防護用品中納米改性的增強軟質聚氨酯泡沫抗沖擊性能研究

王 峰

(榆林學院,陜西 榆林 719000)

隨著體育運動事業的快速發展以及軟質聚氨酯泡沫的廣泛應用,人們對防護用品的綜合性能提出了更高的要求,更加關注材料的緩沖吸能特性。對于聚氨酯泡沫材料力學強度和抗沖擊性能方面的深入研究,有助于開發出更加優良的體育產品,對于提升運動員的運動質量、競賽成績以及保障運動員的生命安全有著重要意義。因此,采用納米二氧化硅微球對軟質聚氨酯泡沫進行改性,并設計抗沖擊性能試驗對材料的吸能特性進行了測試,分析與探討該材料在防護裝備方面的應用。

1 防護用品中軟質聚氨酯泡沫的改性與應用

1.1 軟質聚氨酯泡沫的改性

聚氨酯泡沫材料按物理性能可分為硬質、軟質、半硬質以及特種聚氨酯泡沫塑料這幾類。其中軟質聚氨酯泡沫的密度低、導熱系數低、形狀恢復性好,被廣泛應用于家具墊材、包裝材料、體育防護用品等領域[1]。近年來,對于該材料緩沖性能、力學強度的增強改性主要集中于纖維增強、聚合物合金增強和納米增強三面。

常用于纖維增強改性的材料有碳纖維、玻璃纖維、無機人造纖維等,主要通過混雜效應增強該材料的抗沖擊強度[2]。采用短切玻璃纖維增強聚氨酯泡沫,形成被泡孔包圍的纖維柱體材料,能夠提升復合材料的壓縮模量和屈服應力,降低泡孔在沖擊下的扭曲變形。聚合物合金是2種以上材料,形成互穿網絡聚合物以實現不同聚合物各自優勢的互補,完善復合材料的各項強度和性能。采用納米材料填充改性聚氨酯泡沫,不僅能夠調整控制泡沫制品的泡孔結構,還能改善其力學性能和導熱性能等。

1.2 在體育防護用品中的應用

在不同種類的健身器械、運動設施以及防護用具等體育用品的制備中,都需要制作材料具備優良的彈性、韌性、抗沖擊性等。聚氨酯及其泡沫材料因其具有較好的耐磨性、機械強度、吸震和沖擊防護性能,尤其符合體育運動防護產品的制備需求,因此,被廣泛用于各種競技場地、室外跑道、室內跑道的生產和加工,還常作為護膝、護背、護肘、防護頭盔以及運動鞋底的減震防護材料。其抗沖擊性能優于現有的一般防護用品[3-5]。

2 納米增強軟質聚氨酯泡沫材料制備

納米二氧化硅微球有著穩定性好、機械強度高以及分散性好等性能優勢,因此選用納米二氧化硅微球對軟質聚氨酯泡沫材料進行增強改性。目前制備二氧化硅微球的方法主要有氣相法、反相微乳法、溶膠-凝膠法等,其中溶膠-凝膠法是目前最主要的制備方法,對設備的要求低、生產成本低[6]。所用實驗材料有正硅酸乙酯(分析純)、三乙烯四胺(分析純)、無水乙醇和氯化鉀等。

納米二氧化硅微球的制備步驟為,將所需器皿清洗干凈并烘干備用,將去離子水和無水乙醇按照體積比1∶5加入錐形瓶,然后加入5 mL濃度為1 mol/L的三乙烯四胺,將錐形瓶放于磁力攪拌器上以一定的轉速攪拌均勻,攪拌的同時向其中緩慢加入2 mL正硅酸乙酯,幾分鐘后混合溶液就由澄清變為乳白色渾濁狀態,攪拌數小時后,靜置分離產物,用無水乙醇和超純水交替清洗多次,最后放置于真空干燥箱中在60 ℃條件下干燥,制得納米二氧化硅微球[7-8]。

然后將計量的多元醇和制得的納米微球以及一些化學助劑以特定工藝混合均勻,配成A料,異氰酸酯作為B料。將兩種原料溫度控制在20～30 ℃,加入容器中攪拌均勻,然后澆注到體育防護用具的模具中,制備工藝流程如圖1所示。

圖1 納米微球增強聚氨酯泡沫材料制備工藝流程

3 納米增強軟質聚氨酯泡沫材料的抗沖擊性能

3.1 動態沖擊性能

由于軟質材料的強度較低、吸能性能較差,限制了泡沫材料的應用范圍。近年來,常會向軟質材料中填充固體顆?；蛘衬z液,以增強材料在沖擊條件下的吸能性能?；羝战鹚箟簵U(SHPB)實驗是該類研究常用動態試驗方法,所用裝置為霍普金森桿裝置,基于該裝置檢驗子彈不同沖擊速度下納米增強軟質聚氨酯泡沫材料的抗沖擊性能,并與主要應用于極限運動護具中密度為0.62 g/cm3的D30材料作對比。實驗所用子彈、入射桿和透射桿均為鋁合金材質,直徑均為19 mm,長度分別為300、1 800和1 500 mm。泡沫材料的密度為0.49～0.52 g/cm3,將制備的泡沫材料裁切為φ14 mm×5 mm 的圓柱體,編號為1#、2#、3#、4#。

經測試發現,所有試樣在受到應變作用下逐漸展現出應變能量密度平緩上升趨勢,D30材料和2#、3#、4#材料具有明顯的應變率強化效應。這幾種材料均有良好的吸能性能,單位質量吸能能力由大到小排序為:D30、4#、3#、2#、1#。相比于D30材料,軟質聚氨酯泡沫材料更加柔軟,相同應變情況下的應變能量密度更低[9-10]。且隨著應變程度的加大,所有材料中4#材料吸能能力最接近D30材料,其他3種彼此較為相近,在應變力為35%時,4#材料單位質量吸能能力約為D30材料的85%。

3.2 落錘沖擊性能

利用落錘試驗機對納米增強軟質聚氨酯泡沫材料進行抗沖擊性能測試,并設定了室溫(23 ℃)和低溫(-10 ℃)環境下的對照試驗。試驗所用聚氨酯泡沫材料樣品的厚度統一為10 mm,硬度有5種,分別為20～60 HA;待測材料的密度不一,制備樣品時經調控所得,位于0.2～0.6 g/cm3。分別測定室溫和低溫環境下,聚氨酯泡沫材料在不同沖擊能量作用下隨密度和硬度分別表現出的抗沖擊性能,以室溫條件為例,不同硬度和密度的泡沫材料的抗沖擊吸能結果如圖2所示[11]。

圖2 落錘沖擊吸能隨密度和硬度的變化趨勢

由圖2可知,在室溫環境下,納米增強軟質聚氨酯泡沫材料的抗沖擊吸能特性優良,可滿足防護用具性能需求。每個試樣在沖擊力為10 J時,其穿透力均在1～3 kN內,差距甚微,密度變化對材料穿透力的影響很小。沖擊力較大時,密度和硬度數值的變化對材料抗沖擊性能影響較為明顯。在50 J的沖擊作用下,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,在更高的沖擊能量作用下,高密度泡沫材料具備更優異的抗沖擊性能。

同樣以上述方式測定出低溫環境下泡沫材料的抗沖擊性能變化趨勢。在低溫環境下,密度的改變對泡沫材料的抗沖擊性能影響較明顯,低密度材料具備更優異的吸能特性。

D30 類材料雖然吸能特性突出,但其耐撕裂性能弱,采用三維編織纖維布進行力學強度優化,將圖1制備工藝中所需原材料以一定比例混合均勻,澆注在模具中發泡固化,制得納米增強/三維編織復合泡沫樣品。并同樣進行落錘沖擊試驗,給予樣品表面50 J的沖擊,落錘施加沖擊作用的面積為40 mm×80 mm,測試基于三維編織纖維布優化后的材料的抗沖擊性能,表1所示即為對比結果。

表1 納米增強/三維編織泡沫材料抗沖擊性能結果

由表1可知,2種純納米增強泡沫材料相比,其沖擊力峰值降低2 kN左右?？梢?三維編織纖維布的預埋制得的泡沫材料抗沖擊能力更加突出,可較好滿足體育運動防護用品的使用需求,且其吸能特性可與D30材料媲美。

3.3 泡沫樣品的沖擊波衰減特性

為測試運動危險系數較高的情況下防護用具的防護特性,基于納米增強軟質聚氨酯泡沫材料進行炸藥爆炸沖擊波的衰減試驗。裁剪得到長度和寬度均為100 mm、厚4 mm的泡沫材料,材料的密度固定為0.45 g/cm3,將泡沫材料疊加,并于第1塊的泡沫材料和100 g TNT藥柱中間位置、中間層背面位置以及最下層背面中心位置,各放置一個壓力傳感器。最終測得的各電壓和沖擊波超壓分別為:第1個傳感器,-3.60 V,16.3 GPa;第2個傳感器,-1.15 V,1.6 GPa;第3個傳感器,0.46 V,0.51 GPa。傳感器測得的不同泡沫厚度下沖擊波超壓的變化如圖3所示。

圖3 泡沫材料沖擊波超壓隨厚度的變化

由圖3可見,泡沫材料的沖擊波超壓對數值與材料厚度之間呈線性變化。3塊泡沫材料疊加進行爆炸沖擊防護,能夠將超壓為16.3 GPa的沖擊波衰減到0.51 GPa左右,證實了該泡沫材料優異的沖擊波衰減特性,能夠較好滿足彈藥殉爆高速破片防護需求[12-13]。

4 結語

軟質聚氨酯泡沫材料在家具墊材、包裝材料、體育防護用品等領域應用廣泛,人們對于該材料的納米增強改性研究也逐漸深入。經納米增強軟質聚氨酯泡沫材料的制備和抗沖擊性能測試證實,該材料的吸能能力幾乎可以和D30材料相媲美,經落錘沖擊試驗表明采用該材料制備而成的防護用具有著較好的緩沖防護性能,可以初步確認其能夠較好應用于體育防護用品領域。