聚氨酯对羽毛球用环氧树脂胶粘剂的影响

肖 欢 ，王 英 ，孙荣辉 ，燕富香 ，苏 强 ，陈文新 ，王兆松

(1.渭南师范学院，陕西 渭南 714000； 2.陕西财经职业技术学院，陕西 咸阳 712000；3.西安体育学院，陕西 西安 710000； 4.渭南市瑞泉高中，陕西 渭南 714000；5.汉中南郑区高台中学，陕西 汉中 723000； 6.汉中郑南区铁峪九年制学校，陕西 汉中 723000)

羽毛球是一项风靡全国的体育运动，在国内受到众多体育爱好者的欢迎[1]。而羽毛球作为羽毛球运动的器材之一，其质量的好坏关乎着这项运动的运动效果[2-3]。羽毛球最为主要的性能是其粘接性能，传统的羽毛球制作流程中会用到环氧树脂胶粘剂，其可以使羽毛球具有较好的粘接性能[4-5]。但普遍应用于羽毛球中的环氧树脂胶粘剂虽然拥有较好的韧性，但其拉伸性能、耐热性能以及弯曲性能等方面却不如人意[6-7]。怎样保持环氧树脂胶粘剂在较高的韧性强度下，还能拥有较高的拉伸性能、弯曲性能以及耐热性能具有重要意义[8-9]。聚氨酯是一种具备良好的抗冲击特性和抗剪切强度的胶粘剂[10]。，研究拟使用聚氨酯对环氧树脂胶粘剂进行改善，分析聚氨酯对环氧树脂胶粘剂性能的具体影响，为高性能的环氧树脂胶粘剂的开发提供新的思路。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验中需要用到的环氧树脂胶粘剂是一种包括2个以上环氧基的高分子预聚物，由于其胶粘性能优异且价格低廉，故其被广泛应用于各个领域[11-12]。不同种类的环氧树脂具有不同的化学结构与性质，传统的双酚环氧树脂的结构如图1所示[13]。

图1 传统的双酚环氧树脂结构图Fig.1 Structure diagram of traditional bisphenol epoxy resin

从图1可以看出，传统的双酚环氧树脂中两端为环氧基，环氧基可以帮助提高整体的化学反应活性；而处于其结构中的醚键、羟基、苯环的作用分别是提高环氧树脂的耐腐蚀性能、粘接性能以及耐热性能。环氧树脂可通过固化变得更加稳定，一般使用固化剂将其固化，在固化过程中，其分子结构中的环氧基会发生一系列化学反应，最后生成一种网状交联物质[14-15]。对于环氧树脂来说，随着其环氧值数值的增大，其施工可操作性越强。从各方面综合考虑，研究选取来自广州市三昌化工有限公司的E-51型双酚环氧树脂作为实验材料，其主要技术指标如表1所示。

表1 E-51型双酚环氧树脂主要技术指标Tab.1 Main technical indicators of E-51 type bisphenol epoxy resin

如表1所示，选取的广州市三昌化工有限公司的E-51型双酚环氧树脂的技术指标均在环氧树脂的技术要求内，说明该E-51型双酚环氧树脂可作为原材料进行实验。除了选取环氧树脂外，还需要对增韧材料聚氨酯进行选取，聚氨酯拥有较好的弹性性能，在进行选择时尽量选择结构规整的聚氨酯，利于其转换为固体状态[16-17]。根据各方面性能评估，研究选取张家港雅瑞化工有限公司的PTMG-NDI型聚氨酯作为实验采用的聚氨酯预聚体，在聚氨酯预聚体使用前需要预热和真空处理消除其中的气泡。研究选用的聚氨酯预聚体的主要技术指标如表2所示。

表2 研究选用聚氨酯预聚体主要技术指标Tab.2 The main technical indicators of the research and selection of polyurethane prepolymers

由表2可知，研究选取的张家港雅瑞化工有限公司的PTMG-NDI型聚氨酯预聚体的主要技术指标均符合技术要求，说明该聚氨酯预聚体可作为原材料进行本实验。除了两大主要原材料外，还需要用到脱模剂、固化剂、99.5%纯度乙醇，研究分别选用宿州云峰高分子材料有限公司的工业级二氨基二苯砜固化剂、山东荣圣化工有限公司的工业级脱模剂以及武汉兴德顺化工有限公司的无水乙醇进行实验。研究选用的仪器设备：实验室JY3003型电子天平(广州市予华仪器有限公司)、KQ-700V超声波清洗机(昆山市超声仪器有限公司)、DZF-6010电热真空干燥箱(河南麦克斯仪器有限公司)、JB-300B型摆锤冲击试验机(计测山东试验机有限公司)、TGA-601热重分析仪(南京汇诚仪器仪表有限公司)、爱测易HV-1000A加高型数显显微维氏硬度计(东莞市快捷量具仪器有限公司)以及WDW微机控制电子万能试验机(上海华龙测试仪器有限公司)。

1.2 实验方法

为了更好地分析聚氨酯含量对环氧树脂的性能影响，配置5种不同质量分数的聚氨酯改性环氧树脂浇注体进行探究[18-19]。5种不同的聚氨酯质量分数分别为0%、5%、10%、15%和20%，实验配置聚氨酯改性环氧树脂浇注体的具体过程如图2所示。

图2 聚氨酯环氧树脂制备流程Fig.2 Preparation process of polyurethane epoxy resin

从图2可以看出，为聚氨酯环氧树脂浇注体的制备流程，该制备流程的第1步是将E-51型双酚环氧树脂和PTMG-NDI型聚氨酯预聚体在温度80 ℃的条件下进行预反应，该过程的目的是去除聚氨酯预聚体中的气泡。第2步是将预反应后的产物与固化剂二氨基二苯砜在温度120 ℃的条件下进行混合，并利用机械搅拌的方式使其混合均匀；该过程的目的是利用固化剂和环氧树脂进行不可逆的化学反应生成一种三维网状物质，从而提高整个体系的稳定性和机械强度。在形成聚氨酯改性环氧树脂固化体系后，将其进行浇注操作形成特定的模具，将模具在温度150 ℃条件下放置2 h后，再将其放置在温度200 ℃的环境下2 h进行固化操作。最后将固化后的生成物质进行脱模操作即可得到不同质量分数的聚氨酯改性环氧树脂浇注体。

将实验所需要的不同质量分数的聚氨酯环氧树脂浇注体制备完成后，为了更好地对不同质量分数的聚氨酯环氧树脂浇注体性能进行对比，就冲击性能、硬度、拉伸性能、弯曲性能、耐热性能5个维度进行比较[20]。其中采用HV-1000A加高型数显显微维氏硬度计对不同质量分数的聚氨酯环氧树脂的硬度进行测量，测量时保持15 s的载荷时间且取5次结果的平均值；冲击性能的测试，按照塑料简支梁冲击性能测定的国家标准在JB-300B型摆锤冲击试验机上测试不同质量分数的聚氨酯环氧树脂的冲击性能；利用WDW微机控制电子万能试验机对所有聚氨酯环氧树脂的拉伸强度和断裂延伸率进行测试，测试速度为2 mm/min，温度为25 ℃；弯曲性能的测试，利用WDW微机控制电子万能试验机对不同质量分数的聚氨酯环氧树脂进行弯曲实验，测试其弯曲强度和弯曲变形情况，实验速度为2 mm/min，温度为25 ℃；利用TGA-601热重分析仪对不同质量分数的聚氨酯环氧树脂进行热稳定分析。

2 实验结果分析

2.1 冲击性能和硬度

利用冲击性能测试方法和硬度测试方法分别对5种不同聚氨酯质量分数的聚氨酯环氧树脂的冲击性能和硬度进行检测，检测结果如图3所示。

(a)聚氨酯硬度

(b)聚氨酯冲击强度图3 5种不同聚氨酯质量分数的硬度和冲击强度对比图Fig.3 Comparison of hardness and impact strength of five different polyurethane mass fractions

从图3(a)可以看出，未添加聚氨酯时环氧树脂的硬度为26.56 MPa，随着添加聚氨酯的质量分数越来越大，环氧树脂的硬度越来越小。当添加聚氨酯的质量分数为20%时，改性环氧树脂的硬度为22.53 MPa，下降幅度约为13.9%。该结果说明聚氨酯的添加会降低环氧树脂胶粘剂的硬度，且添加的聚氨酯量越多，环氧树脂胶粘剂的硬度下降越多；其原因是聚氨酯会破坏环氧树脂结构中的异氰酸酯基，导致其交联密度降低，硬度也随之降低。

从图3(b)可以看出，未添加聚氨酯时环氧树脂的冲击强度为6.53 kJ/m2，随着聚氨酯质量分数的增大，改性环氧树脂的冲击强度呈现先增加后降低的趋势。当聚氨酯质量分数为10%时，改性环氧树脂有最大冲击强度，为13.96 kJ/m2，增加幅度约为113.8%。该结果说明聚氨酯质量分数不是越高越好，在其为10%时，改性环氧树脂的冲击强度最好。

2.2 拉伸性能

拉伸性能是环氧树脂非常重要的一项指标，研究主要从拉伸应力、抗拉伸强度以及断裂延伸率对拉伸性能进行评价，5种不同聚氨酯质量分数的改性环氧树脂的上述3个指标的结果如图4所示。

图4 不同聚氨酯质量分数的拉伸性能对比Fig.4 Comparison of tensile properties of different polyurethane mass fractions

从图4(a)可以看出，随着聚氨酯质量分数的变化，改性环氧树脂的拉伸应力以及拉伸应变程度都明显不同。在实验的5种不同聚氨酯质量分数中，当聚氨酯质量分数为10%时，其拉伸应力最大，且对应的拉伸应变也最高；而未加入聚氨酯的环氧树脂的拉伸应力最小，且对应的拉伸应变也最低。

从图4(b)可以看出，随着聚氨酯质量分数的增加，环氧树脂的抗拉伸强度和断裂生长率呈现先增加后减小的趋势，其最大值都在聚氨酯质量分数为10%时，此时抗拉伸强度为61.86 MPa、断裂延伸率为3.48%，且未添加聚氨酯的环氧树脂的抗拉伸强度和断裂生长率均为最低。从上述结果分析表明，聚氨酯可以提高环氧树脂的抗拉强度和断裂延伸率，从而提高环氧树脂的拉伸性能，且其质量分数为10%时具有最好的拉伸性能。

2.3 弯曲性能

除了拉伸性能外，弯曲性能也是环氧树脂非常重要的一项指标，研究主要从弯曲应力、弯曲强度以及弯曲模量对拉伸性能进行评价；5种不同聚氨酯质量分数的改性环氧树脂的上述3个指标的结果如图5所示。

图5 不同聚氨酯质量分数的弯曲性能对比Fig.5 Comparison of bending properties of different polyurethane mass fractions

从图5(a)可以看出，不同聚氨酯质量分数的环氧树脂的拉伸应力和弯曲应变均不同，且在聚氨酯质量分数为10%时，其具有最高的弯曲应变0.055%和弯曲应力121.6 MPa。

从图5(b)可以看出，随着聚氨酯质量分数的增加，环氧树脂的弯曲强度和弯曲模量均呈现先增加后减小的趋势，且其最大值都在聚氨酯质量分数为10%时，弯曲强度的最大值为119.69 MPa，弯曲模量的最大值为3.12 GPa。从上述结果分析表明，聚氨酯可以提高环氧树脂的弯曲应变、弯曲强度以及弯曲模量，从而提高环氧树脂的弯曲性能，且其质量分数为10%时具有最好的弯曲性能。

2.4 耐热性能

耐热性能也是环氧数值的一项重要指标，可以通过该指标对环氧树脂的性能进行评价，研究选用质量分数分别为0%和10%的2种聚氨酯环氧树脂进行耐热性能的实验；2种聚氨酯环氧树脂的热重分析(TGA)曲线如图6所示。

图6 2种质量分数的环氧树脂胶粘剂的TGA曲线Fig.6 TGA curves of epoxy resin adhesives with two mass fractions

从图6可以看出，聚氨酯质量分数为10%的环氧树脂的起始分解温度为138.3 ℃，高于未添加聚氨酯的环氧树脂的123.8 ℃；聚氨酯质量分数为10%的环氧树脂最大失重率的温度为451.2 ℃，也高于未添加聚氨酯的环氧树脂的443.5 ℃。将2种环氧树脂的数据进行对比可以发现，添加聚氨酯至聚氨酯质量分数为10%的环氧树脂的起始分解温度和最大失重率对应的温度分别上升了14.5 ℃和7.7 ℃；由此可以得出，在环氧树脂中添加聚氨酯可以提升环氧树脂的热稳定性。通过上述不同类型的性能对比发现，添加聚氨酯可以使环氧树脂的整体性能得到提升，具有更高的实用性，利用改善后的环氧树脂作为原材料制作羽毛球，可以提高羽毛球的性能。

3 结语

针对羽毛球用环氧树脂性能不足的问题，研究提出将聚氨酯加入环氧树脂中提高其性能，研究通过环氧树脂、聚氨酯以及固化剂混合配置聚氨酯质量分数不同的环氧树脂浇注体，并对5种不同的聚氨酯环氧树脂浇注体进行基本性质、拉伸性能、弯曲性能以及热稳定性的性能对比实验。结果显示，聚氨酯质量分数为10%的环氧树脂的冲击强度为13.8 kJ/m2，优于未添加聚氨酯的6.9 kJ/m2；其抗拉伸强度、断裂延伸率、弯曲强度、弯曲模量、起始分解温度以及最大失重率对应温度分别为61.86 MPa、3.48%、119.69 MPa和3.12 GPa、138.3 ℃和451.2 ℃，均优于未添加聚氨酯的环氧树脂。结果表明，在环氧树脂中添加聚氨酯可对环氧树脂的弯曲性能、拉伸性能以及热稳定性能进行提升，且当聚氨酯质量分数为10%时，其提升效果最好。