聚氨酯在體育防護用品的應用
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1聚氨酯行業總體發展情況
1.1聚氨酯發展概況
聚氨酯最早于二次世界大戰時期的德國科學家將液態的異氰酸酯和液態聚醚或二醇聚酯縮聚研發而成，初期主要用于軍工用品的加工和使用[10]。后隨著德國戰敗和世界工業的復蘇，美國首先針對聚氨酯材料進行了利用和改良，約在20世紀50~60年代合成了聚氨酯軟質泡沫塑料，奠定了聚氨酯材料在工業領域的加工和使用基礎。
1.2全球聚氨酯市場情況
目前，工業發展較為先進的國家或地區是聚氨酯生產和加工的主要區域，如中國、日本及韓國、歐美等。這一區域的國家或地區聚氨酯生產加工業占據了全球絕大部分聚氨酯市場。尤其我國更是占據全球聚氨酯加工或消費總量的一半以上。2019年全球聚氨酯總產量已經達到近2500萬t。
1.3國內聚氨酯市場情況
目前我國的聚氨酯生產加工地點聚集在長三角地區、環渤海生產區、珠三角生產區以及西北工業區等地。迫于環境保護需求，聚氨酯生產加工業逐漸走向綠色、環保和可持續發展方向。未來我國的聚氨酯加工業將逐漸轉移到家具類產品生產以及體育用品加工生產等領域。
2應用領域
2.1減震材料
當前體育器械領域中的減震材料如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。不工作狀態下，聚氨酯彈性壓縮材料普遍處于流體狀態，呈現出易流動、易變形的特征[11]。如用聚氨酯加工制造的護肘、護膝等裝備，不工作狀態下非常柔軟便于攜帶的佩戴，但一旦受到外力沖擊，則該類型產品會迅速變硬，對沖擊部位提供強度極高的保護，保護質量遠超傳統護具。由我國某公司自主研發的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材料設計加工而成，具有高智能柔性特征，能夠對外界環境進行快速感知。由該類型材料加工而成的防護用具普通狀態下保持柔軟、松弛狀態，一旦某部位受到外力沖擊時，材料內部各分子之間迅速完成互鎖，使護具迅速達到硬化效果，從而有效保護受沖擊部位。沖擊結束后，該部位恢復初始狀態。
2.2聚氨酯跑道
聚氨酯材料在各類型跑道中的應用已較為成熟，通常使用的為TDI型聚氨酯材料。但是近些年研究人員發現，該類型材料加工而成的跑道中含有一定量的重金屬物質，在日常使用中會因為與空氣中的氧氣發生反應而揮發出來[12]。尤其某些室內跑道，由于密閉環境的影響會對大氣和人體產生一定的負面影響。因此，我國某高校針對這一問題開發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，在長時間使用過程中不會因為與氧氣反應而揮發，有效降低了污染和對人體的傷害，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80℃左右進行攪拌脫水、脫氣，后冷卻至50℃左右，將MDI材料按照53.0%質量分數假如冷卻后材料，后于80~85℃狀態下進行反應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80℃左右進行攪拌脫水、脫氣，1~2.5h后，將交聯劑、增塑劑、油性引發劑、環氧樹脂、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兩組完成材料進行1：2混合，進行攪拌混合均勻。所得到的固化后的材料即為環保型聚氨酯材料，可用于室內外各類型跑道的加工和制備。生產出的跑道，具有高耐磨性、高環保性，同時還能夠一定程度上耐油、耐腐蝕。在長期使用過程中，該類型材料不會揮發有毒有害氣體，對人體和自然環境傷害較低，已被廣泛應用于各類型比賽場地、娛樂型體育設施建設中。
2.3聚氨酯頭盔
聚氨酯體育用防護頭盔主要為散打、跆拳道、拳擊、自行車等項目中所使用的頭盔，該類型運動中聚氨酯材料能夠有效降低擊打或碰撞給人體帶來的傷害，達到吸能的效果[13]。我國某聚氨酯制品加工企業在進行搏擊運動防護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、擴鏈劑、胺類催化劑、硅烷類表面活性劑、一氟二氯乙烷發泡劑按照50.00:50.00:7.00:1.30:0.75:10.00phr的比例進行配置。2）準備材料Ⅱ。Ⅱ的主要成分為MDI，可直接獲取相應原料。3）將Ⅰ、Ⅱ兩組材料在40℃條件下進行反應。4）將第三步加工后所得到的原材料注入模具，在30℃狀態下進行搖模，25min后開模取出，修邊后完成制備。該產品的生產工藝可同樣應用與自行車頭盔的加工可制備。
2.4聚氨酯面料
聚氨酯面料又稱為氨綸面料，采用聚氨酯纖維材料加工而成，主要特性有防風防雨、彈性好、抗老化性能強、耐磨、易干等，通常與其他材料混合后進行加工制成衣物等[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運動員進行包裹從而降低運動員在水中的阻力，提升運動員競技成績。我國某公司針對聚氨酯面料開發出一種耐高水壓的聚氨酯膜，該產品具有極低的厚度和極強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釜中進行催化，在密閉狀態下進行氮氣排氧。2）向高壓反應釜中通入環氧丙烯，于45℃左右溫度下進行1d時長的反應得到制備的聚醚中間體。3）向高壓反應釜中通入環氧乙烯，于45℃左右溫度下進行1d時長的反應得到制備的共聚醚中間體。4）抽真空脫水排氧，加入MDI反應后加入擴鏈劑得到聚氨酯膠。5）進行涂布測試得到最佳上膠量。上述產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，我國某企業采用了地膠涂層加面膠涂層的方法進行聚氨酯材料的制備，加工而成的材料同時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，但是缺點為質感較差且不具備防風性能。為此，我國另一企業研究制備了一種同時具備透氣、防水、速干、高彈性等優點的泳衣面料。該面料由除內外兩層涂層外（分別采用聚對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，提升了運動時的舒適程度。
3結語
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用于體育防護器材的生產和制備中。除文中涉及的各類型跑道、頭盔、衣料外，未來還可能被用于軍工、體育等領域的衣物內襯、鞋包等用具的防水部位加工中，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
[1]陸剛.聚氨酯樹脂涂料發展潛力分析[J].化學工業，2014，32（8）：12-16.
[2]鄒明清，張海.聚氨酯在密封和減震制品中的應用概況[J].橡膠科技，2014（6）：11-14.
[3]朱長春，呂國會，翁漢元.聚氨酯工業發展現狀[J].化學推進劑與高分子材料，2013，11（5）：1-13.
作者：張冰 單位：商洛職業技術學院
