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        聚氨酯在体育防护用品的应用

        1聚氨酯行业总体发展情况

        1.1聚氨酯发展概况

        聚氨酯最早于二次世界大战时期的德国科学家将液态的异氰酸酯和液态聚醚或二醇聚酯缩聚研发而成,初期主要用于军工用品的加工和使用[10]。后随着德国战败和世界工业的复苏,美国首先针对聚氨酯材料进行了利用和改良,约在20世纪50~60年代合成了聚氨酯软质泡沫塑料,奠定了聚氨酯材料在工业领域的加工和使用基础。

        1.2全球聚氨酯市场情况

        目前,工业发展较为先进的国家或地区是聚氨酯生产和加工的主要区域,如中国、日本及韩国、欧美等。这一区域的国家或地区聚氨酯生产加工业占据了全球绝大部分聚氨酯市场。尤其我国更是占据全球聚氨酯加工或消费总量的一半以上。2019年全球聚氨酯总产量已经达到近2500万t。

        1.3国内聚氨酯市场情况

        目前我国的聚氨酯生产加工地点聚集在长三角地区、环渤海生产区、珠三角生产区以及西北工业区等地。迫于环境保护需求,聚氨酯生产加工业逐渐走向绿色、环保和可持续发展方向。未来我国的聚氨酯加工业将逐渐转移到家具类产品生产以及体育用品加工生产等领域。

        2应用领域

        2.1减震材料

        当前体育器械领域中的减震材料如D30等,其工作原理基本均为依靠具有较高弹性形变能力的聚氨酯材料加工而成。不工作状态下,聚氨酯弹性压缩材料普遍处于流体状态,呈现出易流动、易变形的特征[11]。如用聚氨酯加工制造的护肘、护膝等装备,不工作状态下非常柔软便于携带的佩戴,但一旦受到外力冲击,则该类型产品会迅速变硬,对冲击部位提供强度极高的保护,保护质量远超传统护具。由我国某公司自主研发的P4U材料,具有与D30相似的工作效能。该材料同样主要有聚氨酯类材料设计加工而成,具有高智能柔性特征,能够对外界环境进行快速感知。由该类型材料加工而成的防护用具普通状态下保持柔软、松弛状态,一旦某部位受到外力冲击时,材料内部各分子之间迅速完成互锁,使护具迅速达到硬化效果,从而有效保护受冲击部位。冲击结束后,该部位恢复初始状态。

        2.2聚氨酯跑道

        聚氨酯材料在各类型跑道中的应用已较为成熟,通常使用的为TDI型聚氨酯材料。但是近些年研究人员发现,该类型材料加工而成的跑道中含有一定量的重金属物质,在日常使用中会因为与空气中的氧气发生反应而挥发出来[12]。尤其某些室内跑道,由于密闭环境的影响会对大气和人体产生一定的负面影响。因此,我国某高校针对这一问题开发了一种新型跑道材料加工和制备方法,能够有效降低材料中的重金属成分,在长时间使用过程中不会因为与氧气反应而挥发,有效降低了污染和对人体的伤害,其具体加工工艺如下。1)制备材料Ⅰ。Ⅰ组为弹性材料组,将聚醚二元醇于真空状态80℃左右进行搅拌脱水、脱气,后冷却至50℃左右,将MDI材料按照53.0%质量分数假如冷却后材料,后于80~85℃状态下进行反应2.5h左右,冷却至室温。2)制备材料Ⅱ。Ⅱ组为其他材料组,将聚醚三元醇、二元醇于真空状态80℃左右进行搅拌脱水、脱气,1~2.5h后,将交联剂、增塑剂、油性引发剂、环氧树脂、丙烯酸酯、硅溶胶微粒、CaSO4晶须、氧化铝、颜料按照0.6%:9.0%:0.4%:15.0%:14.0%:8.0%:10.0%:10.0%:2.0%的比例搅拌混合均匀。3)将Ⅰ、Ⅱ两组完成材料进行1:2混合,进行搅拌混合均匀。所得到的固化后的材料即为环保型聚氨酯材料,可用于室内外各类型跑道的加工和制备。生产出的跑道,具有高耐磨性、高环保性,同时还能够一定程度上耐油、耐腐蚀。在长期使用过程中,该类型材料不会挥发有毒有害气体,对人体和自然环境伤害较低,已被广泛应用于各类型比赛场地、娱乐型体育设施建设中。

        2.3聚氨酯头盔

        聚氨酯体育用防护头盔主要为散打、跆拳道、拳击、自行车等项目中所使用的头盔,该类型运动中聚氨酯材料能够有效降低击打或碰撞给人体带来的伤害,达到吸能的效果[13]。我国某聚氨酯制品加工企业在进行搏击运动防护头盔的制备中采用如下工艺。1)制备材料Ⅰ。Ⅰ组为原料组,将聚醚多元醇、聚合物多元醇、扩链剂、胺类催化剂、硅烷类表面活性剂、一氟二氯乙烷发泡剂按照50.00:50.00:7.00:1.30:0.75:10.00phr的比例进行配置。2)准备材料Ⅱ。Ⅱ的主要成分为MDI,可直接获取相应原料。3)将Ⅰ、Ⅱ两组材料在40℃条件下进行反应。4)将第三步加工后所得到的原材料注入模具,在30℃状态下进行摇模,25min后开模取出,修边后完成制备。该产品的生产工艺可同样应用与自行车头盔的加工可制备。

        2.4聚氨酯面料

        聚氨酯面料又称为氨纶面料,采用聚氨酯纤维材料加工而成,主要特性有防风防雨、弹性好、抗老化性能强、耐磨、易干等,通常与其他材料混合后进行加工制成衣物等[4]。采用聚氨酯材料加工而成的泳衣具有防水透湿功效,且由于具有较高的弹性能够有效对运动员进行包裹从而降低运动员在水中的阻力,提升运动员竞技成绩。我国某公司针对聚氨酯面料开发出一种耐高水压的聚氨酯膜,该产品具有极低的厚度和极强的耐水压性能及耐湿透度,可用于泳衣、潜水服的加工和使用。其加工制备工艺如下。1)将原材料加入高压反应釜中进行催化,在密闭状态下进行氮气排氧。2)向高压反应釜中通入环氧丙烯,于45℃左右温度下进行1d时长的反应得到制备的聚醚中间体。3)向高压反应釜中通入环氧乙烯,于45℃左右温度下进行1d时长的反应得到制备的共聚醚中间体。4)抽真空脱水排氧,加入MDI反应后加入扩链剂得到聚氨酯胶。5)进行涂布测试得到最佳上胶量。上述产品虽然保证了高密度、高防水性能,但是一般采用聚氨酯纤维加工而成的材料通常透气性较差。因此,我国某企业采用了地胶涂层加面胶涂层的方法进行聚氨酯材料的制备,加工而成的材料同时具备了防水透湿和透气的特性。该面料涂层由高分子透气防透水材料加工而成,但是缺点为质感较差且不具备防风性能。为此,我国另一企业研究制备了一种同时具备透气、防水、速干、高弹性等优点的泳衣面料。该面料由除内外两层涂层外(分别采用聚对苯二甲酸乙二酯加氨纶、聚碳酸酯型聚氨酯膜),在面料的中间也加入了一层涂层。由此工艺加工而成的织物能够快速将水分子传递到织物表面,达到速干和降低阻力的作用,且由于三层涂料的双向弹力特征,能够有效降低衣物与人体的黏着感,提升了运动时的舒适程度。

        3结语

        综上,聚氨酯材料由于其具备减震、防水、高弹、耐磨等特性而被广泛应用于体育防护器材的生产和制备中。除文中涉及的各类型跑道、头盔、衣料外,未来还可能被用于军工、体育等领域的衣物内衬、鞋包等用具的防水部位加工中,具有广泛的应用前景。

        参考文献

        [1]陆刚.聚氨酯树脂涂料发展潜力分析[J].化学工业,2014,32(8):12-16.

        [2]邹明清,张海.聚氨酯在密封和减震制品中的应用概况[J].橡胶科技,2014(6):11-14.

        [3]朱长春,吕国会,翁汉元.聚氨酯工业发展现状[J].化学推进剂与高分子材料,2013,11(5):1-13.

        作者:张冰 单位:商洛职业技术学院

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