應用於幼兒玩具的水型樹脂環保材料特性測試研究

張磊

（渭南職業(ye) 技術學院 師範學院，陝西 渭南 714000）

摘要：幼兒(er) 玩具常使用傳(chuan) 統的塑料材料，這些材料可能含有對環境和人體(ti) 有害的化學物質，因此，尋找更環保的材料是一項重要任務。研究將環氧樹脂與(yu) 聚氨酯預聚體(ti) 結合，得到最終的聚氨酯-環氧樹脂合成水性樹脂，將新型環保樹脂用於(yu) 幼兒(er) 玩具材料中，並對其特性進行測試。實驗結果表明，當第三次循環利用後，合成樹脂的拉伸強度恢複到了初始強度的90%，可多次進行重複利用，新材料在使用過程中表現出了良好的性能和安全性，能夠為(wei) 幼兒(er) 玩具行業(ye) 提供更環保、安全、可持續的材料選擇，保護兒(er) 童的健康。

關(guan) 鍵詞：環氧樹脂；聚氨酯；環保材料；幼兒(er) 玩具

前言

傳(chuan) 統的幼兒(er) 玩具材料常常含有對環境和人體(ti) 健康有害的化學物質，這給兒(er) 童的健康和環境帶來潛在的風險^[1]。因此，尋找更環保、安全的材料成為(wei) 了一個(ge) 迫切的問題。在以往的研究中，科學家們(men) 已經開始關(guan) 注環保材料的開發，但這些研究主要集中在一般應用領域，較少有針對幼兒(er) 玩具材料的特定研究^[2]。針對幼兒(er) 玩具材料的研究需要考慮到兒(er) 童特殊的生理特點，需要開展一項專(zhuan) 門針對幼兒(er) 玩具的新型環保材料及特性測試的研究，以確保其對兒(er) 童和環境的安全性^[3-4]。研究提出將環氧樹脂用於(yu) 幼兒(er) 玩具製作中，並進一步將聚氨酯用於(yu) 環氧樹脂的製作中，以提高環氧樹脂的韌性，使環氧樹脂具有可循環利用的能力。

１新型環保合成水性樹脂材料記特性測試

1.1 基於(yu) 聚氨酯-環氧樹脂的合成水性樹脂

環氧樹脂是一種在分子鏈中包含2個(ge) 或2個(ge) 以上環氧基團的聚合物的統稱^[6]。當液態的環氧樹脂與(yu) 固化劑反應後，形成交聯網絡，使成品具有良好的熱穩定性，粘接性和耐化學腐蝕性，在汽車、船舶、手工藝生產(chan) 等領域得到了廣泛的應用^[7-8]。而聚氨酯樹脂是一種具有高強度、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，因而常被用於(yu) 戶外標牌、商標、珠寶、鏡子、工藝品等生產(chan) ^[9]。將聚氨酯應用於(yu) 環氧樹脂中聚合而成的水性樹脂具有更好的柔韌性，使原材料能進行重複的手工藝品製作。且合成的水性樹脂更加綠色環保，不含有毒化學物質，水性產(chan) 品的特性能更好地預防火災的發生。研究將環氧樹脂與(yu) 聚氨酯預聚體(ti) 結合，添加擴鏈劑後經中和水化，得到最終的聚氨酯－環氧樹脂合成水性樹脂。合成聚氨酯－環氧樹脂具體(ti) 製備步驟如下：

（1）需要製備聚氨酯預聚體(ti) ，按摩爾比將聚己內(nei) 酯二元醇：異佛爾酮二異氰酸酯=5∶1的比例準備試劑，先將聚己內(nei) 酯二元醇放入三口燒杯，升溫至90 ℃ 並脫水1小時，直至溫度降至80 ℃時加入異佛爾酮二異氰酸酯至反應瓶，得到聚氨酯預聚體(ti) ^[10-11]。

（2）將環氧樹脂與(yu) 聚氨酯預聚體(ti) 結合得到合成水性樹脂，具體(ti) 製備方法為(wei) 將10.00 g環氧樹脂、3.30 g呱 嗪和31.00 g聚氨酯預聚體(ti) 混合投入反應瓶中，再加入40.00 g的 N，N-二甲基甲酰胺。

（3）當升溫至55 ℃後放置5 h，加入與(yu) 實際質量相同的去離子水，通過水洗的方式得到前驅樹脂，加入冰醋酸中和，最後再次加入二倍質量的去離子水攪拌乳化，即可得到合成的高韌性水性樹脂。其中，假設配方參數 R_t 為(wei) 1.1，H 為(wei) 30%，二者的計算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：Rt為(wei) 擴鏈參數，用於(yu) 控製合成樹脂分子的質量，通常 R_t取值大於(yu) 1；A表示氨基；B表示環氧基；C 表示異氰酸酯基。

式中：H表示硬段質量分數，用於(yu) 調節水性樹脂韌性；D表示環氧樹脂；E表示呱 嗪；F表示聚氨酯預聚體(ti) 。

(4)需製備固化物樣品，將聚氨酯-環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即可。

1. 2環保樹脂幼兒(er) 玩具製作流程

通過上述步驟，實現了聚氨酯-環氧樹脂合成材料製備，利用製備好的材料製作幼兒(er) 玩具，主要製作步驟如表1所示。

在幼兒(er) 玩具製作中，環保樹脂可以作為(wei) 替代品用於(yu) 製作各種零件，如塑料車輪、玩偶身體(ti) 和形狀拚圖等。這些樹脂不僅(jin) 可以滿足孩子們(men) 對於(yu) 各種顏色形狀和紋理的需求，而且具有符合環保要求的特性。

2.環保樹脂特性分析

2. 1 環保樹脂材料特性測試方法

在傅裏葉紅外光譜（FT-IR）測試中，采用儀(yi) 器為(wei) 美國珀金埃爾默股份有限公司的Spectrum One，掃描波段為(wei) 4 000~400 cm^-1，測試對象為(wei) 原料、聚氨酯預聚體(ti) 和合成前驅樹脂^[12-13]。動態力學分析（DMA）測試中，采用儀(yi) 器為(wei) TAQ800型動態機械分析儀(yi) ，測試對象為(wei) 固化物的玻璃化溫度T_g ，頻率為(wei) 1 Hz，升溫範圍為(wei) 室溫到 150 ℃。在形狀記憶性能測試中，將樣品加熱達到玻璃態，軟化固定樣品後對其形狀固定率 Rf 進行測試，再次加熱至玻璃態後對其形狀回複率 R_r 進行測試，並記錄不同配方參數時合成樹脂的玻璃化溫度^[14-15]。

2. 2 環保樹脂材料特性分析

根據研究提出的合成水性樹脂製備方法製作而成的試劑包含了測試原材料、聚氨酯預聚體(ti) 和成品等，為(wei) 鑒定製備過程中步驟及成品的正確性，實驗首先采用紅外光譜分析方法對材料分子進行分析和鑒定，得到紅外光譜圖結果如圖1所示。圖1（a）中，對比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 處出現了—NH—特征吸收峰，在2 270 cm^-1 處出現了 —NCO特征吸收峰，在1 500 cm^-1 處出現了—NH—的變形振動峰。在圖 1（b）中，對比環氧樹脂、產(chan) 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(wei) 探究合成樹脂性能，研究通過定量法設置實驗，通過改變參數 R_t 和 H值的方法測定合成水性樹脂的粒徑和存儲(chu) 特性，結果如表2所示。

表2中，當固定參數 H 不變時，R_t 為(wei) 1.10時合成樹脂無法被水化；而當 R_t 升至 1.20 時，合成樹脂能被水化，穩定性在合格範圍內(nei) 。隨著 R_t 數值的增加，合成成品的粒徑逐漸減小。當固定參數 R_t 不變時，隨著 H 數值的增加，合成成品的粒徑同樣逐漸減小，且減小比例更大。

實驗進一步探索配方參數對固化物影響，對成品進行DMA測試，通過改變參數 R_t 和 H 值得到合成環保樹脂與(yu) 固化物玻璃化所需時間如圖2所示。

圖 2 中，當固定參數 H 為(wei)  30%時，令初始值為(wei)  1.20，並以0.05趨勢增加，可以發現合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸降低，當 Rt 為(wei) 1.30時，玻璃化溫度降 至 24 ℃。當固定參數 Rt 為(wei)  1.30 時，令 H 初始值為(wei)  1.20，並以10%趨勢增加，合成樹脂固化物的玻璃化溫度逐漸升高，當 H 為(wei) 50%時，玻璃化溫度升至45 ℃。

為(wei) 了保證幼兒(er) 在使用合成環保樹脂製作DIY時的安全性和環保性，研究對成品熱穩定性和再加工性能進行評估，結果如圖3所示。

由圖 3 可以發現，原始材料和經過 1 次、2 次、 3次循環利用材料的拉伸應力變化較小，拉伸強度略微下降，在第 3 次循環利用後拉伸強度達到 16.56 MPa，恢複至初始強度的 90%。表明材料具有較好的抗應力變形能力，雖然經過循環利用後，拉伸強度略微降低，但在第 3 次循環利用後依然能達到約 16.56 MPa 的拉伸強度，且恢複到初始強度的90%。這說明材料在多次利用後仍保持較高的拉伸強度，並且具有一定的強度恢複能力，符合環保和可循環利用的概念。

3 結語

研究將聚氨酯與(yu) 環氧樹脂結合增加樹脂膠的韌性，得到一種新型環保合成水性樹脂，將這種合成樹脂應用於(yu) 幼兒(er) 環保玩具製作中，並對其特性進行測試。測試結果表明，在材料紅外光譜測試中對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 H 不變時，合成水性樹脂膠隨著 R_t 數值的增加，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 R_t 為(wei)  1.30 時，玻璃化溫度降至 24 ℃。當固定參數 R_t 不變時，合成樹脂膠的粒徑逐漸減小，且隨著 H 的增加固化物的玻璃化溫度逐漸升高。當第3次循環利用後合成樹脂的拉伸強度恢複到了初始強度的 90%，說明研究提出的合成環保水性樹脂材料表現出了良好的物理性能和安全性。

來源：《粘接》2024年10月第51卷第10期