新型的纳米材料在体育器材中的应用及性能研究

吕 晶

西安培华学院 陕西西安710000

GFRP挡风抑尘板采用新型玻璃钢有机复合材料研制而成，挡风抑尘效果比较好，但造价较高，不适应现代社会倡导的低碳经济，不饱和聚酯树脂有着广泛的原料来源、低廉的价格以及简单的合成工艺而受到广泛应用，但是在应用过程中受到本身材料性能的限制使得应用范围大大缩小，而纳米材料均匀地分散到不饱和聚酯树脂中，可以对树脂的拉伸、弯曲、冲击等力学性能起到明显提高，将这种纳米材料改性的不饱和聚酯基体材料应用到防风抑尘板上，会使得挡风抑尘板具有刚度和强度高、抗损伤、使用寿命长、阻燃性能高、抗疲劳、可着色等一系列优异的性能，开发纳米改性不饱和聚酯挡风抑尘板材质具有较好的应用前景。对挡风抑尘板材质配方进行了一系列的研究并加入纳米材料，增加了材料的拉伸性能和抗冲击的性能，并在此基础上提高了材料的抗老化性能，使其使 用寿命得到延长。该研究不仅能为挡风抑尘板生产企业提供不同需要的合理配方，而且对各种成分对挡风抑尘板的各种性能影响提供了理论依据。

1 实验部分

1.1 实验试剂

不饱和聚酯树脂，促进剂（异辛酸钴），固化剂（过氧化甲乙酮），玻璃纤维毡，不饱和聚酯树脂色浆，氢氧化铝，氢氧化镁，十溴联苯醚，紫外线吸收剂UV-9，钛酸酯偶联剂（NDZ-201），无水乙醇（分析纯），甲醇（分析纯），甲苯（分析纯），硬脂酸（化学纯），氢氧化钠（分析纯），无水乙醇（分析纯），纳米ZnO，纳米SiO2。

1.2 实验仪器

电动搅拌器，JPT-5 托盘天平，北京精雕JD-60V号设备切割机，WSM-20KN计算机控制电子万能试机，XBJJ 计算机控制摆锤冲击试验机，氧指数测定仪，紫外灯耐气候试验箱，FA2104N 电子天平，DHT 搅拌恒温电热套，SHBIII(A)型循环水多用真空泵，DZ-1A 型真空干燥箱，超声清洗器。

1.3 实验方法

1.3.1 挡风抑尘板样品的制备

称取一定量的不饱和聚酯树脂，加入少量色浆，用电动搅拌器搅拌均匀，然后依次加入比例一定的促进剂和固化剂，快速搅拌均与，而后均匀涂在玻璃纤维毡上，在室温下固化一定时间，即得到了所制备的挡风抑尘板。按照上述方法，在加入促进剂、固化剂之前，分别加入改性的材料(分别是阻燃剂十溴二苯醚、氢氧化铝、氢氧化镁、紫外线吸收剂UV-9、纳米SiO2、纳米ZnO)。

1.3.2 挡风抑尘板材质物理性能的测试

(1)拉伸性能测试

拉伸性能在ANSTRON5567万能材料拉伸机上进行，按照GB/T 1040-92进行测试。拉伸样条总长L为180mm、标距体为（50±0.5 ）mm,中间平行段长度L1为（55±0.5 ）mm，夹具间距离L3为（115±5 ）mm、中间平行段宽度b 为（10±0.5 ）mm，端头宽度也为（20±0.5） mm，厚度d为2～10 mm，其试样如图1所示[1]。

图1 拉伸试样图Fig. 1 The tensile of sample diagram

（2）冲击性能测试

b为板的厚度，取(6～10)mm,如图2所示。缺口冲击测试样条的尺寸为80x10x4 mm,由北京精雕JD-60V号设备上进行切割。冲击性能测试参照GB/T 1043-93硬质塑料简支梁冲击试验方法，在ACSFAAR公司生产的IMPATS-15型悬/简冲击实验机上进行[2]。

图2 冲击试样图Fig. 2 The impact sample diagram

（3）阻燃性能的测试

选择氧指数作为挡风抑尘板燃烧性能的参照标准，并按照标准 GB/T2406-93《塑料燃烧性能试验方法氧指数法》测定挡风抑尘板的氧指数，本实验是在规定的试验条件下，在氧、氮混合气流中刚好维持试样燃烧所需的最低氧浓度（亦称氧指数）的试验方法，通常以氧气所占的体积分数表示。试样长度为（70～150）mm,宽度为（6.5±0.5）mm,厚度为（3±0.5）mm,试验结果只能在同样厚度下进行比较，试验样条每组不少于十五条[3]。

（4）老化性能的测试

根据GB/T 16422·2实验室光源曝露试验方法,本实验在室温条件下进行了人工加速老化试验。老化采用紫外线灯源，为了对比照射时间对材料强度的影响，试样进行了从20h到200h等跨距的紫外线照射（跨距为30h）,并保证每照射时间组内有8个有效试样，辐照温度为50°C,对照射后试样的拉伸强度进行测试[4]。

2 结果与讨论

实验分别用修饰过的纳米SiO2和纳米ZnO来改性不饱和聚酯，可以对树脂的拉伸、弯曲、冲击等力学性能起到明显的提高，另外纳米ZnO具有吸收紫外线能力，而纳米SiO2具有强烈的反紫外线的能力，考察两种纳米粒子对不饱和聚酯挡风板物理性能的影响。

2.1 纳米SiO2对不饱和聚酯挡风抑尘板物理性能的研究

纳米SiO2和纳米是目前应用最广泛的纳米材料之一，由于其具有高强度、高刚性、能吸收紫外线等特点，在许多材料研究领域引起了广泛的重视,逐渐成为材料科学研究的热点。纳米SiO2特有的絮状和网状的准颗粒结构使得纳米SiO2表现出极强的活性，易与材料中的氧起键合作用，提高分子之间的键合力[5]。添加纳米SiO2后，复合材料的韧性、强度、延展性等均有大幅度提高，即表现为拉伸强度、抗冲击性等性能的提高。根据这些特性，纳米SiO2目前被广泛应用于化工、医药、橡胶、涂料、建筑业等方面。

2.1.1 纳米SiO2对挡风抑尘板力学性能的影响

在优化的条件下，制备不同含量的纳米SiO2复合材料挡风抑尘板。纳米SiO2加入量对复合材料拉伸性能和冲击性能的影响如图3和图4所示。

图 3 纳米SiO2对材料拉伸性能的影响Fig. 3 The Effect of the nano-silica on tensile properties of the materials

图 4 纳米SiO2对材料冲击性能的影响Fig. 4 The effect of nanometer silica on impact properties of materials

由图3和图4可见，随着纳米SiO2的增加，各项力学性能都出现了先提高后降低的趋势[6]。这是由于纳米SiO2比表面积比较大，表面的缺陷多，能与不饱和聚酯基体形成多而结合非常好的界面，纳米SiO2在聚合物机体起到了同时增强增韧的作用。但纳米SiO2分散到一定程度就不容易再分散了，当纳米材料的加入量超过某一界限时，纳米材料很容易在不饱和聚酯内发生团聚，粉团中粒子间的相互作用就变得很弱，在复合材料内部形成缺陷，受到外力时，此处最先破坏，力学性能降低。当纳米材料加入量为1%时，综合力学性能最优，其拉伸强度和冲击强度分别为103.2MPa和56.7kJ/m2,比普通挡风抑尘板分别提高了 13.8MPa和15.4 kJ/m2

2.1.2 纳米SiO2挡风抑尘板抗老化性能的研究

图5为不同量纳米SiO2复合材料在紫外灯辐照后的力学性能，可以发现，纳米SiO2可以使材料的力学性能升高，且纳米SiO2的加入对材料的强度保持及寿命延长有促进的作用，也有利于提高不饱和聚酯树脂的耐紫外光老化性能。由图可知纳米SiO2的存在可延长挡风抑尘板的后固化作用，这主要是因为纳米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，从而降低紫外线对复合材料性能的影响，从而提高复合材料的抗老化性能。

图5 不同含量纳米SiO2复合材料在不同辐照时间下的拉伸强度Fig. 5 Tensile strength of difference nano- SiO2content vs.irradiation time fo rcomposites

由图5还可知，当纳米SiO2为1%时，效果最好，这与力学性能是一致的，纳米SiO2挡风抑尘板中的后固化拉伸强度上升并不大，但后固化时间却得到延长，这可能还是由于纳米SiO2的紫外反射性决定的。普通挡风抑尘板的拉伸强度最大值和最小值分别出现在50h和200h，而纳米SiO2挡风抑尘板则分别出现在110h和200h，说明需要更长的时间才会达到后固化平衡点，可见其后固化现象有所靠后，体现了纳米SiO2的紫外反射性。另外，辐照200h后纳米挡风抑尘板的拉伸强度变化率要小于普通挡风抑尘板，可见纳米SiO2的加入可大大提高复合材料抗紫外线老化能力，对延缓复合材料的老化有很大作用。

2.2 纳米ZnO对不饱和聚酯挡风抑尘板物理性能的影响

纳米ZnO因其纳米特性体现出许多新的物理化学性能，使它在众多领域表现出巨大的应用前景。通过改性的纳米ZnO加入到不饱和聚酯中能改善其力学性能，由于纳米ZnO具有吸收紫外线的能力，对于提高不饱和聚酯树脂的抗老化能力有一定的作用。

图6为不同量纳米ZnO复合材料在紫外灯辐照后的力学性能，可以发现，纳米ZnO可以使材料的力学性能升高，且纳米ZnO的加入对材料强度的保持及寿命的延长有促进作用，也有利于提高不饱和聚酯树脂的耐紫外光老化性能。由图可知纳米ZnO的存在可延长挡风抑尘板的后固化作用，这主要是因为纳米ZnO具有吸收紫外线的能力，从而降低紫外线对复合材料性能的影响，从而提高复合材料的抗老化性能。

图6 不同含量纳米ZnO复合材料在不同辐照时间下的拉伸强度Fig. 6 Tensile strength of difference nano- ZnO content vs.irradiation time for composites

从图6还可以看出纳米ZnO含量为1%时，效果最好，纳米ZnO的加入使得其后固化推迟，主要由于纳米ZnO吸收紫外线的能力，使得在紫外灯照射后再固化其拉伸性能下降较小。在紫外灯照射110h出现最大值，较未加入抗老化剂的其下降的幅度较小，有一定的抗老化的能力[7]。

2.3 不同种类抗老化剂对挡风抑尘板老化性能的研究

对于不饱和聚酯树脂挡风抑尘板材质而言，材料的老化一直是一个重要的问题，如何采用合理的老化剂在不影响力学性能的情况下提高材质的使用寿命，是一个非常具有现实意义的问题。实验中，纳米SiO2具有紫外反射性,纳米ZnO具有吸收紫外线的能力，而抗老化剂UV-9又具有紫外吸收性，胶衣树脂可以保护树脂基体材料不受外界侵蚀。因此，本文将几种材料对不饱和聚酯的抗老化性对比，并对纳米挡风抑尘板的老化改性进行了实验优化，在紫外灯辐射200h的拉伸强度变化如图7所示。

图7 紫外灯照射对复合材料拉伸性能的影响Fig. 7 The effect of UV on the tensile strength of composites

注：（a）纳米ZnO为0%，纳米SiO20%，UV-9含量0%，胶衣含量0%。（b）纳米ZnO为0%，纳米SiO20%，UV-9含量0.8%，胶衣含量0%。（c）纳米ZnO为0%，纳米SiO21.0%，UV-9含量0%，胶衣含量0%。（d）纳米ZnO为0%，纳米SiO21.0%，UV-9含量0.8%，胶衣含量0%。（e）纳米ZnO为0%，纳米SiO21.0%，UV-9含量0.8%，胶衣含量14.3%。（f）纳米ZnO为1.0%，纳米SiO20%，UV-9含量0%，胶衣含量0%。（g）纳米ZnO为1.0%，纳米SiO20%，UV-9含量0.8%，胶衣含量0%。（h）纳米ZnO为1.0%，纳米SiO20%，UV-9含量0.8%，胶衣含量14.3%。

图7为不同种类抗老化剂改性不饱和聚酯挡风抑尘板在紫外线照射下拉伸强度随时间变化的曲线图，可以看出加入紫外线吸收剂与纳米材料的板材的后固化推迟，并均在紫外照射后110h时拉伸性能最高，随着照射时间的增加，其拉伸性能逐渐下降，但比没加任何抗老化剂的挡风抑尘板下降幅度要小，具体变化率见表1。

表1 不同抗老化剂改性不饱和聚酯挡风抑尘板拉伸强度变化率Table1 Analysis on the f luctuation of tensile strength of composites with different anti-aging agents

由表1可以看出，辐射200h后，各种类抗老化剂改性的不饱和聚酯挡风抑尘板的拉伸强度有不同程度的降低，但变化率不同。单加紫外线吸收剂时板材在被辐射200h的变化率比普通板材提高了 35.85%,说明紫外线吸收剂UV-9具有很好的抗老化性，这是由于UV-9能够吸收大量的紫外线，紫外线吸收剂再加上胶衣树脂的保护作用收到比单加UV-9起到更好的效果。纳米材料改性不饱和聚酯挡风抑尘板抗老化的能力较好，对比两种纳米材料，可以发现纳米SiO2的抗老化的能力与纳米ZnO的抗老化能力比较接近，但与UV-9结合使用时，纳米SiO2要大于纳米ZnO的抗老化能力，其原因在于UV-9具有吸收紫外线的能力，纳米SiO2具有反射紫外线的能力，两者的协同作用使得更少的紫外线进入到板材中，从而减缓了紫外线对不饱和聚酯挡风抑尘板的损害。相反，纳米ZnO和UV-9都具有吸收紫外线的能力，两者的结合并不能起到更好抗老化的效果，和单加一种抗老化剂效果相近。胶衣树脂本身就是一种高强度高性能的树脂，对挡风抑尘板起到有效的保护作用，使得其老化速度减缓，与UV-9和纳米SiO2的联合使用起到更好的抗老化效果。

由表1也可以看出，纳米SiO2加量为1%、UV-9为0.8%、胶衣树脂为14.3%时，挡风抑尘板的抗老化性能最好，在紫外线照射下200h出现的拉伸强度的变化率为-8.18%,纳米SiO2与UV-9的协同作用的抗老化能力要大于纳米ZnO与UV-9的抗老化能力。

3 结论

(1)当纳米SiO2加入量为1%时，综合力学性能最优，其拉伸强度和冲击强度分别103.2MPa和56.7kJ/m2,比普通挡风抑尘板分别提高了15.40% 和37.24%。纳米SiO2的加入可大大提高复合材料抗紫外线老化的能力，对延缓复合材料的老化有很大作用。

(2)当纳米ZnO加入量为1%时，综合力学性能最优，其拉伸强度和冲击强度分别94.5MPa和45.1kJ/m2，比普通挡风抑尘板分别提高了5.67%和9.16%。纳米ZnO的加入可以提高复合材料抗紫外线老化的能力，对延缓复合材料的老化有一定的作用。

(3)纳米SiO2加量为1%时，UV-9为0.8%,胶衣树脂为14.3%时，挡风抑尘板的抗老化性能最好，在紫外线照射下200h出现的拉伸强度的变化率为-8.18%,纳米SiO2与UV-9的协同作用的抗老化能力要大于纳米ZnO与 UV-9的抗老化能力，在体育器材具有广泛的应用。