聚氨酯对羽毛球器械用环氧树脂胶粘剂性能的影响

张 颀，何 智

(1.西安体育学院，陕西 西安 710068； 2.西安石油大学，陕西 西安 710065)

环氧树脂胶粘剂由于具有粘接性能较好、价格低廉和使用便捷等特性而在现代体育器械中有着广泛应用。要想获得性能优异的环氧树脂胶粘剂，在制备过程中需要严格控制好环氧树脂基料、固化剂和改性剂等的种类和含量。作为羽毛球器械用环氧树脂胶粘剂，其力学性能是重要的考核指标，已有的许多增韧改性技术虽然在一定程度上提高了环氧树脂胶粘剂试件的韧性，但是拉伸强度和弯曲强度等有较大的下降。如何在不降低环氧树脂胶粘剂试件韧性的基础上，提升胶粘剂试件的拉伸强度和弯曲强度等是值得研究的课题。本研究考察了聚氨酯(PU)对环氧树脂胶粘剂试件力学性能的影响，此举有助于高综合性能环氧树脂胶粘剂试件的开发与应用。

1 试验部分

1.1 试验原料

E-51型双酚A型环氧树脂(工业级，深圳市海能化工有限公司)、聚氨酯预聚体(工业级，东莞市天之鸿塑化有限公司)、脱模剂(工业级，广州市壹诺化工科技有限公司)、二氨基二苯砜(分析纯，武汉远成共创科技有限公司)、无水乙醇(纯度99.5%，济宁博诚化工有限公司)。

1.2 试验仪器与设备

PX225型电子天平(浙江纳德科学仪器有限公司)、DT88型超声波清洗器(北京中西远大科技有限公司)、dzf-6020B智能电热真空干燥箱(上海东麓仪器设备有限公司)、HV-1000A型显微硬度计(莱州华银试验仪器有限公司)、WDW-50E型微机控制电子万能材料试验机(济南恒旭试验机技术有限公司)。

1.3 试验制备

聚氨酯环氧树脂胶粘剂的具体配置方案如表1；图1为聚氨酯环氧树脂浇注体的制备方案，制备后根据试验需要加工成相应的形状。

表1 聚氨酯环氧树脂胶粘剂试件的配置方案

图1 聚氨酯环氧树脂浇注体的制备方案

1.4 测试与表征

(1)硬度：采用显微硬度计测试(载荷为50 N、保持载荷时间为15 s，测试结果取5点平均值)；

(2)拉伸性能：根据ASTM D638—2014《塑料拉伸性能的标准试验方法》标准，采用微机控制电子万能材料试验机进行测试(在室温条件下，拉伸速率为1.5 mm/min，取3组试样的平均值)；

(3)室温弯曲性能：根据ASTM D790—2017《未加强和加强塑料与电气绝缘材料的弯曲性能》标准，采用微机控制电子万能材料试验机进行测试(在室温条件下，加载速率为1.5 mm/min，取3组试样的平均值)。

2 试验结果与分析

2.1 拉伸性能

聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂硬度的影响，结果如图2所示。

图2 聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂硬度的影响

由图2可知，随着环氧树脂中改性剂聚氨酯质量分数从0%～20%，环氧树脂胶粘剂的硬度呈现逐渐降低的趋势。在聚氨酯质量分数为20%时，改性胶粘剂的显微硬度降低至22.41 MPa，相较于未添加聚氨酯的胶粘剂的硬度约降低了14.0%；改性剂聚氨酯的添加使得环氧树脂胶粘剂硬度呈现不同程度的降低，且聚氨酯质量分数越高则胶粘剂硬度越低。这主要是由于聚氨酯的加入会造成环氧树脂胶粘剂中异氰酸酯基与羟基发生化学接枝反应，从而降低了环氧树脂胶粘剂的交联密度；环氧树脂胶粘剂的硬度会相应地减小。

不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂的应力-应变曲线，结果如图3所示。

图3 不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的应力-应变曲线

由图3可知，聚氨酯质量分数不同，其环氧树脂胶粘剂试件的相对最大拉力和应变也都明显不同。其中，聚氨酯质量分数为10%时，相对最大拉力较大，对应的应变也较高；而聚氨酯质量分数为0%时，相对最大拉力较小，对应的应变也较低。

图4为不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的拉伸性能。

图4 不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的拉伸性能

由图4可知，环氧树脂胶粘剂试件的抗拉强度随着聚氨酯质量分数的增加呈先增加后减小的趋势。在聚氨酯质量分数为10%时，取得抗拉强度的相对最大值，约62.23 MPa。此外，对比分析可知，添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件的抗拉强度都要高于未添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件。

图5为聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂试件拉伸弹性模量的影响。

图5 聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂试件的拉伸弹性模量的影响

由图5可知，随着聚氨酯质量分数从0%增加至20%，环氧树脂胶粘剂试件的拉伸弹性模量并不呈线性变化，且变化幅度较小。由此表明，聚氨酯添加不会对环氧树脂胶粘剂试件拉伸弹性模量产生明显影响。

不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的拉断伸长率测试结果，具体如图6所示。

图6 不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的断裂伸长率测试结果

由图6可知，环氧树脂胶粘剂试件的断裂伸长率随着聚氨酯含量的增加呈先增加后减小的态势。在聚氨酯质量分数为10%时，取得拉断伸长率的相对最大值，约3.61%。此外，对比分析可知，添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件的断后伸长率都要高于未添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件。由此可见，聚氨酯的添加有助于提升环氧树脂胶粘剂试件的拉断伸长率。

2.2 弯曲性能

不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂的弯曲应力-应变曲线，结果如图7所示。

由图7可知,不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的相对最大弯曲应力和弯曲应变都明显不同。其中，聚氨酯质量分数为10%时具有相对最大的弯曲拉力，对应的弯曲应变也相对最高。

图7 不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件的弯曲应力-应变曲线

不同聚氨酯含量的环氧树脂胶粘剂试件弯曲强度的测试结果，具体如图8所示。

图8 不同聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂试件的弯曲强度的影响

由图8可知,环氧树脂胶粘剂试件的弯曲强度随着聚氨酯含量增加呈先增加后减小的态势，在聚氨酯质量分数为10%时取得弯曲强度的相对最大值，约122.22 MPa，相较于未添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件约提高了25%。当聚氨酯质量分数超过10%时，继续增加聚氨酯质量分数会使得试件的弯曲强度有一定程度减小；但是仍然高于未添加聚氨酯的试件。由此可见，添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件的弯曲强度都要高于未添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件，聚氨酯添加可以在一定程度上提高试件的弯曲强度，这与聚氨酯添加与环氧树脂发生了化学反应而形成聚合网格结构有关。

聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂试件弯曲模量的影响，结果如图9所示。

由图9可知,环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量随着聚氨酯含量增加并不呈线性变化，且变化幅度较小。聚氨酯质量分数为5%和10%时，环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量都高于聚氨酯质量分数为0%的试件，弯曲模量分别为3.22、3.20 GPa；随着聚氨酯质量分数的继续增加，环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量有所降低；但是仍然高于聚氨酯质量分数为0%的试件。由此表明，聚氨酯添加会一定程度提高环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量。这主要是因为当在环氧树脂胶粘中添加聚氨酯时，聚氨酯会与环氧树脂发生化学反应而形成聚合物网格结构，从而在增强环氧树脂胶粘剂试件弯曲强度的同时，一定程度上提升了弯曲模量。

图9 聚氨酯含量对环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量的影响

3 结语

(1)随着羽毛球器械用环氧树脂中改性剂聚氨酯质量分数从0%～20%，环氧树脂胶粘剂的硬度呈现逐渐降低的趋势。在聚氨酯质量分数为20%时，改性胶粘剂的显微硬度降低至22.41 MPa，相较于未添加聚氨酯的胶粘剂的硬度约降低了14.0%。改性剂聚氨酯的添加会使得环氧树脂胶粘剂硬度呈现不同程度的降低，且聚氨酯含量越高、则胶粘剂硬度越低；

(2)羽毛球器械用环氧树脂胶粘剂试件的抗拉强度随着聚氨酯含量增加呈先增加后减小的态势，在聚氨酯质量分数为10%时取得抗拉强度的相对最大值，约62.23 MPa。随着聚氨酯质量分数从0%～20%，环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量并不呈线性变化，且变化幅度较小；

(3)随着聚氨酯质量分数从0%～20%，羽毛球器械用环氧树脂胶粘剂试件的弯曲强度呈先增加后减小的态势。在聚氨酯质量分数为10%时，取得了弯曲强度的相对最大值，约122.22 MPa，相较于未添加聚氨酯的环氧树脂胶粘剂试件约提高了25%。聚氨酯添加会在一定程度提高环氧树脂胶粘剂试件的弯曲模量。