防护用品中纳米改性的增强软质聚氨酯泡沫抗冲击性能研究

王 峰

(榆林学院,陕西 榆林 719000)

随着体育运动事业的快速发展以及软质聚氨酯泡沫的广泛应用,人们对防护用品的综合性能提出了更高的要求,更加关注材料的缓冲吸能特性。对于聚氨酯泡沫材料力学强度和抗冲击性能方面的深入研究,有助于开发出更加优良的体育产品,对于提升运动员的运动质量、竞赛成绩以及保障运动员的生命安全有着重要意义。因此,采用纳米二氧化硅微球对软质聚氨酯泡沫进行改性,并设计抗冲击性能试验对材料的吸能特性进行了测试,分析与探讨该材料在防护装备方面的应用。

1 防护用品中软质聚氨酯泡沫的改性与应用

1.1 软质聚氨酯泡沫的改性

聚氨酯泡沫材料按物理性能可分为硬质、软质、半硬质以及特种聚氨酯泡沫塑料这几类。其中软质聚氨酯泡沫的密度低、导热系数低、形状恢复性好,被广泛应用于家具垫材、包装材料、体育防护用品等领域[1]。近年来,对于该材料缓冲性能、力学强度的增强改性主要集中于纤维增强、聚合物合金增强和纳米增强三面。

常用于纤维增强改性的材料有碳纤维、玻璃纤维、无机人造纤维等,主要通过混杂效应增强该材料的抗冲击强度[2]。采用短切玻璃纤维增强聚氨酯泡沫,形成被泡孔包围的纤维柱体材料,能够提升复合材料的压缩模量和屈服应力,降低泡孔在冲击下的扭曲变形。聚合物合金是2种以上材料,形成互穿网络聚合物以实现不同聚合物各自优势的互补,完善复合材料的各项强度和性能。采用纳米材料填充改性聚氨酯泡沫,不仅能够调整控制泡沫制品的泡孔结构,还能改善其力学性能和导热性能等。

1.2 在体育防护用品中的应用

在不同种类的健身器械、运动设施以及防护用具等体育用品的制备中,都需要制作材料具备优良的弹性、韧性、抗冲击性等。聚氨酯及其泡沫材料因其具有较好的耐磨性、机械强度、吸震和冲击防护性能,尤其符合体育运动防护产品的制备需求,因此,被广泛用于各种竞技场地、室外跑道、室内跑道的生产和加工,还常作为护膝、护背、护肘、防护头盔以及运动鞋底的减震防护材料。其抗冲击性能优于现有的一般防护用品[3-5]。

2 纳米增强软质聚氨酯泡沫材料制备

纳米二氧化硅微球有着稳定性好、机械强度高以及分散性好等性能优势,因此选用纳米二氧化硅微球对软质聚氨酯泡沫材料进行增强改性。目前制备二氧化硅微球的方法主要有气相法、反相微乳法、溶胶-凝胶法等,其中溶胶-凝胶法是目前最主要的制备方法,对设备的要求低、生产成本低[6]。所用实验材料有正硅酸乙酯(分析纯)、三乙烯四胺(分析纯)、无水乙醇和氯化钾等。

纳米二氧化硅微球的制备步骤为,将所需器皿清洗干净并烘干备用,将去离子水和无水乙醇按照体积比1∶5加入锥形瓶,然后加入5 mL浓度为1 mol/L的三乙烯四胺,将锥形瓶放于磁力搅拌器上以一定的转速搅拌均匀,搅拌的同时向其中缓慢加入2 mL正硅酸乙酯,几分钟后混合溶液就由澄清变为乳白色浑浊状态,搅拌数小时后,静置分离产物,用无水乙醇和超纯水交替清洗多次,最后放置于真空干燥箱中在60 ℃条件下干燥,制得纳米二氧化硅微球[7-8]。

然后将计量的多元醇和制得的纳米微球以及一些化学助剂以特定工艺混合均匀,配成A料,异氰酸酯作为B料。将两种原料温度控制在20～30 ℃,加入容器中搅拌均匀,然后浇注到体育防护用具的模具中,制备工艺流程如图1所示。

图1 纳米微球增强聚氨酯泡沫材料制备工艺流程

3 纳米增强软质聚氨酯泡沫材料的抗冲击性能

3.1 动态冲击性能

由于软质材料的强度较低、吸能性能较差,限制了泡沫材料的应用范围。近年来,常会向软质材料中填充固体颗粒或粘胶液,以增强材料在冲击条件下的吸能性能。霍普金斯压杆(SHPB)实验是该类研究常用动态试验方法,所用装置为霍普金森杆装置,基于该装置检验子弹不同冲击速度下纳米增强软质聚氨酯泡沫材料的抗冲击性能,并与主要应用于极限运动护具中密度为0.62 g/cm3的D30材料作对比。实验所用子弹、入射杆和透射杆均为铝合金材质,直径均为19 mm,长度分别为300、1 800和1 500 mm。泡沫材料的密度为0.49～0.52 g/cm3,将制备的泡沫材料裁切为φ14 mm×5 mm 的圆柱体,编号为1#、2#、3#、4#。

经测试发现,所有试样在受到应变作用下逐渐展现出应变能量密度平缓上升趋势,D30材料和2#、3#、4#材料具有明显的应变率强化效应。这几种材料均有良好的吸能性能,单位质量吸能能力由大到小排序为:D30、4#、3#、2#、1#。相比于D30材料,软质聚氨酯泡沫材料更加柔软,相同应变情况下的应变能量密度更低[9-10]。且随着应变程度的加大,所有材料中4#材料吸能能力最接近D30材料,其他3种彼此较为相近,在应变力为35%时,4#材料单位质量吸能能力约为D30材料的85%。

3.2 落锤冲击性能

利用落锤试验机对纳米增强软质聚氨酯泡沫材料进行抗冲击性能测试,并设定了室温(23 ℃)和低温(-10 ℃)环境下的对照试验。试验所用聚氨酯泡沫材料样品的厚度统一为10 mm,硬度有5种,分别为20～60 HA;待测材料的密度不一,制备样品时经调控所得,位于0.2～0.6 g/cm3。分别测定室温和低温环境下,聚氨酯泡沫材料在不同冲击能量作用下随密度和硬度分别表现出的抗冲击性能,以室温条件为例,不同硬度和密度的泡沫材料的抗冲击吸能结果如图2所示[11]。

图2 落锤冲击吸能随密度和硬度的变化趋势

由图2可知,在室温环境下,纳米增强软质聚氨酯泡沫材料的抗冲击吸能特性优良,可满足防护用具性能需求。每个试样在冲击力为10 J时,其穿透力均在1～3 kN内,差距甚微,密度变化对材料穿透力的影响很小。冲击力较大时,密度和硬度数值的变化对材料抗冲击性能影响较为明显。在50 J的冲击作用下,同一密度下材料的硬度越高穿透力就越低,同一硬度下材料的密度越高,穿透力也越低。因此,在更高的冲击能量作用下,高密度泡沫材料具备更优异的抗冲击性能。

同样以上述方式测定出低温环境下泡沫材料的抗冲击性能变化趋势。在低温环境下,密度的改变对泡沫材料的抗冲击性能影响较明显,低密度材料具备更优异的吸能特性。

D30 类材料虽然吸能特性突出,但其耐撕裂性能弱,采用三维编织纤维布进行力学强度优化,将图1制备工艺中所需原材料以一定比例混合均匀,浇注在模具中发泡固化,制得纳米增强/三维编织复合泡沫样品。并同样进行落锤冲击试验,给予样品表面50 J的冲击,落锤施加冲击作用的面积为40 mm×80 mm,测试基于三维编织纤维布优化后的材料的抗冲击性能,表1所示即为对比结果。

表1 纳米增强/三维编织泡沫材料抗冲击性能结果

由表1可知,2种纯纳米增强泡沫材料相比,其冲击力峰值降低2 kN左右。可见,三维编织纤维布的预埋制得的泡沫材料抗冲击能力更加突出,可较好满足体育运动防护用品的使用需求,且其吸能特性可与D30材料媲美。

3.3 泡沫样品的冲击波衰减特性

为测试运动危险系数较高的情况下防护用具的防护特性,基于纳米增强软质聚氨酯泡沫材料进行炸药爆炸冲击波的衰减试验。裁剪得到长度和宽度均为100 mm、厚4 mm的泡沫材料,材料的密度固定为0.45 g/cm3,将泡沫材料叠加,并于第1块的泡沫材料和100 g TNT药柱中间位置、中间层背面位置以及最下层背面中心位置,各放置一个压力传感器。最终测得的各电压和冲击波超压分别为:第1个传感器,-3.60 V,16.3 GPa;第2个传感器,-1.15 V,1.6 GPa;第3个传感器,0.46 V,0.51 GPa。传感器测得的不同泡沫厚度下冲击波超压的变化如图3所示。

图3 泡沫材料冲击波超压随厚度的变化

由图3可见,泡沫材料的冲击波超压对数值与材料厚度之间呈线性变化。3块泡沫材料叠加进行爆炸冲击防护,能够将超压为16.3 GPa的冲击波衰减到0.51 GPa左右,证实了该泡沫材料优异的冲击波衰减特性,能够较好满足弹药殉爆高速破片防护需求[12-13]。

4 结语

软质聚氨酯泡沫材料在家具垫材、包装材料、体育防护用品等领域应用广泛,人们对于该材料的纳米增强改性研究也逐渐深入。经纳米增强软质聚氨酯泡沫材料的制备和抗冲击性能测试证实,该材料的吸能能力几乎可以和D30材料相媲美,经落锤冲击试验表明采用该材料制备而成的防护用具有着较好的缓冲防护性能,可以初步确认其能够较好应用于体育防护用品领域。