能。其中，起泡黏度用旋轉黏度計進行測量。發泡倍率則按以下公式計算[10]：

發泡倍率=′ 100%（1）

式中：ρ1為材料發泡前體積，mm3；ρ0為材料發泡后體積，mm3。

1.3.2拉伸性能

參考GB/T 6344—2008，通過萬能試驗機測試新型杜仲膠材料的拉伸強度以及拉伸斷裂伸長率[11]。

1.3.3壓縮性能

參考GB/T 18942.1—2003，使用海綿壓縮試驗機對新型杜仲膠材料的的壓縮模量進行測試[12]。

1.3.4回彈性能

參考GB/T 6670—2008，通過落球回彈試驗儀，對新型杜仲膠材料的回彈性能進行測試[13]。

2結果與分析

2.1發泡性能

圖1（a）和圖1（b）分別是不同杜仲膠添加量條件下，混合膠乳的旋轉黏度和發泡倍率情況。

由圖1可知，當混合膠乳中杜仲膠的添加量從0%增加到60%時，混合膠乳的旋轉黏度不斷增大，但發泡倍率卻不斷減小。當混合膠乳中杜仲膠添加量為0%時，相當于全為丁腈橡膠，此時混合膠乳的旋轉黏度最小，為39 mPa·s；而發泡倍率最大，達到11.4%。當混合膠乳中杜仲膠添加量為15%、30%、45%時，混合膠乳的旋轉黏度分別增大到44、51、63 mPa·s，增幅分別為12.8%、30.8%、61.5%；而發泡倍率分別減小到10.9、8.3、6.7，降低幅度分別為7.9%、27.2%、41.2%。當混合膠乳中杜仲膠添加量為60%時，混合膠乳的旋轉黏度最大，達到71mPa·s，增幅為82.1%。但此時的發泡倍率僅為3.8，降幅為66.7%。從以上這些數據可知，增大混合膠乳中杜仲膠的添加量，可以使材料旋轉黏度大幅度提高，但會降低發泡倍率。

同時，在混合膠乳中，杜仲膠乳粒子有一些以結晶態存在。這不僅使混合膠乳中膠乳粒子的布朗運動受到限制，還使這些膠乳粒子更容易聚集[14]。因此，材料黏度增大。而在混合膠乳黏度較大的情況下，起泡、勻泡工藝中空氣不容易進入混合膠乳中，且氣泡長大速度也較慢。因此，混合膠乳不容易起泡，發泡倍率減小。為使新型杜仲膠材料擁有更好的力學性能、回彈性能等，新型杜仲膠材料需要發泡倍率較高，使材料密度降低，內部氣孔增多[15]。因此，結合以上數據，在混合膠乳中，杜仲膠添加量不宜超過30%。

2.2拉伸性能

圖2為在不同杜仲膠添加量條件下，新型杜仲膠材料的拉伸性能數據情況。

由圖2（a）可知，隨著混合膠乳中杜仲膠添加量增多，新型杜仲膠材料的拉伸強度先升后降。當杜仲膠添加量為0%時，以丁腈橡膠為主的材料拉伸強度最小，僅為0.23 MPa。當杜仲膠添加量為15%時，材料拉伸強度最大，為0.56 MPa，提高了143.5%。此后，繼續增多混合膠乳中杜仲膠添加量，材料拉伸強度下降。另外，由圖2（b）可知，當混合膠乳中杜仲膠添加量增多時，新型杜仲膠材料的拉伸斷裂伸長率也先增大后減小。這種變化趨勢與圖2（a）類似。當杜仲膠添加量為0%時，以丁腈橡膠為主的材料拉伸斷裂伸長率最小，為255%。當杜仲膠添加量為15%時，材料拉伸斷裂伸長率最大，為368%，提高了44.3%。此后，繼續增多混合膠乳中杜仲膠添加量，材料拉伸斷裂伸長率下降。

以上變化可以歸因于微相分離強化效應[16-17]。在制備新型杜仲膠材料的過程中，由于杜仲膠添加量的增多，導致杜仲膠乳粒子會有一部分以結晶態存在。因此，材料的結晶度會增大。但是，當混合膠乳中杜仲膠添加量增多時，相當于微晶相分離析出的比例更大。因此，會有更多的微晶相填充到膠乳的分子鏈空隙中。當材料受到外力作用時，這種現象就會導致材料分子鏈能夠承受的外力減小。因此，材料拉伸性能降低。綜上，結合以上試驗數據，為使新型杜仲膠材料擁有良好的拉伸性能，混合膠乳中杜仲膠添加量宜為15%。

2.3壓縮性能

圖3為在不同杜仲膠添加量條件下，各新型杜仲膠材料的壓縮模量數據情況。

由圖3可知，新型杜仲膠材料的壓縮模量與混合膠乳中杜仲膠添加量是一種正相關關系。杜仲膠添加量為0%時，材料壓縮模量最小，為1 405 kPa。杜仲膠添加量為15%、30%、45%時，材料壓縮模量分別增大到1 613、1 720、1 906 kPa。與杜仲膠添加量為0%時相比，分別提高了14.8%、22.4%、35.7%。杜仲膠添加量為60%時，新型杜仲膠材料的壓縮模量最大，達到2 035 kPa，增幅達到44.8%。這種變化主要是因為杜仲膠材料的結晶性，在結晶和交聯密度的共同作用下，新型杜仲膠材料中分子鏈的運動受到一定阻礙[18-19]。基于此，結合以上數據可知，混合膠乳中杜仲膠添加量越多，新型杜仲膠材料越不容易出現凹陷的情況，也有更好的人體支撐性。

2.4回彈性能

圖4為在不同杜仲膠添加量條件下，各新型杜仲膠材料的回彈性能測試結果。

由圖4可知，新型杜仲膠材料的回彈率與混合膠乳中杜仲膠添加量是一種負相關關系。當混合膠乳中杜仲膠添加量增多時，新型杜仲膠材料的回彈率不斷下降，回彈性能降低。可以看到，當混合膠乳中杜仲膠添加量為0%時，此時以丁腈橡膠為主的材料回彈率最高，為61%。當杜仲膠添加量為15%時，材料回彈率減小到49%。而當杜仲膠添加量在30%及以上時，材料回彈率均低于40%。根據相關國際標準，膠乳發泡材料的回彈率應在42%及以上[20]。結合試驗數據可知，當混合膠乳中杜仲膠添加量在30%及以上時，新型杜仲膠材料回彈率不符合相關國際標準。為提高這種新型杜仲膠材料在體育用具中的應用適應性，材料需要有一定的慢回彈性。基于此，混合膠乳中杜仲膠添加量宜為15%。

3結語

（1）隨著杜仲膠添加量增多，混合膠乳的黏度提高，但發泡倍率會降低；

（2）當混合膠乳中杜仲膠添加量增多時，新型杜仲膠材料的拉伸強度以及拉伸斷裂伸長率均先升后降。當杜仲膠添加量為15%時，材料拉伸強度和拉伸斷裂伸長率均處于峰值，分別為0.56 MPa、368%；

（3）隨著杜仲膠添加量增多，材料壓縮模量增大，回彈性能降低。混合膠乳中杜仲膠添加量宜為15%。

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（責任編輯：蘇幔，平海）