聚氨酯在體育防護(hù)用品的應(yīng)用

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1聚氨酯行業(yè)總體發(fā)展情況

1.1聚氨酯發(fā)展概況

聚氨酯最早于二次世界大戰(zhàn)時(shí)期的德國(guó)科學(xué)家將液態(tài)的異氰酸酯和液態(tài)聚醚或二醇聚酯縮聚研發(fā)而成，初期主要用于軍工用品的加工和使用[10]。后隨著德國(guó)戰(zhàn)敗和世界工業(yè)的復(fù)蘇，美國(guó)首先針對(duì)聚氨酯材料進(jìn)行了利用和改良，約在20世紀(jì)50~60年代合成了聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料，奠定了聚氨酯材料在工業(yè)領(lǐng)域的加工和使用基礎(chǔ)。

1.2全球聚氨酯市場(chǎng)情況

目前，工業(yè)發(fā)展較為先進(jìn)的國(guó)家或地區(qū)是聚氨酯生產(chǎn)和加工的主要區(qū)域，如中國(guó)、日本及韓國(guó)、歐美等。這一區(qū)域的國(guó)家或地區(qū)聚氨酯生產(chǎn)加工業(yè)占據(jù)了全球絕大部分聚氨酯市場(chǎng)。尤其我國(guó)更是占據(jù)全球聚氨酯加工或消費(fèi)總量的一半以上。2019年全球聚氨酯總產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到近2500萬(wàn)t。

1.3國(guó)內(nèi)聚氨酯市場(chǎng)情況

目前我國(guó)的聚氨酯生產(chǎn)加工地點(diǎn)聚集在長(zhǎng)三角地區(qū)、環(huán)渤海生產(chǎn)區(qū)、珠三角生產(chǎn)區(qū)以及西北工業(yè)區(qū)等地。迫于環(huán)境保護(hù)需求，聚氨酯生產(chǎn)加工業(yè)逐漸走向綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展方向。未來(lái)我國(guó)的聚氨酯加工業(yè)將逐漸轉(zhuǎn)移到家具類(lèi)產(chǎn)品生產(chǎn)以及體育用品加工生產(chǎn)等領(lǐng)域。

2應(yīng)用領(lǐng)域

2.1減震材料

當(dāng)前體育器械領(lǐng)域中的減震材料如D30等，其工作原理基本均為依靠具有較高彈性形變能力的聚氨酯材料加工而成。不工作狀態(tài)下，聚氨酯彈性壓縮材料普遍處于流體狀態(tài)，呈現(xiàn)出易流動(dòng)、易變形的特征[11]。如用聚氨酯加工制造的護(hù)肘、護(hù)膝等裝備，不工作狀態(tài)下非常柔軟便于攜帶的佩戴，但一旦受到外力沖擊，則該類(lèi)型產(chǎn)品會(huì)迅速變硬，對(duì)沖擊部位提供強(qiáng)度極高的保護(hù)，保護(hù)質(zhì)量遠(yuǎn)超傳統(tǒng)護(hù)具。由我國(guó)某公司自主研發(fā)的P4U材料，具有與D30相似的工作效能。該材料同樣主要有聚氨酯類(lèi)材料設(shè)計(jì)加工而成，具有高智能柔性特征，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進(jìn)行快速感知。由該類(lèi)型材料加工而成的防護(hù)用具普通狀態(tài)下保持柔軟、松弛狀態(tài)，一旦某部位受到外力沖擊時(shí)，材料內(nèi)部各分子之間迅速完成互鎖，使護(hù)具迅速達(dá)到硬化效果，從而有效保護(hù)受沖擊部位。沖擊結(jié)束后，該部位恢復(fù)初始狀態(tài)。

2.2聚氨酯跑道

聚氨酯材料在各類(lèi)型跑道中的應(yīng)用已較為成熟，通常使用的為T(mén)DI型聚氨酯材料。但是近些年研究人員發(fā)現(xiàn)，該類(lèi)型材料加工而成的跑道中含有一定量的重金屬物質(zhì)，在日常使用中會(huì)因?yàn)榕c空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)而揮發(fā)出來(lái)[12]。尤其某些室內(nèi)跑道，由于密閉環(huán)境的影響會(huì)對(duì)大氣和人體產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。因此，我國(guó)某高校針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種新型跑道材料加工和制備方法，能夠有效降低材料中的重金屬成分，在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榕c氧氣反應(yīng)而揮發(fā)，有效降低了污染和對(duì)人體的傷害，其具體加工工藝如下。1）制備材料Ⅰ。Ⅰ組為彈性材料組，將聚醚二元醇于真空狀態(tài)80℃左右進(jìn)行攪拌脫水、脫氣，后冷卻至50℃左右，將MDI材料按照53.0%質(zhì)量分?jǐn)?shù)假如冷卻后材料，后于80~85℃狀態(tài)下進(jìn)行反應(yīng)2.5h左右，冷卻至室溫。2）制備材料Ⅱ。Ⅱ組為其他材料組，將聚醚三元醇、二元醇于真空狀態(tài)80℃左右進(jìn)行攪拌脫水、脫氣，1~2.5h后，將交聯(lián)劑、增塑劑、油性引發(fā)劑、環(huán)氧樹(shù)脂、丙烯酸酯、硅溶膠微粒、CaSO4晶須、氧化鋁、顏料按照0.6%：9.0%：0.4%：15.0%：14.0%：8.0%：10.0%：10.0%：2.0%的比例攪拌混合均勻。3）將Ⅰ、Ⅱ兩組完成材料進(jìn)行1：2混合，進(jìn)行攪拌混合均勻。所得到的固化后的材料即為環(huán)保型聚氨酯材料，可用于室內(nèi)外各類(lèi)型跑道的加工和制備。生產(chǎn)出的跑道，具有高耐磨性、高環(huán)保性，同時(shí)還能夠一定程度上耐油、耐腐蝕。在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，該類(lèi)型材料不會(huì)揮發(fā)有毒有害氣體，對(duì)人體和自然環(huán)境傷害較低，已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)型比賽場(chǎng)地、娛樂(lè)型體育設(shè)施建設(shè)中。

2.3聚氨酯頭盔

聚氨酯體育用防護(hù)頭盔主要為散打、跆拳道、拳擊、自行車(chē)等項(xiàng)目中所使用的頭盔，該類(lèi)型運(yùn)動(dòng)中聚氨酯材料能夠有效降低擊打或碰撞給人體帶來(lái)的傷害，達(dá)到吸能的效果[13]。我國(guó)某聚氨酯制品加工企業(yè)在進(jìn)行搏擊運(yùn)動(dòng)防護(hù)頭盔的制備中采用如下工藝。1）制備材料Ⅰ。Ⅰ組為原料組，將聚醚多元醇、聚合物多元醇、擴(kuò)鏈劑、胺類(lèi)催化劑、硅烷類(lèi)表面活性劑、一氟二氯乙烷發(fā)泡劑按照50.00:50.00:7.00:1.30:0.75:10.00phr的比例進(jìn)行配置。2）準(zhǔn)備材料Ⅱ。Ⅱ的主要成分為MDI，可直接獲取相應(yīng)原料。3）將Ⅰ、Ⅱ兩組材料在40℃條件下進(jìn)行反應(yīng)。4）將第三步加工后所得到的原材料注入模具，在30℃狀態(tài)下進(jìn)行搖模，25min后開(kāi)模取出，修邊后完成制備。該產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝可同樣應(yīng)用與自行車(chē)頭盔的加工可制備。

2.4聚氨酯面料

聚氨酯面料又稱(chēng)為氨綸面料，采用聚氨酯纖維材料加工而成，主要特性有防風(fēng)防雨、彈性好、抗老化性能強(qiáng)、耐磨、易干等，通常與其他材料混合后進(jìn)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濕功效，且由于具有較高的彈性能夠有效對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行包裹從而降低運(yùn)動(dòng)員在水中的阻力，提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技成績(jī)。我國(guó)某公司針對(duì)聚氨酯面料開(kāi)發(fā)出一種耐高水壓的聚氨酯膜，該產(chǎn)品具有極低的厚度和極強(qiáng)的耐水壓性能及耐濕透度，可用于泳衣、潛水服的加工和使用。其加工制備工藝如下。1）將原材料加入高壓反應(yīng)釜中進(jìn)行催化，在密閉狀態(tài)下進(jìn)行氮?dú)馀叛酢?）向高壓反應(yīng)釜中通入環(huán)氧丙烯，于45℃左右溫度下進(jìn)行1d時(shí)長(zhǎng)的反應(yīng)得到制備的聚醚中間體。3）向高壓反應(yīng)釜中通入環(huán)氧乙烯，于45℃左右溫度下進(jìn)行1d時(shí)長(zhǎng)的反應(yīng)得到制備的共聚醚中間體。4）抽真空脫水排氧，加入MDI反應(yīng)后加入擴(kuò)鏈劑得到聚氨酯膠。5）進(jìn)行涂布測(cè)試得到最佳上膠量。上述產(chǎn)品雖然保證了高密度、高防水性能，但是一般采用聚氨酯纖維加工而成的材料通常透氣性較差。因此，我國(guó)某企業(yè)采用了地膠涂層加面膠涂層的方法進(jìn)行聚氨酯材料的制備，加工而成的材料同時(shí)具備了防水透濕和透氣的特性。該面料涂層由高分子透氣防透水材料加工而成，但是缺點(diǎn)為質(zhì)感較差且不具備防風(fēng)性能。為此，我國(guó)另一企業(yè)研究制備了一種同時(shí)具備透氣、防水、速干、高彈性等優(yōu)點(diǎn)的泳衣面料。該面料由除內(nèi)外兩層涂層外（分別采用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯加氨綸、聚碳酸酯型聚氨酯膜），在面料的中間也加入了一層涂層。由此工藝加工而成的織物能夠快速將水分子傳遞到織物表面，達(dá)到速干和降低阻力的作用，且由于三層涂料的雙向彈力特征，能夠有效降低衣物與人體的黏著感，提升了運(yùn)動(dòng)時(shí)的舒適程度。

3結(jié)語(yǔ)

綜上，聚氨酯材料由于其具備減震、防水、高彈、耐磨等特性而被廣泛應(yīng)用于體育防護(hù)器材的生產(chǎn)和制備中。除文中涉及的各類(lèi)型跑道、頭盔、衣料外，未來(lái)還可能被用于軍工、體育等領(lǐng)域的衣物內(nèi)襯、鞋包等用具的防水部位加工中，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[2]鄒明清，張海.聚氨酯在密封和減震制品中的應(yīng)用概況[J].橡膠科技，2014（6）：11-14.

[3]朱長(zhǎng)春，呂國(guó)會(huì)，翁漢元.聚氨酯工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2013，11（5）：1-13.

作者：張冰 單位：商洛職業(yè)技術(shù)學(xué)院