聚氨酯基增强复合材料应用 在体育健身器材中的优势分析

张珂

摘 要：文章着重针对半预聚体法制备连续玻纤增强聚氨酯复合材料性能优势进行实验。结果表明：双组分聚氨酯树脂在反应温度逐渐增高过程中粘度不断增强，当达到30℃条件时能够获得最佳的适用期;随固化温度的提升，纯聚氨酯材料力学性能中的拉伸强度、伸长率基本呈先增强后逐渐降低变化趋势，分别对应最佳固化温度为120℃、110℃;拉伸模量呈先下降后迅速提升变化趋势，于140℃环境下达到最大值;随固化时间的增长，材料拉伸强度、伸长率呈先迅速提升后增幅放缓趋势，拉伸强度则呈先下降后提升变化态势;聚氨酯复合材料成型工艺、温度等同样会对材料的力学性能产生影响，但变化趋势与纯聚氨酯材料略有不同。

关键词：聚氨酯基增强复合材料;体育健身器材;拉伸强度;伸长率;力学性能

中图分类号：TS186.1;TB33 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0067-05

Analysis on the Advantages of Polyurethane Reinforced Composite Materials Used in Sports and Fitness Equipment

Zhang Ke

（Party School of Shaanxi Provincial Committee of C.P.C（Shaanxi Academy of Govemance ）， Xi an 710061， China）

Abstract：This paper focuses on the semi-prepolymer method for the preparation of continuous glass fiber reinforced polyurethane composites performance advantages were experimented. The results showed that the viscosity of two-component polyurethane resin increased with the increasing of reaction temperature， and the best application period was obtained when the temperature reached 30℃. With the increase of curing temperature， the tensile strength and elongation of the mechanical properties of pure polyurethane basically increased first and then gradually decreased， corresponding to the optimal curing temperature of 120℃ and 110℃， respectively. Tensile modulus decreases first and then increases rapidly， and reaches the maximum value at 140℃. With the increase of curing time， the tensile strength and elongation of the material increased rapidly at first and then slowed down， while the tensile strength decreased at first and then increased. The forming process and temperature of polyurethane composites also affect the mechanical properties of the materials， but the changing trend is slightly different from that of pure polyurethane materials.

Key words：polyurethane reinforced composites; sports and fitness equipment; tensile strength; elongation; mechanical properties

0 引言

聚氨酯（PU，分子式：C3H8N2O）及其復合材料具有较为优良的力学性能、抗老化、抗撕裂性能等，是一种广泛应用于体育健身器材制备领域的高分子复合材料。其主要产品类型有聚氨酯发泡材料、高分子复合弹性记忆海绵、复合纤维、环保型合成革等。与一般体育器材制备材料相比，聚氨酯及其复合材料的耐磨性、高弹性以及耐腐蚀性能更为优异，因而被广泛应用于足球、运动鞋、防护装备等的制备工艺中[1-3]。文章以双组分聚氨酯基连续玻璃纤维增强复合材料为主要研究对象，对该类型复合材料在体育运动领域的性能优势进行研究，分别针对一步法制备聚氨酯基增强复合材料、封闭型聚氨酯预聚体以及半预聚体法制备聚氨酯的原理进行分析，着重针对应用半预聚体法制备聚氨酯方法下，材料的力学性能随反应温度、固化温度、固化时间等的变化情况开展实验研究并取得了数据化结果。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

在开展材料力学性能实验之前，本文首先将利用半预聚体法制备一种双组分聚氨酯（两份），其中一份主要进行纯聚氨酯部分实验，另一份在与连续玻璃纤维进行复合以后进行聚氨酯基增强复合材料相关性能实验。本次实验所使用实验材料与设备如表1所示。由于本文主要考量聚氨酯基增强复合材料在体育健身器材中的应用与性能优势，因此关于材料性能将主要考核热性能、动态力学性能、拉伸性能、弯曲强度以及黏度等。这些因素将直接影响聚氨酯及其复合材料制备的如防护用具、服饰以及其他体育健身器材的力学强度、耐热耐腐蚀性、弹性等。

1.2 实验方法

1.2.1 双组分聚氨酯树脂制备

聚氨酯树脂制备方法通常包含：①一步法，将多异氰酸酯与多元醇及其他扩链剂、催化剂等统一同时混合于一起进行模具浇注，因所有反应均在统一场景同时进行，因而该方法制备聚氨酯树脂被成为一步法，一步法成本低廉、工艺简单，但产品质量较差，聚氨酯树脂材料分子结构不规整[4];②预聚体法，该方法需要首先将异佛尔酮二异氰酸酯与聚四氢呋喃二醇等制备预聚物，后将预聚物与扩链剂进行混合以后进行模具浇注得到聚氨酯树脂，该方法性能较一步法更为优越，但工艺难度较大[5];③半预聚体法，该法先首先利用异佛尔酮二异氰酸酯与聚四氢呋喃二醇制备所需的聚合物多元醇，再将聚合物多元醇与剩余的多元醇和扩链剂进行混合，得到聚氨酯树脂，该方法存在部分预聚合反应也存在一部分扩链反应，具有质量可控、反应多样、操作简单等优势[6]。利用半预聚体法制备的聚氨酯树脂，更加适合当前体育事业飞速发展状态下，对新型、高端体育建设器材、设施等的需求，也更加适合大规模批量化生产能够进行模具成型的部分体育健身器材如网球球拍、高端运动场地、运动防护设备等。因此，本文采用半预聚体法制备双组分聚氨酯树脂。

1.2.2 复合材料制备

聚氨酯树脂基玻璃纤维增强复合材料制备，需要将玻璃纤维和模具在T=150℃条件下进行干燥和预热处理，后将双组分聚氨酯树脂按照质量比为0.881：1比例进行混合后均匀涂波在预热完成的玻璃纤维上，经t=120s时间浸润后，利用压实机进行压实后加热固化。

1.2.3 仪器与测试

各仪器应用条件及主要分析数据指标如表2所示。各仪器将主要围绕聚氨酯基增强纤维材料在体育健身器材制备领域中最为重要的力学性能、弯曲强度等开展测试，用以挖掘材料与其他传统材质体育健身器材之间的性能差异。

2 结果分析

2.1 反应温度对纯聚氨酯树脂黏度影响

将利用半预聚体法制备完成的聚氨酯树脂进行预热，达到30℃测试温度以后按照比例进行混合，使用武汉格莱莫检测设备有限公司生产的NDJ-1B旋转黏度计测量混合物的实时黏度，得到表3所示反应温度对纯聚氨酯树脂黏度的影响结果。

可知，当温度高于室温条件（25℃）后，相同反应时间条件下，纯聚氨酯树脂黏度随温度的提升而下降;同一反应温度条件下，纯聚氨酯树脂黏度随反应时间的延长基本呈逐渐上升趋势，这是因为温度的提升，纯聚氨酯树脂中的活性基团碰撞几率随之提升，此时树脂中相对分子质量变化状态基本全部呈现上升趋势，使树脂黏度随之提升。而纯聚氨酯树脂黏度的提升与材料适用期之间的关系为正相关。因此，当反应温度为30℃时能够获得最佳的聚氨酯树脂材料适用期（约为64min左右）。与一般的塑料或其他高分子材料相比，聚氨酯基材料制备的体育健身器材或用具能够获得更长的材料适用期，可广泛应用于部分结构复杂、制作时间较长的体育建设器材或模块。

2.2 固化条件对树脂浇注体影响

2.2.1 固化温度

固化温度是影响树脂浇注体力学性能的主要条件之一。表4所示为不同固化温度条件下几组纯聚氨酯材料的拉伸强度、伸长率、拉伸模量平均值变化情况。

随着固化温度由100℃提升至140℃，材料的拉伸强度由23.7MPa提升至26.9MPa逐渐下降，对应最佳固化温度为120℃;伸长率由127.6%提升至164.8%后先缓慢下降后快速下降，对应最佳固化温度为110℃;拉伸模量则呈先缓慢下降后快速下降最后急剧提升变化状态，最佳固化温度为140℃。分析其原因，主要是因为温度的提升会加剧固化反应速度和反应程度，因而力学性能中的拉伸强度和伸长率先增长，但随着温度的不断提升，在达到一定温度后混合物体系中的异氰酸酯会与氨基甲酸酯产生交联效应，混合物中的分子链滑移能力呈现出逐渐下降趋势，此时拉伸强度与伸长率开始逐渐下降[7-9];而温度的提升会在混合物中形成交联，造成树脂拉伸变形性呈现逐渐下降趋势，但在温度达到一定程度后交联反应逐渐完成，材料拉伸模量开始恢复。综合而言，纯聚氨酯浇注体的拉伸性能在120℃左右达到最佳。与碳纤维、芳纶等材料相比，该最佳固化温度较低，表明聚氨酯材料能够在较低的固化温度条件下完成材料的制备，会在一定程度上降低工藝难度和对能源的消耗，对于体育健身器材生产厂家而言，能够一定程度上节约生产成本，有利于产业绿色可持续发展。

2.2.2 固化时间

将浇注体分为五等分，保持最佳固化温度120℃不变，分别测试1h～5h条件下试样的拉伸强度、伸长率以及拉伸模量，得到表5所示结果。

拉伸强度、伸长率基本均随固化时间的演唱而增大，在达到3、4h后基本趋于稳定，数据不再产生剧烈变化，这是因为随着固化时间的延长，纯聚氨酯材料内部反应逐渐完全，分子链内部由于反应生成的相分离结构逐渐成型而提升了材料的力学性能;拉伸模量则随固化时间延长呈现出先急剧降低后缓慢提升变化态势，在固化时间为4h时达到最低值211.5 MPa，可能是由于固化时间的延长首先使纯聚氨酯材料内部分子链软段产生滑移，降低了材料力学强度，而逐渐使纯聚氨酯材料内部的相分离结构趋向稳定，增强了聚氨酯分子链中硬段聚集性，材料的刚性由弱增强。综合而言，纯聚氨酯材料的最佳固化时间为5h或更长。最佳固化时间方面，聚氨酯材料并未与其他高分子复合材料之间形成明显差异，大多数高分子材料的最佳固化时间均集中在4h以上，但聚氨酯材料最终达到的拉伸强度、伸长率以及拉伸模量等超过了相当一部分高分子材料，表明在同样的最佳固化时间下，利用聚氨酯材料制备的体育健身器材或防护装备的综合力学性能表现更为优越。

2.3 纯聚氨酯热性能分析

表6所示为保持固化温度120℃、固化时间5h的最佳条件下制备的纯聚氨酯材料动态热机械性能变化情况。其中tanδ为损耗角正切值用于表示材料机械损耗因子，该值越高则表示材料的玻璃化温度越高。

tanδ值随反应温度的提升而呈现出先上升后下降的变化趋势，当温度达到175℃左右时tanδ达到最高值8.8。由于150℃之后材料的模量呈现出下降趋势，因而材料在150℃之后已逐渐由玻璃态转变为橡胶态，材料在温度达到175℃左右之后材料基本完成了玻璃化。

2.4 聚氨酯基增强复合材料性能变化分析

2.4.1 玻纤含量

同时制备多种不同玻纤含量的聚氨酯基增强玻璃纤维复合材料，利用万能材料拉力试验机检测材料在固化4h之后的弯曲性能，测试结果如表7所示。

随着玻璃纤维在聚氨酯基复合材料中体积占比的提升，复合材料的弯曲强度呈现出逐渐提升后下降的变化趋势，当玻璃纤维体积占比为72%左右时达到最高值516MPa，这是因为复合材料的粘接性能会随复合材料中树脂成分占比的降低而降低，在达到一定程度以后复合材料已经无法将玻纤完整地粘接为一个整体，此时材料的弯曲性能必然会呈下降趋势[10];弯曲模量变化趋势则是随玻璃纤维体积占比的提升而逐渐增强变化态势，但变化幅度逐渐放缓，在玻璃纤维体积占比达到72%以后，增幅已不再明显，这是由于材料中玻璃纤维体积占比的提升很大程度增强了复合材料的整体刚性，但在达到一定程度以后材料刚性的提升幅度已不再明显，弯曲模量的增长逐渐放缓。综合而言玻璃纤维体积占比约72%时能够获得最佳的弯曲性能。玻纤含量越高表明材料获得最佳弯曲性能时材料中聚氨酯树脂体积占比越低，而相同规格和尺寸的体育建设器材中同体积的聚氨酯树脂价格要远高于玻纤材料，表明获得最佳弯曲性能的聚氨酯基增强复合材料体育健身器材的材料成本也越低。但是材料成本的降低并不能完全弥补玻纤含量的上升对体育健身器材材料制备工艺要求的提升，也并不代表利用聚氨酯基增强复合材料制备某些体育健身器材时玻纤含量越高越好，尚需要进一步分析。

2.4.2 固化温度及时间

尽管玻纤积占比约72%时，复合材料的弯曲性能最佳，但由于该种实验条件对浸润时间和材料制备的要求更高，因而本文并未将积占比72%的聚氨酯基增强玻璃纤维复合材料作为材料在固化条件影响下的实验对象，而是采用了玻璃纤维体积占比为36%的复合材料开展论述，得到了表8所示的若干组复合材料在不同固化温度下的弯曲强度和弯曲模量平均值。

随温度的提升复合材料的弯曲强度呈现出先增强后减弱的变化态势，于120℃时达到最大值316 MPa，分析其原因主要是因为随着反应温度的提升材料中的高分子反应逐渐完全，此时材料的弯曲强度逐渐增强，但较高的反应温度会不断增加复合材料中的交联效应，对高分子材料中的微区相分离结构产生破坏，造成聚氨酯基增强玻璃纤维复合材料中的分子链滑移困难，强度降低;弯曲模量则处于先降低后上升变化态势，在温度为130℃条件下达到最低值10168 MPa，在140℃条件下的弯曲模量与最高值相比差距依然明显，这主要是由于交联效应的存在造成复合材料刚性的提升并不明显，无法完全抵消材料内部高分子完全反应带来的弯曲模量下降。因此，本文认为材料的最佳固化温度应保持在120℃左右。

表9所示为不同固化时间聚氨酯基增强玻璃纤维复合材料的弯曲性能变化情况，弯曲强度及弯曲模量均随材料固化时间的增长而增大，变化趋势高度一致;在固化时间超过4h后材料的弯曲性能逐渐趋向稳定，弯曲强度及弯曲模量的变化幅度逐渐降低。

3 结论

（1）针对纯聚氨酯树脂材料的粘温特性进行实验分析，可知在相同的反应时间条件下随着温度的提升材料的黏度呈现下降趋势，当反应温度为30℃时能够获得最佳的聚氨酯树脂材料适用期（约为64min左右）。较长时间的材料适用期，能够帮助体育健身器材及相关防护用具生产厂家有更长的时间用于进行复杂工艺建设器材或模块的生产，这一点是聚氨酯材料比碳纤维材料明显更具優势的地方。

（2）固化温度120℃、固化时间为5h条件下，纯聚氨酯材料浇注体能够获得最佳的综合力学性能，此时材料的拉伸强度、伸长率、拉伸模量值分别为26.9MPa、161.8%和232.6MPa。尽管类似高分子材料固化时间均集中在4h及以上，但使用最佳固化条件聚氨酯材料制备的体育健身器材或防护用具最终能够得到的最佳力学性能与一般PU、PVB材料相比更加优异，更远高于一般的硫化橡胶等材料。

（3）玻璃纤维体积占比为72%时，能够获得最佳的复合材料弯曲性能，此时复合材料弯曲强度及弯曲模量分别为516MPa、38879MPa。尽管该条件下能够获得最佳的材料弯曲性能并降低体育健身器材制备环节中的材料成本，但实际的体育健身器材并不能完全按照这一比例进行制备，企业可根据具体的体育健身器材类型和应用场景进行灵活掌握。

（4）固化温度120℃、固化时间为5h条件下复合材料综合弯曲性能最佳，体积占比36%的复合材料的弯曲强度及弯曲模量分别为316MPa、19136MPa。在弯曲性能方面，利用聚氨酯基增强复合材料制备的体育健身器材如撑杆跳的撑杆等性能与碳纤维材料相比毫不逊色，但生产成本方面要远低于一般碳纤维复合材料。因此，可考虑使用聚氨酯基玻璃纤维复合材料制备新型的撑杆等体育健身器材，用于替换部分价格高昂的碳纤维复合材料。

参考文献

[1] 何汛，杨峰.聚氨酯在体育行业的应用及研究现状[J].现代塑料加工应用，2017，29（4）：60-63.

[2] 赵晨曦，林珩，王伟山.水玻璃/聚氨酯复合材料的研究现状及进展[J].化工新型材料，2019，47（1）：10-14.

[3] 赵庆波，赵春丽，冯曼，等.连续玻纤增强聚氨酯树脂复合材料制备及性能研究[J].聚氨酯工业，2016，31（3）：5-9.

[4] 方超，夏茹，荣传新，等.原位法制备PU/水玻璃有机-无机杂化注浆材料及其性能研究[J].塑料工业，2016，44（7）：7-10.

[5] 周如东，王李军，朱亚君，等.高固体聚氨酯航空涂料的研制[J].涂料技术与文摘，2015，9（36）：35-42.

[6] 宾恩明.篮球体育用品中合成革材料的制作工艺及原理[J].材料保护，2020，53（12）：197-198.

[7] 定茜.冬季体育运动用软聚合物泡沫背保护器冲击行为的建模与仿真[J].粘接，2020，44（10）：78-81+137.

[8] 孙超.基于体育塑胶跑道的聚氨酯预聚物改性与性能优化研究[J].粘接，2020，41（04）：162-165.

[9] 孙超.基于塑料及复合材料的体育运动设施与器材选材研究[J].粘接，2020，41（01）：73-76.

[10] 李珈骐.体育设施和运动器械用塑料及复合材料的选材[J].粘接，2019，40（06）：68-71.