房高建
(1.電子科技大學(xué) 信息與軟件工程學(xué)院,四川 成都 610054;2.開封文化藝術(shù)職業(yè)學(xué)院,河南 開封 475000)
在進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)時(shí),穿運(yùn)動(dòng)鞋能夠有效起到緩沖作用,能夠保護(hù)運(yùn)動(dòng)者。鞋底的材質(zhì)決定了運(yùn)動(dòng)鞋的耐撞性、穩(wěn)定性、抗沖擊性和防滑性,進(jìn)而對(duì)運(yùn)動(dòng)者的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生重要影響[1-3]。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)運(yùn)動(dòng)鞋鞋底的設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行了研究[4-6]。將納米材料應(yīng)用于聚氨酯材料制備的聚氨酯鞋底,可提高運(yùn)動(dòng)鞋底的性能,這也是目前的研究者們關(guān)注的研究方向之一[7]。本文以低密度聚氨酯鞋底原液為聚氨酯基體,采用預(yù)聚法,在聚氨酯鞋底原液中添加納米CaCO3粒子,考察其防滑性能、耐磨性等性能。
乙二醇(EG)、二甘醇(DEG)、己二酸(AA)、鈦酸四異丙酯(TPT)、二苯甲烷-4’4-二異氰酸酯(MDI)、液化MDI、異丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)鈦酸酯(NDZ-201)偶聯(lián)劑、硬脂酸鈉分散劑均為工業(yè)級(jí);丙酮,分析純;氮?dú)鉃榫?;納米CaCO3(Φ=100 nm)。
KQ-16OTDB型臺(tái)式高頻數(shù)控超聲波產(chǎn)生器;JJ-1 型電動(dòng)攪拌器;PK-227A鞋防滑實(shí)驗(yàn)機(jī)。
1.2.1 納米CaCO3表面改性[8]將納米CaCO3、鈦酸酯偶聯(lián)劑、丙酮在60 ℃下超聲振蕩30 min。加入一定量硬脂酸鈉,攪拌混合均勻,超聲振蕩30 min,得到納米CaCO3濾餅。用丙酮沖洗,于100 ℃下烘干2 h以上。
1.2.2 低密度聚氨酯鞋底原液制備[9]按表1中的原料配比配制出低密度聚氨酯鞋底原液。采用預(yù)聚法,將EG、DEG、AA混合脫水后,加入催化劑TPT反應(yīng),制得聚酯多元醇。將部分聚酯多元醇與EG、DC及水在60 ℃下混勻靜止脫氣2 h,制備組合液A。加入MDI、液化MDI聚酯多元醇、抑制劑磷酸以及經(jīng)過表面處理的納米CaCO3,在60 ℃下攪拌混合3 h,制備組合液B。在45 ℃下,用EG溶解固體三乙烯二胺,制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的組合液C。
1.2.3 鞋底成型 將組合液A和C混合均勻,保持在40~45 ℃,倒入PU鞋底澆注器的A罐中;組合液B保持在40~42 ℃,倒入PU鞋底澆注器的B罐中。模具的整體溫度保持在50 ℃下,用PU鞋底澆注機(jī)器,將三組液體混合液注入180 mm×190 mm×9 mm的模具中,5 min后脫模,放置24 h后再進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試。
應(yīng)用PK-227A鞋防滑實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種鞋底(納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底(A1)以及純聚氨酯材料鞋底(A2))進(jìn)行防滑實(shí)驗(yàn);選擇防滑機(jī)轉(zhuǎn)速(150,250,300 mm/min),測(cè)試不同情況下的摩擦力和摩擦系數(shù);實(shí)驗(yàn)前后用電子秤稱量鞋底,通過磨損量來判斷鞋底的磨損性能。
A1和A2兩種鞋底材料在不同速度下的摩擦力對(duì)比見表1。
表1 不同材料在不同速度下的摩擦力Table 1 Friction force under different materials at different speeds
由表1可知,隨著防滑機(jī)速度的提高,不同材料的鞋底摩擦力增大。在三種情況下,A2的靜摩擦力>A1,動(dòng)摩擦力表現(xiàn)為A1>A2。因此,在靜摩擦力方面,納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底高于純聚氨酯材料鞋底;但在動(dòng)摩擦力方面,納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底的動(dòng)摩擦力低于純聚氨酯材料鞋底。
一般情況下,模型系數(shù)不能通過防滑實(shí)驗(yàn)直接獲得。摩擦系數(shù)可以通過測(cè)量摩擦力除以垂直壓力得到[10]。通過有限差分,摩擦系數(shù)可以通過以下公式換算:
(1)
通過積分換算可得:
(2)
在不考慮表面粗糙度的情況下,獲得的摩擦系數(shù)為:
(3)
式中k——比例系數(shù);
N——摩擦力,kg;
θ——接觸角,(°)。
根據(jù)計(jì)算,不同速度下的不同鞋底材料的摩擦系數(shù)見表2。
表2 不同材料在不同速度下的摩擦系數(shù)Table 2 Friction coefficients under different materials at different speeds
由表2可知,隨著防滑機(jī)轉(zhuǎn)速的提高,兩種材料的摩擦系數(shù)變化不大。速度對(duì)摩擦系數(shù)的影響不大,基本上符合靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)的規(guī)律。兩種材料的摩擦系數(shù)差別不大,可能是由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)誤差的原因,但也顯示出了較明顯的規(guī)律。
運(yùn)動(dòng)者在高速奔跑時(shí),鞋與地面的摩擦力絕對(duì)是影響運(yùn)動(dòng)員滑跑距離、急停時(shí)間和對(duì)地壓力的關(guān)鍵因素[11]。在運(yùn)動(dòng)過程中,一般運(yùn)動(dòng)者首先因慣性滑行,然后突然停止。腳首先受到地面的滑動(dòng)摩擦力,然后在停止后受到靜摩擦力[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,就動(dòng)摩擦力而言,納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底比純聚氨酯材料鞋底低,這說明納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底在運(yùn)動(dòng)員急停時(shí)較純聚氨酯材料鞋底滑行距離更短,能夠及時(shí)停止。摩擦系數(shù)對(duì)應(yīng)的防滑性能是運(yùn)動(dòng)鞋的重要指標(biāo)[13]。更小的靜摩擦系數(shù)代表更好的緩沖能力,更大的靜摩擦系數(shù)表現(xiàn)出良好的蹬伸效果,有利于運(yùn)動(dòng)員的后退和折返[14]。納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底的相關(guān)摩擦系數(shù)均優(yōu)于純聚氨酯材料鞋底。這進(jìn)一步說明,納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底比純聚氨酯材料鞋底防滑性能更好。
目前,納米粒子如何改善聚氨酯材料摩擦性能的機(jī)制尚無準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。其原因可能是納米粒子的小尺寸使其能夠均勻分散在聚氨酯材料中,同時(shí)其高比表面積以及高表面能,在固化過程能夠同時(shí)與聚氨酯材料中的相關(guān)基團(tuán)發(fā)生化學(xué)鍵合,化學(xué)鍵的高穩(wěn)定性能夠大幅增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料的強(qiáng)度。另外,納米粒子可以作為應(yīng)力集中點(diǎn),在摩擦過程中增強(qiáng)表面摩擦。
兩種材料在不同速度下的磨損量見表3。
表3 不同材料在不同速度下的磨損質(zhì)量Table 3 Different mass under different materials at different speeds
由表3可知,在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,隨著防滑機(jī)速度的提高,兩種不同材質(zhì)鞋底的磨損都有不同程度的加劇,A2低于A1。這說明納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底耐磨性能最好,純聚氨酯材料鞋底耐磨性能較差。
在增強(qiáng)耐磨性能方面,納米粒子的增強(qiáng)效應(yīng)與其他有機(jī)分子基材有關(guān)??赡艿淖饔脵C(jī)理有改性劑與填料表面互相作用、改性填料與有機(jī)基體見互相作用。針對(duì)這兩種作用機(jī)理,提出了幾種相關(guān)理論,包括化學(xué)鍵理論、表面浸潤(rùn)理論、可變形層理論和約束層理論[15-16]。化學(xué)鍵理論認(rèn)為是復(fù)合材料中的幾種材料間發(fā)生率化學(xué)鍵合,化學(xué)鍵使復(fù)合材料界面結(jié)合更強(qiáng)提升了強(qiáng)度。表面浸潤(rùn)理論則認(rèn)為是材料之間的均勻混合增強(qiáng)了物理吸附,提供了高粘結(jié)強(qiáng)度,從而提高了耐磨性能??勺冃螌永碚搫t認(rèn)為,納米粒子在復(fù)合材料中與其他物質(zhì)形成了有關(guān)柔性層,即變形層。變形層的柔韌性能降低,并分散接觸時(shí)的應(yīng)力,從而耐磨性能增強(qiáng)。約束層理論同樣也是提出了能夠均勻應(yīng)力的界面。按照以上理論,納米粒子增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)鞋底耐磨性能可能是因?yàn)榱W优c聚氨酯基體材料間形成了化學(xué)鍵,提高了材料強(qiáng)度。同時(shí),聚氨酯的大分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)能夠均勻吸附小尺寸的納米粒子,形成了既具有有機(jī)大分子柔韌性,又具有納米材料剛性的聚氨酯復(fù)合材料運(yùn)動(dòng)鞋底。
(1)納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底的摩擦學(xué)性能高于純聚氨酯材料鞋底,更有利運(yùn)動(dòng)員多樣化的動(dòng)作變化,有利于保護(hù)運(yùn)動(dòng)員,避免運(yùn)動(dòng)傷害。
(2)納米CaCO3復(fù)合聚氨酯材料鞋底抗磨損性能顯著高于純聚氨酯材料鞋底,經(jīng)久耐用。