足球用聚氨酯材料的阻尼性能研究*

2021-03-03徐思丹

合成材料老化与应用 2021年1期

徐思丹

（陕西学前师范学院，陕西西安710000）

足球运动受到全世界人们喜爱，人们也将其视为基本运动项目之一[1]。数百年来，用于制造足球材料一直是动物皮，但是随着人造革使用和推广，人们也逐渐开始使用人造革来制造足球[2]。现在，合成革生产工艺不断更新，许多物理性能已接近甚至超过天然皮革。国际通用足球制造材料主要包括人工草料和填充橡胶材料；填充橡胶材料是由热塑性聚合物、聚丙烯、聚乙烯、羧基苯乙烯丁二烯橡胶等组成的热固性高分子材料[3]。人造草不能回收利用，造成了严重环境污染和资源消耗。聚合物材料因其重量轻、强度高、韧性好、耐老化、易成型加工等优点，在足球比赛应用中有着许多优点。聚氨酯材料应用于足球优点是通过调整软硬段比例，可获得宽温度范围和良好阻尼性能。基于此，对足球用聚氨酯材料的阻尼性能进行了研究。

1 聚氨酯材料应用于足球特性分析

1.1 聚氨酯材料

聚氨酯是以泡沫，弹性体，涂料材料，粘合剂，皮革和附件的形式生产的，软泡聚氨酯弹性体是用来提高足球弹性的[4]。利用不同原料、催化剂等辅助材料及合成方法，可有选择地改变聚氨酯产品结构，从而得到广泛应用[5]。聚氨酯具有较好弹性和可控硬度，可以在硬质材料和软质泡沫材料两类材料之间形成微观分离，从而使其具有较好耐久性[6]。聚氨酯弹性体是聚氨酯制品应用方向，其弹性体有软相和硬相两种形态特征，调整软硬段比例，可得到不同温度范围内阻尼材料，是一种优良阻尼材料基质。

1.2 聚氨酯弹性体

聚氨酯弹性体结构中，由异氰酸酯、扩链剂和多元醇聚合物组成部分称为硬段(HS) 和软段(SS)，因此，当温度低于环境温度时，软段会发生玻璃化转变，而硬段高于环境温度时发生玻璃化转变[7-8]。聚氨酯硬段是异氰酸酯与扩链剂交替形成无序段或结晶段，这类无序或结晶的链段聚合在一起，通过彼此间形成的氢键相互作用形成物理交联硬段，可被视为橡胶软段填充物。聚氨酯弹性体的特性来自于5～100 nm 面积尺度的纳米级软、硬段相分离。聚氨酯也可以被归为纳米尺度物质。影响聚氨酯产品高弹性能的主要因素是两相形态和分离度。

2 阻尼性能研究

2.1 材料及试样准备

2.1.1 材料

足球：聚氨酯材料的足球。这种聚合物材料使足球运动有很强弹性，踢过球后可以快速恢复原来形状，使足球运动更持久、更灵活。其它材料：甲苯二异氰酸酯，康迪斯化工（湖北）有限公司；聚醚二元醇，上海凯挚新材料科技有限公司；二氨基二苯甲烷，武汉拉那白医药化工有限公司；云母，灵寿县展腾矿产品加工厂。

2.1.2 试样

在清洁、干燥的大型试管中加入一定量聚氨酯预聚体，加入混合固化剂MOCA 填充云母，搅拌均匀，再倒入聚四氟乙烯，使其在室温下固化。局部应用在足球制作过程中，并直接凝固成足球形状，形成粘弹性阻尼结构。阻尼材料按不同填料含量分别记为填料质量分数为20%的U1 和填料质量分数为30% 的U2，相应粘弹阻尼结构记为 A 和 B，两种结构尺寸相同，所研究弹性阻尼材料是人工草料体系厚度的两倍。

2.2 仪器

阻尼性能研究所需的仪器有：电子分析天平（型号FA1004，上海舜宇恒平科学仪器有限公司），真空干燥箱（型号DZF-6050，北京海富达科技有限公司），电热鼓风干燥箱（型号SD36-CS101-3EB，北京中西远大科技有限公司），循环水式多用真空泵（型号SHB-B95，南通普瑞科技仪器有限公司），油浴锅（型号DF-6CD，常州市亿能实验仪器厂）。

2.3 性能分析

2.3.1 阻尼性能受填料含量影响

同样激励条件下，测试结构A 和结构B 在0～800 Hz 频段上对应点的线性谱，如图1 所示。

图1 结构A 和结构B 线谱图对比结果Fig.1 Comparison results of line spectra of structure A and structure B

如图1 所示，在0～800 Hz 时，结构A 和结构B 的线性谱峰结构相似，说明两者振动响应基本一致。但由于加速度的不同，材料U1 和U2 对低频振动的抑制作用存在不同。说明填充率高的U1 比填充率低的U2 具有更好的阻尼性能，随着频率增加，结构 B 线性谱峰明显高于结构 A，其主要原因是填料增加使材料弹性增强，两种材料的模量和损耗系数都有利于改善结构阻尼性能。同时，研究还发现材料损失因子U1 和U2 在动力学谱上与阻尼有很大区别，物料损失系数差异增大，也说明材料本身的某些差异可能导致其实际减振效果。

2.3.2 阻尼性能受气泡影响

将聚氨酯材料应用到足球制作过程中，易与空气混合而形成气泡，影响材料的阻尼性能，所以有必要对其进行研究。选材U2 制作结构 B 和C，B 基本无气泡，C 中气泡较多，阻尼层厚度相同。测试0～800Hz 两个结构对应点在相同激励条件下线性谱，如图2 所示。

图2 结构B 和C 加速度导纳值Fig.2 Acceleration admittance values of structure B and C

如图2 所示，线谱峰结构B 比C 有较大幅度的上升，表明气泡的存在使结构阻尼和减振性能下降，从而提高了结构振动响应。当阻尼层厚度相同时，对于气泡较多的阻尼层，其单位体积内的大分子段数比无气泡时要少。所以，当激励条件相同时，需要克服管片摩擦，能量消耗减少，气泡的存在降低阻尼层整体弹性模量，而阻尼材料弹性模量的降低通常会降低结构阻尼性能。所以在制作和铺设阻尼材料时，尽量避免与材料的空气混合。

3 实验验证分析

为了验证足球用聚氨酯材料的阻尼性能，分别使用人工草料、填充橡胶材料与其对比。

3.1 不同材料阻尼性能分析

（1）不同温度影响

在不同温度下，分别使用三种材料分析加速度导纳值，对比结果见表1。

表1 三种材料不同温度下加速度导纳值( 分贝)Table 1 Acceleration admittance of three materials at different temperatures

由表1 可知，使用人工草料加速度导纳值随着温度升高呈增加又下降趋势，最低为-5.00 分贝，最高为10.00 分贝；使用填充橡胶材料加速度导纳值随着温度升高呈增加又下降趋势，最低为-3.00 分贝，最高为8.00分贝；使用聚氨酯材料加速度导纳值随着温度升高呈增加又下降趋势，最低为1.00 分贝，最高为21.00 分贝。通过上述分析可知，使用聚氨酯材料受到温度影响较小，具有良好阻尼性能。

（2）制作过程中出现气泡影响

分别使用三种材料，分析制作过程中出现气泡时加速度变化值，对比结果见表2。

表2 三种材料制作过程中出现气泡加速度变化值（m/s2）Table 2 Bubble acceleration changes in the manufacturing process of three kinds of materials

由表2 可知，使用人工草料在实验次数为4、5 次时，加速度达到最低为0.05m/s2，而在实验次数为1 次时，加速度达到最高为0.2 m/s2；使用填充橡胶材料在实验次数为4、5 次时，加速度达到最低为0.1m/s2，而在实验次数为1、2 次时，加速度达到最高为0.3m/s2；使用聚氨酯材料在实验次数为1 次时，加速度达到最低为0.3m/s2，而在实验次数为5 次时，加速度达到最高为0.8m/s2。分析可知，使用聚氨酯材料在制造足球过程中，出现气泡情况较少，具有良好阻尼性能。