聚氨酯对羽毛球用环氧树脂胶粘剂的影响

摘要

为了提升羽毛球用环氧树脂胶粘剂的性能，研究制作聚氨酯质量分数分别为 ０％ 、５％ 、１０％ 、１５％ 和２０％ 的５种聚氨酯环氧树脂进行性能对比实验，分别对比其基本性质、拉伸性能、弯曲性能以及热稳定性。当聚氨酯质量分数为 １０％ 时，环氧树脂抗拉伸强度和断裂延伸率分别为 ６１． ８６ ＭＰａ 和 ３． ４８％ ，弯曲强度和弯曲模量分别为 １１９． ６９ ＭＰａ 和 ３． １２ ＧＰａ，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。

关键词

聚氨酯；环氧树脂；拉伸性能；胶粘剂性能

引言

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。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。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。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。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。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。，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

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。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。

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。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。

如表 １ 所示，选取的的 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。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。

由表 ２ 可知，研究选取的的 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，研究分别选用的工业级二氨基二苯砜固化剂、的工业级脱模剂以及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（）、ＫＱ － ７００Ｖ 超声波清洗机（）、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）、ＴＧＡ － ６０１ 热重分析仪（）、爱测易 ＨＶ － １０００Ａ 加高型数显显微维氏硬度计（东莞市快捷量具） 以及ＷＤＷ 微机控制电子万能试验机（上海华龙测试）。

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。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。

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。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 结果与讨论

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。

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。

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。

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。

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 论

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。

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