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摘 要：足球运动具有一定的危险性，为了降低运动员受伤程度，需要使用到相关的防护用具，为了提高防护用具的效果，其中所使用到的材料非常关键。文章将研究一种HGB/TPU复合泡沫材料，该材料具有很强的吸收冲击荷载能力，而且质量轻、力学性能较好，作为足球运动防护用具材料将能够起到较好的防护作用。所以文章通过实验研究，制备HGB/TPU复合泡沫材料，然后研究其性能。实验结果表明，HGB含量为2%、发泡剂含量为1%、发泡方式为注塑发泡时，能够得到性能更好的材料。
关键词：防护;HGB/TPU复合泡沫材料;性能;制备
中图分类号：TQ328 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0148-04
Abstract：Football has a certain degree of danger. In order to reduce the injury of athletes， it is necessary to use related protective equipment. In order to improve the effect of protective equipment， the materials used in it are very critical. This paper will study a kind of HGB/TPU composite foam material， which has a strong ability to absorb iMPact load， and it has light weight and good mechanical properties. As a protective material for football sports， it will play a better protective role. Therefore， through experimental research， the paper prepared HGB/TPU composite foam material， and then studied its performance. The experimental results show that when the HGB content is 2%， the blowing agent content is 1%， and the foaming method is injection molding foaming， materials with better performance can be obtained.
Key words：protection; HGB/TPU composite foam material; performance; preparation
聚合物泡沫属于一种轻质结构材料，具有很强的吸收冲击荷载能力，而且其隔音和隔热性能都很好，但是泡沫的力学性能比较弱，不能经受住加大力量[1-2]。足球运动具有一定的危险性，容易遭到各种碰撞和摩擦，从而导致运动员受伤，所以在足球运动员在运动过程中会穿戴防护用具，如果将聚合物泡沫作为防护用具的材料，除了不能满足防护用具的力学性能，其他的所有性能都能够满足。如果对聚合物泡沫进行改性研究，增强其力学性能，那么能够在足球运功防护中具有非常好的应用效果。于是文章将主要研究一种HGB/TPU复合泡沫材料，目的在于增强力学性能，从而能够将其运用到足球运动防护中。
TPU就是热塑性聚氨酯，属于一种弹性聚合物，具有减震能力强、强度高、耐化学性能好、耐磨性好、弹性高等热点[3-4]。TPU能够进行再加工，因为其分子结构包含硬段和软段区有序排列[5]。通过发泡处理TPU材料后，能够降低其质量，得到改善材料的作用。HGB就是空心玻璃微珠，属于一种质量较轻的无机非金属材料，具有填充量高、密度低、無应力高度集中、低导热系数等特点[6-7]。将空心玻璃微珠加到聚合物泡沫中，具有降低成本的作用，而且还可以增强发泡材料作用[8]。所以文章通过实验研究制备一种HGB/TPU复合泡沫材料，增强其性能，从而能够在足球运动防护中具有重要作用。
1 实验过程
1.1 实验材料和设备
实验所需材料有热塑性聚氨酯、空心玻璃微珠、硅烷偶联剂、偶氮二甲酰胺、乙醇、正丙胺、氢氧化钠等。
实验所需的设备如表1所示。
1.2 HGB/TPU复合泡沫材料的制备
1.2.1 HGB材料的表面处理
HGB相关的参数如表2所示。首先需要对HGB材料进行筛选，使用的筛选工具为300目到400目的筛子，筛选完成之后，将其使用真空干燥箱进行干燥处理，将干燥箱的温度设置为120℃，干燥时间设置为3h。干燥完成之后进行自然冷却，最后将其放入干燥箱中进行备用。
准备200mL、0.5mol/L的氢氧化钠，然后将5gHGB放入其中进行加热到90℃，然后不停的进行搅拌，搅拌时间为2小时，然后通过使用蒸馏水进行洗涤3次待用。准备100mL环己烷，然后将0.1g正丙胺和5g硅烷偶联剂加入到环己烷中，然后再将刚刚处理好的HGB加入其中，进行加热处理直至70℃，然后回流2h。还需要对其进行洗涤，首先用乙醇洗涤2次，然后还需要使用蒸馏水洗涤3次，最后就是将HGB进行干燥处理2h，使用80℃真空烘箱。
1.2.2 发泡方法
按照一定的比例，将HGB、TPU、加工助剂和AC使用高速混合机进行搅拌均匀即可出料。文章将使用两种发泡方式，分别为注塑发泡和模压发泡。其具体流程分别如下：
（1）模压发泡：首先使用哈克转矩流变仪对混合料进行熔融共混，将该仪器的时间设置为10min，温度设置为175℃，然后将其放入到模具中，再就是对其进行模压泡发，使用的仪器为平板硫化机，将该机器的发泡压力设置为4MPa，温度设置为210℃，最后就是对模具进急速冷却，发泡样品即制作成功。 （2）注塑发泡：对混合料直接使用注射成型机进行注塑发泡，该仪器需要设置的相关工艺参数如表3所示，然后对其进行自然冷却即可得到发泡样品。
1.3 表征
（1）SEM分析。为了分析发泡样品和HGB的表面和断面形貌，分别对两种材料进行冲击断面喷金处理，其中使用到的工具为扫描电子显微镜。
（2）FTIR分析。使用KBr压片法对HGB粉末进行红外光谱分析，其中使用到的仪器为红外光谱分析仪。
2 结果与讨论
2.1 HGB表面处理的效果
TPU和HGB两种材料之间的相容性比较差，于是其很难形成较好的粘接界面，从而不利于在足球运动防护中进行使用，所以通过使用硅烷偶联剂对HGB表面进行处理，从而增强其界面粘接强度，使得复合材料性能变得更加优异。
2.1.1 SEM分析
使用扫描电子显微镜观察HGB经过硅烷偶联剂处理前后的SEM图，如图1所示，其中图1（a）和图1（b）为没有经过硅烷偶联剂处理的图像，图1（b）为放大1000倍的效果，图1（c）和图1（d）为经过硅烷偶联剂处理后的图片，其中图1（d）为放大3000倍的效果。
从图1中可以看出，当没有经过硅烷偶联剂进行表面处理的HGB粒子尺寸大小比较统一，大致在50?m，并且可以看出每个粒子的表面呈现出光滑圆整的样子;而经过硅烷偶联剂处理之后，每个粒子粗糙不平，这是因为粒子表面被硅烷偶联剂所覆盖。HGB和硅烷偶联剂的反应过程如图2所示，从该反应过程中也可以看出经过硅烷偶联剂处理后的HGB表面更好。
2.1.2 FTIR分析
使用硅烷偶联剂处理前后的HGB红外光谱图如图3所示，从图中可以看出，波长大致在3450cm-1时，红外光谱波峰出现了—NH2和—OH伸缩振动叠加峰，其属于硅烷偶联剂中氨基和羟基的特征谱线。另外，在波长为2854cm-1和2923cm-1附近出现了为硅烷偶联剂的成分谱线。总之通过观察上述光谱图，能够说明HGB表面存在硅烷偶联剂的成分，于是具有有效的处理效果。于是将TPU和HGB进行结合时，能够大大提高其结合力。
2.2 发泡方式对复合泡沫材料的结构性能影响
使用AC的含量为1%，HGB的含量设置为2%，然后分析两种不同发泡对HGB/TPU复合泡沫材料断面结构性能的影响。结果如图4所示，图4（a）表示的是模压发泡，图4（b）表示的是注塑发泡。从图中可以看出，使用模压发泡方法制得的泡沫材料其泡孔大小不均匀，而且泡孔稀疏，所以能够说明使用该方式的发泡效果不是很好。而另外一种发泡方式能够得到较好的泡沫材料，从图中可以看出，其泡孔大小均匀分布，泡孔呈现球状。出现这种现象的主要原因在于模压泡发方式中，TPU经过了两次熔融，就会产生一些小分子，就会阻碍泡孔的生长。而另外一种泡发方式是一次性成型，不会受到其他因素的影响，而且操作简单方便，具有较好的发泡效果，因此该发泡方式更加适合于工业化生产中。
2.3 AC含量对复合泡沫材料的结构性能影响
将HGB的含量设置为2%，然后分析AC含量为1%、3%和5%时的断面SEM图片，其结果如图5所示，其中图a、b、c分别代表的是AC含量为1%、3%和5%时的断面SEM图片。
从图5中可以看出，当AC用量存在差别时，HGB/TPU复合泡沫材料的结构性能也会存在明显的差别。当AC含量为1%时，泡孔的分布比较均匀，并且尺寸比较小，形状近似于球形，具有较好的泡孔质量;当AC含量为3%时，泡孔的数量变小，尺寸变大，有些泡孔进行了合并，于是形成更加大的空洞，出现这种现象是因为增加AC含量，能够提高气体发气量造成的。当继续增加AC含量时，即将其增加到5%，此时的SEM图片中泡孔质量比较差，发生了坍塌和变形，所以此时的复合泡沫材料的性能比较差。通过上述说明，当AC含量为1%时，HGB/TPU复合泡沫材料的性能更好。
2.4 HGB含量对复合泡沫材料的结构性能影响
将AC含量设置为1%，然后分析HGB含量为1%、2%、3%时复合泡沫材料的结构性能，结果如图6所示，其中图a、b、d分别表示的是HGB含量为1%、2%、3%时复合泡沫材料的SEM图片，图c表示的是將图b放大到250倍的效果。从图中可以看出，当HGB含量是1%时，泡孔的数量比较少，而且尺寸大，说明其泡孔质量不好，当增加HGB含量到2%时，泡孔的数量增多，尺寸大小变下，而且其形状类似球状并且均匀分布，具有非常好的性能。当HGB含量增加到3%时，泡孔的尺寸大小各异，具有较为严重的泡孔并聚现象，其泡孔结构性能比较差。所以可以得出当HGB含量为2%时，具有很好的性能，应用在足球运动防护中具有更好的应用效果。
3 结语
综上所述，TPU经过硅烷偶联剂处理之后能够获得更好的粘接界面，有助于将TPU和HGB进行更加紧密的结合;相比于压膜发泡，注塑发泡能够得到性能更好的HGB/TPU复合泡沫材料，并且该发泡方式操作简单;当HGB含量为2%、发泡剂AC含量为1%时，得到的HGB/TPU复合泡沫材料性能更好，具有更好的抵抗外力作用，从而有助于保护运动员受到严重伤害。
参考文献
[1]张瑞香，王杰，高军.两亲聚合物泡沫在多孔介质中的渗流及分流特性[J].实验室研究与探索，2019，38（04）：17-20+46.
[2]赵巍.聚合物泡沫在多孔介质中的非稳态流动[D].大庆：东北石油大学，2015.
[3]张文雨，李晋庆，罗运军.具有键合功能热塑性聚氨酯的表面性能[J].高分子材料科学与工程，2012（02）：33-36.
[4]杨文会，覃新林.热塑性聚氨酯弹性体（TPU）研究及应用[J].塑料制造，2015（7）：70-77.
[5]丰美丽.热塑性聚氨酯弹性体中软段或硬段变化对其物理机械性能的影响[J].化学推进剂与高分子材料，1999（2）：14-16.
[6]彭寿，王芸，彭程，等.空心玻璃微珠制备方法及应用研究进展[J].硅酸盐通报，2012，31（6）：1508-1513.
[7]张振华，孟锦宏，曹晓晖.空心玻璃微珠表面金属化及电磁性能[J].表面技术，2006（5）：10-11+53.
[8]梁小杰，陈先，梁忠旭，等.空心玻璃微珠/树脂复合泡沫塑料研究进展[C].海洋化工研究院有限公司第六届学术研讨会论文集，2014：53-57.
关键词：防护;HGB/TPU复合泡沫材料;性能;制备
中图分类号：TQ328 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）06-0148-04
Abstract：Football has a certain degree of danger. In order to reduce the injury of athletes， it is necessary to use related protective equipment. In order to improve the effect of protective equipment， the materials used in it are very critical. This paper will study a kind of HGB/TPU composite foam material， which has a strong ability to absorb iMPact load， and it has light weight and good mechanical properties. As a protective material for football sports， it will play a better protective role. Therefore， through experimental research， the paper prepared HGB/TPU composite foam material， and then studied its performance. The experimental results show that when the HGB content is 2%， the blowing agent content is 1%， and the foaming method is injection molding foaming， materials with better performance can be obtained.
Key words：protection; HGB/TPU composite foam material; performance; preparation
聚合物泡沫属于一种轻质结构材料，具有很强的吸收冲击荷载能力，而且其隔音和隔热性能都很好，但是泡沫的力学性能比较弱，不能经受住加大力量[1-2]。足球运动具有一定的危险性，容易遭到各种碰撞和摩擦，从而导致运动员受伤，所以在足球运动员在运动过程中会穿戴防护用具，如果将聚合物泡沫作为防护用具的材料，除了不能满足防护用具的力学性能，其他的所有性能都能够满足。如果对聚合物泡沫进行改性研究，增强其力学性能，那么能够在足球运功防护中具有非常好的应用效果。于是文章将主要研究一种HGB/TPU复合泡沫材料，目的在于增强力学性能，从而能够将其运用到足球运动防护中。
TPU就是热塑性聚氨酯，属于一种弹性聚合物，具有减震能力强、强度高、耐化学性能好、耐磨性好、弹性高等热点[3-4]。TPU能够进行再加工，因为其分子结构包含硬段和软段区有序排列[5]。通过发泡处理TPU材料后，能够降低其质量，得到改善材料的作用。HGB就是空心玻璃微珠，属于一种质量较轻的无机非金属材料，具有填充量高、密度低、無应力高度集中、低导热系数等特点[6-7]。将空心玻璃微珠加到聚合物泡沫中，具有降低成本的作用，而且还可以增强发泡材料作用[8]。所以文章通过实验研究制备一种HGB/TPU复合泡沫材料，增强其性能，从而能够在足球运动防护中具有重要作用。
1 实验过程
1.1 实验材料和设备
实验所需材料有热塑性聚氨酯、空心玻璃微珠、硅烷偶联剂、偶氮二甲酰胺、乙醇、正丙胺、氢氧化钠等。
实验所需的设备如表1所示。
1.2 HGB/TPU复合泡沫材料的制备
1.2.1 HGB材料的表面处理
HGB相关的参数如表2所示。首先需要对HGB材料进行筛选，使用的筛选工具为300目到400目的筛子，筛选完成之后，将其使用真空干燥箱进行干燥处理，将干燥箱的温度设置为120℃，干燥时间设置为3h。干燥完成之后进行自然冷却，最后将其放入干燥箱中进行备用。
准备200mL、0.5mol/L的氢氧化钠，然后将5gHGB放入其中进行加热到90℃，然后不停的进行搅拌，搅拌时间为2小时，然后通过使用蒸馏水进行洗涤3次待用。准备100mL环己烷，然后将0.1g正丙胺和5g硅烷偶联剂加入到环己烷中，然后再将刚刚处理好的HGB加入其中，进行加热处理直至70℃，然后回流2h。还需要对其进行洗涤，首先用乙醇洗涤2次，然后还需要使用蒸馏水洗涤3次，最后就是将HGB进行干燥处理2h，使用80℃真空烘箱。
1.2.2 发泡方法
按照一定的比例，将HGB、TPU、加工助剂和AC使用高速混合机进行搅拌均匀即可出料。文章将使用两种发泡方式，分别为注塑发泡和模压发泡。其具体流程分别如下：
（1）模压发泡：首先使用哈克转矩流变仪对混合料进行熔融共混，将该仪器的时间设置为10min，温度设置为175℃，然后将其放入到模具中，再就是对其进行模压泡发，使用的仪器为平板硫化机，将该机器的发泡压力设置为4MPa，温度设置为210℃，最后就是对模具进急速冷却，发泡样品即制作成功。 （2）注塑发泡：对混合料直接使用注射成型机进行注塑发泡，该仪器需要设置的相关工艺参数如表3所示，然后对其进行自然冷却即可得到发泡样品。
1.3 表征
（1）SEM分析。为了分析发泡样品和HGB的表面和断面形貌，分别对两种材料进行冲击断面喷金处理，其中使用到的工具为扫描电子显微镜。
（2）FTIR分析。使用KBr压片法对HGB粉末进行红外光谱分析，其中使用到的仪器为红外光谱分析仪。
2 结果与讨论
2.1 HGB表面处理的效果
TPU和HGB两种材料之间的相容性比较差，于是其很难形成较好的粘接界面，从而不利于在足球运动防护中进行使用，所以通过使用硅烷偶联剂对HGB表面进行处理，从而增强其界面粘接强度，使得复合材料性能变得更加优异。
2.1.1 SEM分析
使用扫描电子显微镜观察HGB经过硅烷偶联剂处理前后的SEM图，如图1所示，其中图1（a）和图1（b）为没有经过硅烷偶联剂处理的图像，图1（b）为放大1000倍的效果，图1（c）和图1（d）为经过硅烷偶联剂处理后的图片，其中图1（d）为放大3000倍的效果。
从图1中可以看出，当没有经过硅烷偶联剂进行表面处理的HGB粒子尺寸大小比较统一，大致在50?m，并且可以看出每个粒子的表面呈现出光滑圆整的样子;而经过硅烷偶联剂处理之后，每个粒子粗糙不平，这是因为粒子表面被硅烷偶联剂所覆盖。HGB和硅烷偶联剂的反应过程如图2所示，从该反应过程中也可以看出经过硅烷偶联剂处理后的HGB表面更好。
2.1.2 FTIR分析
使用硅烷偶联剂处理前后的HGB红外光谱图如图3所示，从图中可以看出，波长大致在3450cm-1时，红外光谱波峰出现了—NH2和—OH伸缩振动叠加峰，其属于硅烷偶联剂中氨基和羟基的特征谱线。另外，在波长为2854cm-1和2923cm-1附近出现了为硅烷偶联剂的成分谱线。总之通过观察上述光谱图，能够说明HGB表面存在硅烷偶联剂的成分，于是具有有效的处理效果。于是将TPU和HGB进行结合时，能够大大提高其结合力。
2.2 发泡方式对复合泡沫材料的结构性能影响
使用AC的含量为1%，HGB的含量设置为2%，然后分析两种不同发泡对HGB/TPU复合泡沫材料断面结构性能的影响。结果如图4所示，图4（a）表示的是模压发泡，图4（b）表示的是注塑发泡。从图中可以看出，使用模压发泡方法制得的泡沫材料其泡孔大小不均匀，而且泡孔稀疏，所以能够说明使用该方式的发泡效果不是很好。而另外一种发泡方式能够得到较好的泡沫材料，从图中可以看出，其泡孔大小均匀分布，泡孔呈现球状。出现这种现象的主要原因在于模压泡发方式中，TPU经过了两次熔融，就会产生一些小分子，就会阻碍泡孔的生长。而另外一种泡发方式是一次性成型，不会受到其他因素的影响，而且操作简单方便，具有较好的发泡效果，因此该发泡方式更加适合于工业化生产中。
2.3 AC含量对复合泡沫材料的结构性能影响
将HGB的含量设置为2%，然后分析AC含量为1%、3%和5%时的断面SEM图片，其结果如图5所示，其中图a、b、c分别代表的是AC含量为1%、3%和5%时的断面SEM图片。
从图5中可以看出，当AC用量存在差别时，HGB/TPU复合泡沫材料的结构性能也会存在明显的差别。当AC含量为1%时，泡孔的分布比较均匀，并且尺寸比较小，形状近似于球形，具有较好的泡孔质量;当AC含量为3%时，泡孔的数量变小，尺寸变大，有些泡孔进行了合并，于是形成更加大的空洞，出现这种现象是因为增加AC含量，能够提高气体发气量造成的。当继续增加AC含量时，即将其增加到5%，此时的SEM图片中泡孔质量比较差，发生了坍塌和变形，所以此时的复合泡沫材料的性能比较差。通过上述说明，当AC含量为1%时，HGB/TPU复合泡沫材料的性能更好。
2.4 HGB含量对复合泡沫材料的结构性能影响
将AC含量设置为1%，然后分析HGB含量为1%、2%、3%时复合泡沫材料的结构性能，结果如图6所示，其中图a、b、d分别表示的是HGB含量为1%、2%、3%时复合泡沫材料的SEM图片，图c表示的是將图b放大到250倍的效果。从图中可以看出，当HGB含量是1%时，泡孔的数量比较少，而且尺寸大，说明其泡孔质量不好，当增加HGB含量到2%时，泡孔的数量增多，尺寸大小变下，而且其形状类似球状并且均匀分布，具有非常好的性能。当HGB含量增加到3%时，泡孔的尺寸大小各异，具有较为严重的泡孔并聚现象，其泡孔结构性能比较差。所以可以得出当HGB含量为2%时，具有很好的性能，应用在足球运动防护中具有更好的应用效果。
3 结语
综上所述，TPU经过硅烷偶联剂处理之后能够获得更好的粘接界面，有助于将TPU和HGB进行更加紧密的结合;相比于压膜发泡，注塑发泡能够得到性能更好的HGB/TPU复合泡沫材料，并且该发泡方式操作简单;当HGB含量为2%、发泡剂AC含量为1%时，得到的HGB/TPU复合泡沫材料性能更好，具有更好的抵抗外力作用，从而有助于保护运动员受到严重伤害。
参考文献
[1]张瑞香，王杰，高军.两亲聚合物泡沫在多孔介质中的渗流及分流特性[J].实验室研究与探索，2019，38（04）：17-20+46.
[2]赵巍.聚合物泡沫在多孔介质中的非稳态流动[D].大庆：东北石油大学，2015.
[3]张文雨，李晋庆，罗运军.具有键合功能热塑性聚氨酯的表面性能[J].高分子材料科学与工程，2012（02）：33-36.
[4]杨文会，覃新林.热塑性聚氨酯弹性体（TPU）研究及应用[J].塑料制造，2015（7）：70-77.
[5]丰美丽.热塑性聚氨酯弹性体中软段或硬段变化对其物理机械性能的影响[J].化学推进剂与高分子材料，1999（2）：14-16.
[6]彭寿，王芸，彭程，等.空心玻璃微珠制备方法及应用研究进展[J].硅酸盐通报，2012，31（6）：1508-1513.
[7]张振华，孟锦宏，曹晓晖.空心玻璃微珠表面金属化及电磁性能[J].表面技术，2006（5）：10-11+53.
[8]梁小杰，陈先，梁忠旭，等.空心玻璃微珠/树脂复合泡沫塑料研究进展[C].海洋化工研究院有限公司第六届学术研讨会论文集，2014：53-57.