摘要：幼兒玩具常使用傳統(tǒng)的塑料材料，這些材料可能含有對(duì)環(huán)境和人體有害的化學(xué)物質(zhì)，因此，尋找更環(huán)保的材料是一項(xiàng)重要任務(wù)。研究將環(huán)氧樹脂與聚氨酯預(yù)聚體結(jié)合，得到最終的聚氨酯-環(huán)氧樹脂合成水性樹脂，將新型環(huán)保樹脂用于幼兒玩具材料中，并對(duì)其特性進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)谌窝h(huán)利用后，合成樹脂的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)到了初始強(qiáng)度的90%，可多次進(jìn)行重復(fù)利用，新材料在使用過程中表現(xiàn)出了良好的性能和安全性，能夠?yàn)橛變和婢咝袠I(yè)提供更環(huán)保、安全、可持續(xù)的材料選擇，保護(hù)兒童的健康。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂；聚氨酯；環(huán)保材料；幼兒玩具

中圖分類號(hào)：TQ323.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）10-0076-04

Research on new environmentally friendly materials andcharacteristics testing applied to children’s toys

ZHANG Lei

（Normal College，Weinan Institute of Vocational Technology，Weinan 714000，Shaanxi China）

Abstract：Children’s toys often use traditional plastic materials，which may contain harmful chemicals to the envi?ronment and human body. Therefore，finding more environmentally friendly materials is an important task. In thisstudy， epoxy resin was combined with polyurethane prepolymer to obtain the final polyurethane-epoxy resin synthe?sis of water-based resin， and the new environmentally friendly resin was used in children’s toy materials， and itsproperties were tested. The experimental results showed that after the third recycling，the tensile strength of the syn?thetic resin recovered to 90% of its initial strength，which can be reused multiple times. The new material showedgood performance and safety during use，providing a more environmentally friendly，safe，and sustainable materialselection for the children’s toy industry，and protecting children’s health.

Key words：epoxy resin；polyurethane；environmentally friendly materials；children’s toys

傳統(tǒng)的幼兒玩具材料常常含有對(duì)環(huán)境和人體健康有害的化學(xué)物質(zhì)，這給兒童的健康和環(huán)境帶來潛在的風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，尋找更環(huán)保、安全的材料成為了一個(gè)迫切的問題。在以往的研究中，科學(xué)家們已經(jīng)開始關(guān)注環(huán)保材料的開發(fā)，但這些研究主要集中在一般應(yīng)用領(lǐng)域，較少有針對(duì)幼兒玩具材料的特定研究[2]。針對(duì)幼兒玩具材料的研究需要考慮到兒童特殊的生理特點(diǎn)，需要開展一項(xiàng)專門針對(duì)幼兒玩具的新型環(huán)保材料及特性測(cè)試的研究，以確保其對(duì)兒童和環(huán)境的安全性[3-4]。研究提出將環(huán)氧樹脂用于幼兒玩具制作中，并進(jìn)一步將聚氨酯用于環(huán)氧樹脂的制作中，以提高環(huán)氧樹脂的韌性，使環(huán)氧樹脂具有可循環(huán)利用的能力。

1新型環(huán)保合成水性樹脂材料及特性測(cè)試

1. 1基于聚氨酯-環(huán)氧樹脂的合成水性樹脂

環(huán)氧樹脂是一種在分子鏈中包含2個(gè)或2個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的聚合物的統(tǒng)稱[6]。當(dāng)液態(tài)的環(huán)氧樹脂與固化劑反應(yīng)后，形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使成品具有良好的熱穩(wěn)定性，粘接性和耐化學(xué)腐蝕性，在汽車、船舶、手工藝生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[7-8]。而聚氨酯樹脂是一種具有高強(qiáng)度、抗撕裂、耐磨等特性的聚合物材料，具有較高的軟粘性和回彈性，因而常被用于戶外標(biāo)牌、商標(biāo)、珠寶、鏡子、工藝品等生產(chǎn)[9]。將聚氨酯應(yīng)用于環(huán)氧樹脂中聚合而成的水性樹脂具有更好的柔韌性，使原材料能進(jìn)行重復(fù)的手工藝品制作。且合成的水性樹脂更加綠色環(huán)保，不含有毒化學(xué)物質(zhì)，水性產(chǎn)品的特性能更好地預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。研究將環(huán)氧樹脂與聚氨酯預(yù)聚體結(jié)合，添加擴(kuò)鏈劑后經(jīng)中和水化，得到最終的聚氨酯－環(huán)氧樹脂合成水性樹脂。合成聚氨酯－環(huán)氧樹脂具體制備步驟如下：

（1）需要制備聚氨酯預(yù)聚體，按摩爾比將聚己內(nèi)酯二元醇：異佛爾酮二異氰酸酯=5?1的比例準(zhǔn)備試劑，先將聚己內(nèi)酯二元醇放入三口燒杯，升溫至90℃并脫水1小時(shí)，直至溫度降至80℃時(shí)加入異佛爾酮二異氰酸酯至反應(yīng)瓶，得到聚氨酯預(yù)聚體[10-11]。

（2）將環(huán)氧樹脂與聚氨酯預(yù)聚體結(jié)合得到合成水性樹脂，具體制備方法為將10.00 g環(huán)氧樹脂、3.30g哌嗪和31.00 g聚氨酯預(yù)聚體混合投入反應(yīng)瓶中，再加入40.00 g的N，N-二甲基甲酰胺。

（3）當(dāng)升溫至55℃后放置5 h，加入與實(shí)際質(zhì)量相同的去離子水，通過水洗的方式得到前驅(qū)樹脂，加入冰醋酸中和，最后再次加入二倍質(zhì)量的去離子水?dāng)嚢枞榛?，即可得到合成的高韌性水性樹脂。其中，假設(shè)配方參數(shù)R為1.1，H為30%，二者的計(jì)算公t式如式（1）、式（2）所示。

R={nA/[nB+nC]}t（1）

式中：Rt為擴(kuò)鏈參數(shù)，用于控制合成樹脂分子的質(zhì)量，通常Rt取值大于1；A表示氨基；B表示環(huán)氧基；C表示異氰酸酯基。

H={[mD+mE]/[mD+mE+mF]}（2）

式中：H表示硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)，用于調(diào)節(jié)水性樹脂韌性；D表示環(huán)氧樹脂；E表示哌嗪；F表示聚氨酯預(yù)聚體。

（4）需制備固化物樣品，將聚氨酯-環(huán)氧樹脂合成水性樹脂和BL3370 MPA按摩爾比活潑氫?異氰酸酯基=2?1配置，倒入模具中待水分揮發(fā)即可。

1. 2環(huán)保樹脂幼兒玩具制作流程

通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)了聚氨酯-環(huán)氧樹脂合成材料制備，利用制備好的材料制作幼兒玩具，主要制作步驟如表1所示。

在幼兒玩具制作中，環(huán)保樹脂可以作為替代品用于制作各種零件，如塑料車輪、玩偶身體和形狀拼圖等。這些樹脂不僅可以滿足孩子們對(duì)于各種顏色、形狀和紋理的需求，而且具有符合環(huán)保要求的特性。

2環(huán)保樹脂特性分析

2. 1環(huán)保樹脂材料特性測(cè)試方法

在傅里葉紅外光譜（FT-IR）測(cè)試中，采用儀器為美國(guó)珀金埃爾默股份有限公司的Spectrum One，掃描波段為4 000～400 cm-1，測(cè)試對(duì)象為原料、聚氨酯預(yù)聚體和合成前驅(qū)樹脂[12-13]。動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）測(cè)試中，采用儀器為TAQ800型動(dòng)態(tài)機(jī)械分析儀，測(cè)試對(duì)象為固化物的玻璃化溫度T，頻率為1 Hz，升溫范圍為室溫g到150℃。在形狀記憶性能測(cè)試中，將樣品加熱達(dá)到玻璃態(tài)，軟化固定樣品后對(duì)其形狀固定率Rf進(jìn)行測(cè)試，再次加熱至玻璃態(tài)后對(duì)其形狀回復(fù)率R進(jìn)行測(cè)試，并r記錄不同配方參數(shù)時(shí)合成樹脂的玻璃化溫度[14-15]。

2. 2環(huán)保樹脂材料特性分析

根據(jù)研究提出的合成水性樹脂制備方法制作而成的試劑包含了測(cè)試原材料、聚氨酯預(yù)聚體和成品等，為鑒定制備過程中步驟及成品的正確性，實(shí)驗(yàn)首先采用紅外光譜分析方法對(duì)材料分子進(jìn)行分析和鑒定，得到紅外光譜圖結(jié)果如圖1所示。

圖1（a）中，對(duì)比PCL紅外光譜，IPDI-PCL-IPDI紅外譜中的—OH特征吸收峰消失，另外在3 378 cm-1處出現(xiàn)了—NH—特征吸收峰，在2 270 cm-1處出現(xiàn)了—NCO特征吸收峰，在1 500 cm-1處出現(xiàn)了—NH—的變形振動(dòng)峰。在圖1（b）中，對(duì)比環(huán)氧樹脂、產(chǎn)物和IP-I-PCL-IPDI的特征吸收峰，可以看出生成合成水性樹脂的過程順利。

為探究合成樹脂性能，研究通過定量法設(shè)置實(shí)驗(yàn)，通過改變參數(shù)Rt和H值的方法測(cè)定合成水性樹脂的粒徑和存儲(chǔ)特性，結(jié)果如表2所示。

表2中，當(dāng)固定參數(shù)H不變時(shí)，Rt為1.10時(shí)合成樹脂無法被水化；而當(dāng)Rt升至1.20時(shí)，合成樹脂能被水化，穩(wěn)定性在合格范圍內(nèi)。隨著R數(shù)t值的增加，合成成品的粒徑逐漸減小。當(dāng)固定參數(shù)Rt不變時(shí)，隨著H數(shù)值的增加，合成成品的粒徑同樣逐漸減小，且減小比例更大。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索配方參數(shù)對(duì)固化物影響，對(duì)成品進(jìn)行DMA測(cè)試，通過改變參數(shù)R和H值得到t合成環(huán)保樹脂與固化物玻璃化所需時(shí)間如圖2所示。

圖2中，當(dāng)固定參數(shù)H為30%時(shí)，令初始值為1.20，并以0.05趨勢(shì)增加，可以發(fā)現(xiàn)合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸降低，當(dāng)Rt為1.30時(shí)，玻璃化溫度降至24℃。當(dāng)固定參數(shù)R為1.30時(shí)，令H初始值t為1.20，并以10%趨勢(shì)增加，合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸升高，當(dāng)H為50%時(shí)，玻璃化溫度升至45℃。

為了保證幼兒在使用合成環(huán)保樹脂制作DIY時(shí)的安全性和環(huán)保性，研究對(duì)成品熱穩(wěn)定性和再加工性能進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，原始材料和經(jīng)過1次、2次、3次循環(huán)利用材料的拉伸應(yīng)力變化較小，拉伸強(qiáng)度略微下降，在第3次循環(huán)利用后拉伸強(qiáng)度達(dá)到16.56 MPa，恢復(fù)至初始強(qiáng)度的90%。表明材料具有較好的抗應(yīng)力變形能力，雖然經(jīng)過循環(huán)利用后，拉伸強(qiáng)度略微降低，但在第3次循環(huán)利用后依然能達(dá)到約16.56 MPa的拉伸強(qiáng)度，且恢復(fù)到初始強(qiáng)度的90%。這說明材料在多次利用后仍保持較高的拉伸強(qiáng)度，并且具有一定的強(qiáng)度恢復(fù)能力，符合環(huán)保和可循環(huán)利用的概念。

3結(jié)語

研究將聚氨酯與環(huán)氧樹脂結(jié)合增加樹脂膠的韌性，得到一種新型環(huán)保合成水性樹脂，將這種合成樹脂應(yīng)用于幼兒環(huán)保玩具制作中，并對(duì)其特性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在材料紅外光譜測(cè)試中對(duì)比特征吸收峰變化情況，可以看出生成合成水性樹脂的過程順利。固定參數(shù)H不變時(shí)，合成水性樹脂膠隨著Rt數(shù)值的增加，合成成品的粒徑逐漸減小。合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸降低，當(dāng)R為1.30時(shí)，玻璃化溫度降至24℃。當(dāng)固定參t數(shù)R不變時(shí)，合成樹脂膠的粒徑逐漸減小，且隨著tH的增加固化物的玻璃化溫度逐漸升高。當(dāng)?shù)?次循環(huán)利用后合成樹脂的拉伸強(qiáng)度恢復(fù)到了初始強(qiáng)度的90%，說明研究提出的合成環(huán)保水性樹脂材料表現(xiàn)出了良好的物理性能和安全性。

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