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    热塑性弹性体在塑胶跑道的冲击吸收性能研究

    时间：2023-01-26 16:20:12来源：百花范文网本文已影响人

    刘兴斌

    (内蒙古师范大学 体育学院，内蒙古 呼和浩特 010010)

    热塑性弹性体是一种无毒无味的环保材料，且具有良好的橡胶弹性和挠曲性，回弹性优良，在体育和休闲用品方面的应用广泛[1-4]。热塑性弹性体可以通过各种材料配比来达到不同冲击载荷的要求，同时其良好的可加工性，使其能够广泛适用不同的应用场景[5-8]。本文报道了基于高抗冲聚苯乙烯(HIPS)和WGRT粉末复合材料的TPE的制备方法，通过加入乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改进了界面相容性。研究了不同混合比例的HIPS/EVA/WGRT复合材料机械性能、动态力学性能和低速冲击性能。

    1.1 材料与仪器

    废旧橡胶轮胎粉末(120目)；
    高抗冲聚苯乙烯：注塑级622P；
    乙烯-醋酸乙烯酯共聚物，注塑级 630；
    苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，YH-792 级。

    XWW-20电子万能实验机；
    HTS-210D数显邵氏硬度计；
    DMA Q800动态热机械分析仪；
    SHLJ-LSIT-01型低速冲击测试仪。

    1.2 热塑性聚氨酯弹性体制备

    HIPS/EVA/WGRT复合材料是使用Brabender PLE 331塑胶工艺通过混合工艺生产的。混合器温度保持在165 ℃，恒定转子(凸轮型)转速为80 r/min， HIPS，EVA和12%的SBS树脂装入混合器中，使其熔融复合。3 min后，加入WGRT粉末，混合5 min，使WGRT粉末在热塑性基质中充分均匀分散。取出材料，以熔融状态通过冷二辊轧机获得片材(约2 mm 厚)，在15 MPa的压力下在 180 ℃下压缩成型 10 min，然后冷压缩 8 min。试样从压塑板上模切下来，24 h后用于测试[9]。

    1.3 性能测试

    1.3.1 机械性能测试 将试样制备成哑铃形，用XWW-20电子万能实验机测定复合材料的试样抗拉强度和断裂拉伸率，拉伸速度设置为500 mm/min，温度设置为23 ℃，相对湿度为62%HR[10]。用HTS-210D数显邵氏硬度计测定复合材料的邵氏硬度，温度设置为23 ℃，相对湿度为62%HR。

    1.3.2 动态力学性能测试 将试样制备成哑铃形，用DMA Q800动态力学分析仪测定复合材料的动态力学性能，升温速率设置为2 ℃/min，温度范围为-80～60 ℃，外加频率设置为1 Hz[10]。

    1.3.3 低速冲击性能测试 将试样制备成100 mm×100 mm×150 mm 的正方形，用SHLJ-LSIT-01型低速冲击测试仪测定复合材料的低速冲击性能测试。控制弹簧的压缩程度，以获得不同的冲击速度。在试样顶部预置厚20 mm的硬质板，以保证相同冲击条件。

    2.1 机械性能

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的机械性能测试结果见表1。

    表1 HIPS/EVA/WGRT复合材料的机械性能Table 1 Mechanical properties of HIPS/EVA/WGRT composites

    由表1可知，HIPS/EVA/WGRT复合材料的抗拉强度、邵氏A硬度和撕裂强度均随复合材料中HIPS含量的增加而增加，而断裂伸长率略有下降，这与HIPS本身优越的机械性能相关。在HIPS中，聚苯乙烯和橡胶粒子均匀分散，且大量聚苯乙烯被包裹在橡胶粒子中，形成了细胞机构，因此HIPS是决定复合材料力学性能的主要因素[11]。

    WGRT 粉末是一种有较高成本效益的环保材料，能够被用作热塑性基体中的分散弹性体相，作为复合材料的骨架材料[12]。在HIPS和WGRT两相体系中，加入EVA和SBS，可提高复合材料的加工性能及界面相容性[13]。因此，在机械性能方面，高HIPS含量低WGRT含量的复合材料能够获得更好的机械性能。结果表明HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，机械性能达到最强。

    2.2 动态力学性能

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的动态力学性能测试结果见表2。

    表2 HIPS/EVA/WGRT复合材料的动态力学性能Table 2 Dynamic mechanical properties of HIPS/EVA/WGRT composites

    由表2可知，随着HIPS含量的增加，WGRT含量的减少，tanδmax升高。这可以用分子相容性来解释[14]：HIPS本身是一种易加工的热塑性聚合物，有良好的混合特性，含量越高越能够发挥其力学特性；
    WGRT是由废旧轮胎粉碎而来，其本身固定的交联结构导致与其他聚合物基体之间的附着力较低，较高的含量会使材料之间分散不匀。较高含量的HIPS和较低含量的WGRT时，HIPS的体积大于WGRT，WGRT能够均匀分散在其中，不易堆积，相容性好，二者之间相互作用增强，中间部分阻尼增强[15]。结果表明HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，动态力学性能达到最好。

    2.3 低速冲击性能分析

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的冲击强度见图1。

    图1 HIPS/EVA/WGRT复合材料的冲击强度Fig.1 Impact strength of HIPS/EVA/WGRT composites

    由图1 可知，随着HIPS含量的增加，复合材料的拉伸强度显著提高。HIPS含量的增加，为体系中带来了更多的酰胺基团，基团内的极性羰基和活泼仲胺氢原子广泛形成化学键与氢键，从化学角度达到了增韧增强的作用。从材料角度来说，HIPS材料中包含的橡胶粒子不仅能够发生形变，还能诱导混合体系发生其他形式的塑性形变，从而耗散能量，提高冲击强度。有研究表明，橡胶粒子是吸收冲击能的关键，但其粒径和含量是需要综合考虑的因素，WGRT的加入能够增强冲击强度，但从结果来说，还是需要适当加入。结果表明，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，冲击强度达到最强。

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的剩余冲击载荷结果见图2。剩余冲击载荷是指材料受到冲击力后，经过材料内部作用后剩余的冲击力。剩余冲击载荷越小，说明材料能够吸收了力越多，材料的冲击吸收性能越好。

    图2 HIPS/EVA/WGRT复合材料的剩余冲击载荷Fig.2 Residual impact load of HIPS/EVA/WGRT composite

    由图2可知，冲击速度增加，材料受到的冲击力也越大，各混合比例材料的剩余冲击载荷也随之上升，且随HIPS的含量增加，剩余冲击载荷随之降低，说明HIPS含量提高了复合材料的冲击吸收性能。同时，随着冲击速度增加，各混合比例材料间的差距也随着增大，说明，在较高冲击力情况下，复合材料吸收性能越好。

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的峰值持续时间结果见图3。峰值持续时间为剩余载荷值的持续时间，时间越短，冲击力分散吸收越快，冲击隔离防护性能越好。

    图3 HIPS/EVA/WGRT复合材料的峰值持续时间Fig.3 Peak duration of HIPS/EVA/WGRT composite

    由图3可知，冲击速度增加，各混合比例材料的峰值持续时间越短，且随HIPS的含量增加，峰值持续时间随之降低，说明HIPS含量提高了复合材料的冲击隔离性能。同时，随着冲击速度增加，各混合比例材料间的差距也随着增大，说明，在较高冲击力情况下，复合材料冲击隔离性能越好。

    HIPS/EVA/WGRT复合材料在各种混合比例下的系统吸收能量结果见图4。系统吸收能量为材料被冲击时被消耗的冲击能量总量，系统吸收能量越高，材料的冲击防护性能越好。系统吸收能量可通过如下公式计算：

    式中，E为系统吸收能量；
    m为冲击头质量；
    v1为冲击头接触试样前的瞬时速度；
    v2为冲击头反弹离开试样时的瞬时速度。

    图4 HIPS/EVA/WGRT复合材料的系统吸收能量Fig.4 Energy absorption of HIPS/EVA/WGRT composite system

    由图4可知，冲击速度增加，各混合比例材料的系统吸收能量越高，且随HIPS的含量增加，峰值持续时间随之升高，说明HIPS含量提高了复合材料的冲击防护性能。同时，随着冲击速度增加，各混合比例材料间的差距也随着增大，说明，在较高冲击力情况下，复合材料冲击防护性能越好。

    HIPS本身具有优异的抗冲击性能，这得益于添加的微米级橡胶颗粒并通过枝接的办法把聚苯乙烯和橡胶颗粒连接在一起。当受到冲击时，裂纹扩展的尖端应力会被相对柔软的橡胶颗粒释放掉。因此，裂纹的扩展受到阻碍，抗冲击性得到了提高[16]。WGRE粉末的加入，增强了橡胶颗粒的应力吸收，同时EVA和SBS的界面相容性也使得整个体系的分散均匀度，大大提高了复合材料的冲击吸收性能。结果表明，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，冲击性能达到最好。

    (1)采用熔融法制备HIPS/EVA/WGRT热塑性弹性体复合材料，添加了12%SBS的HIPS/EVA/WGRT热塑性弹性体复合材料机械、动态力学性能优异，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，机械性能和动态力学性能达到最好。

    (2)HIPS/EVA/WGRT热塑性弹性体复合材料的低速冲击测试表明，HIPS的含量是决定复合材料抗冲击性能的关键，HIPS/EVA/WGRT 重量比=40/5/55时，机械性能和动态力学性能达到最好，且在实验范围内，材料冲击吸收性能随着速度增加而逐渐增大。

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