一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法
阅读说明：本技术 一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法 (Foaming composite material for bicycle safety helmet and preparation method thereof ) 是由 张道增 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明属于头盔功能材料领域,具体涉及一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法。本发明将二氧化硅湿凝胶、聚醚、阿拉伯树胶粉形成的预混物分散在预反应的聚氨酯低聚物中,聚醚与低聚物进一步发泡反应,同时将湿凝胶、阿拉伯树胶均匀的分散在聚氨酯泡沫中,通过浸入聚乙二醇600吸附后,在聚氨酯泡沫中形成均匀的由二氧化硅、阿拉伯树胶、聚乙二醇600形成的非牛顿流体；该发泡材料使用时在平常具有良好的柔软性和缓冲性赋予良好的舒适感,但在遭受剧烈碰撞时,由于受快速冲击,复合发泡材料中的有二氧化硅、阿拉伯树胶、聚乙二醇600形成的非牛顿流体快速集聚由柔软变硬,从而使得头盔不易碎裂和刺穿,保护头部受伤。(The invention belongs to the field of helmet functional materials, and particularly relates to a foaming composite material for a bicycle safety helmet and a preparation method thereof. The invention disperses the premix formed by silica wet gel, polyether and arabic gum powder in the pre-reacted polyurethane oligomer, the polyether and the oligomer are further foamed and reacted, at the same time, the wet gel and the arabic gum are uniformly dispersed in the polyurethane foam, and after the wet gel and the arabic gum are immersed in polyethylene glycol 600 for adsorption, the uniform non-Newtonian fluid formed by silica, arabic gum and polyethylene glycol 600 is formed in the polyurethane foam; the foaming material has good softness and cushioning property at ordinary times to endow good comfort feeling when in use, but when in severe collision, the non-Newtonian fluid formed by silica, gum arabic and polyethylene glycol 600 in the composite foaming material is rapidly gathered and hardened by softness due to rapid impact, so that the helmet is not easy to crack and pierce, and the head is protected from being injured.)
技术领域
本发明属于头盔功能材料领域，具体涉及一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法。
背景技术
头盔是以塑料为主要材质的头部保护装置，主要是由外壳、衬里以及悬挂装置等三个部分组成。头盔在建筑行业、采矿挖掘领域、体育运动领域广泛的被使用。特别是在骑行领域，如自行车骑行中，要求头盔轻而坚硬。既要求外壳和缓冲层来保护头部，又需要轻便舒适的感觉。目前头盔外壳材质一般分为ABS工程塑料、PC+ABS复合材料、玻璃钢、碳纤维等，要求材料具有优异的耐热耐候性、极佳的稳定性以及耐磨、耐冲击性能。
缓冲层贴于外壳内部，主要功能是吸收外来的冲击力。缓冲层主要采用白色的发泡苯乙烯材料、发泡聚氨酯。但由于缓冲层采用泡沫材料，其强度、耐挤压性较差。在实际使用时，由于泡沫体被压缩的变形距离有限，在较大的冲击力作用下，其所形成的缓冲效果并不理想。另外就是泡沫体一般刚度偏小，不利于冲击力的分散和传播，使得冲击力过度集中，戴用者头部仍然有受伤的危险。一旦发生剧烈的碰撞，碎裂的外壳造成缓冲层刺穿，严重影响头部安全。为了提升头盔的安全性能，目前采用加厚外壳来进行改进。然而，对于加厚的头盔会增加重量，使骑行舒适感大大降低。也有通过增加缓冲层厚度来提升头盔安全性，但过厚的缓冲层会使得头盔体积增大，显的笨拙。
因此，开发新型的缓冲材料对提高头盔舒适性和安全性尤为重要。现有技术已公开在外壳与内衬发泡体缓冲层间贴附一层气泡垫，来辅助增加缓冲效果。但气泡垫容易破裂，失去缓冲吸收效果。非牛顿流体作为一种介于固体和液体的材料，在头盔安全防护方面具有重要的价值。技术报道：英国D3O公司研发了一种新型凝胶材料，具有液体和固体物质的双重特性的非牛顿流体。其在轻轻揉捏时为很软、柔韧的胶质物，但当强烈撞击时会在瞬间变得很硬。这种凝胶可以用在各种头盔上。只为进一步开拓头盔安全性和舒适性提供了技术思路。
但如何将非牛顿流体合理的用于头盔目前报道较少。由于非牛顿流体特殊的性质，其单独使用存在析出、渗漏等问题，即使做成凝胶体，如何与现有头盔缓冲层良好的结合均存在问题。
发明内容
为了提升自行车头盔材料的向安全性和舒适性，本发明提出一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法，通过将复合的非牛顿流体置于发泡聚氨酯，使其间距柔软缓冲性和剧烈碰撞时的硬化保护效果。将该材料贴于头盔外壳与缓冲层之间，在剧烈撞击剪切作用下发生快速聚集，由软***，吸收撞击能，并能够防止强烈撞击时的刺穿、挤压等，有效保护头部。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案来实现：
一种自行车安全头盔用发泡复合材料的制备方法，其关键的特征是：具体制备方法如下：
(1)将正硅酸乙酯加入反应釜，然后加入水和乙醇，在搅拌时加入氢氟酸，调整溶液的pH值为3-4，搅拌至正硅酸乙酯完全水解后，过滤，得到湿凝胶，然后加入聚醚、***树胶粉得到预混物；
(2)将聚醚和异氰酸酯预反应，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入步骤(1)得到的预混物、催化剂和表面活性剂搅拌均匀迅速加入厚度为5-10mm 的板状模具发泡定型；
(3)将步骤(2)得到的发泡材料干燥，浸入熔化的聚乙二醇600，吸附聚乙二醇600后冷却，得到一种自行车安全头盔用发泡复合材料。
进一步的，步骤(1)中所述正硅酸乙酯、水、乙醇的质量比为1：3-5:3-5。
进一步的，步骤(1)中所述搅拌至正硅酸乙酯完全水解控制在1-2h。
进一步的，步骤(1)中所述湿凝胶、聚醚、***树胶粉以质量比 10-15:20-25:5-10混合得到预混物。其中湿凝胶为自然滤除大部分水的半干湿凝胶。
进一步的，步骤(2)中所述聚醚和异氰酸酯、预混物、催化剂和表面活性剂的质量比为：50:30-35：50-60:0.1-0.2:0.5-1。
进一步的，步骤(1)、(2)中所述聚醚选用聚醚330。
进一步的，步骤(2)中所述异氰酸酯选自异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯中的一种。
进一步的，步骤(2)中所述催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡中的一种。
进一步的，步骤(2)中所述表面活性剂为硅油。
本发明的第二个目的是提供由上述方法制备得到的一种自行车安全头盔用发泡复合材料。该泡沫材料使用时直接裁切粘合在自行车头盔外壳层内，具有优异的缓冲功能。更为显著地功能表现在：本发明首先制备了二氧化硅的湿凝胶，将湿凝胶、聚醚、***树胶粉形成的预混物分散在预反应的低聚物中，聚醚与低聚物进一步发泡反应，同时将湿凝胶、***树胶均匀的分散在聚氨酯泡沫中，通过浸入聚乙二醇600吸附后，形成在聚氨酯泡沫中均匀的分散有二氧化硅、***树胶、聚乙二醇600形成的非牛顿流体；该发泡材料具有良好的柔软性和缓冲性，用于自行车头盔材料时，直接裁切后粘贴在头盔外壳的内部。该发泡材料使用时在平常具有良好的柔软性和缓冲性赋予良好的舒适感，但在遭受剧烈碰撞时，由于受冲击速度较快，复合发泡材料中的有二氧化硅、***树胶、聚乙二醇600形成的非牛顿流体快速集聚由柔软***，从而使得头盔不易碎裂和刺穿，保护头部受伤。
公知的，头盔外壳的内层均会设置一层缓冲层，该缓冲层在受到轻微碰撞时会较好的保护头部，然而在受到强烈撞击时，缓冲层保护效果不明显，甚至会随着外壳的碎裂而发生刺穿等，对头部构成威胁。本发明创造性的将二氧化硅、***树胶、聚乙二醇600形成的非牛顿流体均匀的负载于发泡聚氨酯中形成复合发泡材料，该材料在一般使用情况下具有良好的柔软性和缓冲性；在遭受强力撞击时，由于撞击速度快，复合发泡材料中的非牛顿流体在撞击剪切作用下发生快速聚集，由软***，吸收撞击能，并能够防止强烈撞击时的刺穿、挤压等，有效保护头部，是一种极具实用性的安全头盔材料。
一种自行车安全头盔用发泡复合材料及制备方法，与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)通过制备二氧化硅的湿凝胶，将湿凝胶、聚醚、***树胶粉形成预混物，从而作为反应物在与预反应的低聚物进行发泡反应时，预混物中的聚醚与低聚物在催化剂、湿凝胶水分作用下发泡反应，同时将湿凝胶、***树胶均匀的分散在聚氨酯泡沫中，实现了均匀的负载分散；
(2)发泡聚氨酯吸附聚乙二醇600后，与二氧化硅(湿凝胶的干燥产物)、***树胶均形成非牛顿流体，其负载牢固，在非急速撞击时保持良好的发泡材料柔软性、弹性；在遭受强力撞击时，由于撞击速度快，复合发泡材料中的非牛顿流体在撞击剪切作用下发生快速聚集，由软***，吸收撞击能，并能够防止强烈撞击时的刺穿、挤压等，有效保护头部；
(3)本发明制备处理工艺简单，对设备无特殊要求，易于实现，易于规模化生产推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将以示意图的方式表示本发明的技术思路。
图1是本发明制备流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)将正硅酸乙酯加入反应釜，然后加入水和乙醇，正硅酸乙酯、水、乙醇的质量比为1：3:5，在搅拌时加入氢氟酸，调整溶液的pH值为3，搅拌1h至正硅酸乙酯完全水解后，滤纸过滤，自然过滤30min，滤除大部分水，得到湿凝胶，然后加入聚醚330、***树胶粉得到预混物；湿凝胶、聚醚、***树胶粉以质量比10:20:10混合；
(2)将聚醚330、甲苯二异氰酸酯、预混物、催化剂辛酸亚锡、表面活性剂硅油按质量比：50:30：50:0.1:0.5称取物料；将聚醚330和甲苯二异氰酸酯预反应30min，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入预混物、催化剂和表面活性剂搅拌均匀后迅速加入厚度为10mm的板状模具发泡定型；
(3)将步骤(2)得到的发泡材料干燥，将聚乙二醇600加热至70℃完全熔化，然后将发泡材料浸入吸附聚乙二醇600后冷却，得到一种自行车安全头盔用发泡复合材料。
实施例2
(1)将正硅酸乙酯加入反应釜，然后加入水和乙醇，正硅酸乙酯、水、乙醇的质量比为1：4:3，在搅拌时加入氢氟酸，调整溶液的pH值为3，搅拌1h至正硅酸乙酯完全水解后，滤纸过滤，自然过滤30min，滤除大部分水，得到湿凝胶，然后加入聚醚330、***树胶粉得到预混物；湿凝胶、聚醚、***树胶粉以质量比10:20:5混合；
(2)将聚醚330、甲苯二异氰酸酯、预混物、催化剂二月桂酸二丁基锡、表面活性剂硅油按质量比为：50:35：60:0.2:1称取物料；将聚醚330和甲苯二异氰酸酯预反应45min，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入预混物、催化剂和表面活性剂搅拌均匀后迅速加入厚度为10mm的板状模具发泡定型；
(3)将步骤(2)得到的发泡材料干燥，将聚乙二醇600加热至70℃完全熔化，然后将发泡材料浸入吸附聚乙二醇600后冷却，得到一种自行车安全头盔用发泡复合材料。
实施例3
(1)将正硅酸乙酯加入反应釜，然后加入水和乙醇，正硅酸乙酯、水、乙醇的质量比为1：5:5，在搅拌时加入氢氟酸，调整溶液的pH值为3，搅拌2h至正硅酸乙酯完全水解后，滤纸过滤，自然过滤30min，滤除大部分水，得到湿凝胶，然后加入聚醚330、***树胶粉得到预混物；湿凝胶、聚醚、***树胶粉以质量比15:25:10混合；
(2)将聚醚330、异佛尔酮二异氰酸酯、预混物、催化剂辛酸亚锡、表面活性剂硅油按质量比为：50:30：55:0.1:0.5称取物料；将聚醚330和异佛尔酮二异氰酸酯预反应30min，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入预混物、催化剂和表面活性剂搅拌均匀后迅速加入厚度为10mm的板状模具发泡定型；
(3)将步骤(2)得到的发泡材料干燥，将聚乙二醇600加热至70℃完全熔化，然后将发泡材料浸入吸附聚乙二醇600后冷却，得到一种自行车安全头盔用发泡复合材料。
对比例1
(1)将正硅酸乙酯加入反应釜，然后加入水和乙醇，正硅酸乙酯、水、乙醇的质量比为1：3:5，在搅拌时加入氢氟酸，调整溶液的pH值为3，搅拌1h至正硅酸乙酯完全水解后，滤纸过滤，自然过滤30min，滤除大部分水，得到湿凝胶，然后加入聚醚330、***树胶粉得到预混物；湿凝胶、聚醚以质量比10:20 混合；
(2)将聚醚330、甲苯二异氰酸酯、预混物、催化剂辛酸亚锡、表面活性剂硅油按质量比：50:30：50:0.1:0.5称取物料；将聚醚330和甲苯二异氰酸酯预反应30min，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入预混物、催化剂和表面活性剂搅拌均匀后迅速加入厚度为10mm的板状模具发泡定型；
(3)将步骤(2)得到的发泡材料干燥，将聚乙二醇600加热至70℃完全熔化，然后将发泡材料浸入吸附聚乙二醇600后冷却，得到一种自行车安全头盔用发泡复合材料。
对比例1在预混物中没有加入***树胶，其余配方和工艺与实施例1一致。由于缺少***树胶，形成的非牛顿流体效果降低，在高速冲击时发泡材料的凝聚防护效果较低。
对比例2
将第一份聚醚330、甲苯二异氰酸酯、第二份聚醚330、催化剂辛酸亚锡、表面活性剂硅油、水按质量比：50:30：25:0.1:0.5：1称取物料；将第一份聚醚330和甲苯二异氰酸酯预反应30min，形成末端带有异氰酸酯的低聚物；然后加入第二份聚醚330、催化剂和表面活性剂、水搅拌均匀后迅速加入厚度为10mm 的板状模具发泡定型、干燥得到发泡聚氨酯。
对比例2在发泡聚氨酯中没有负载非牛顿流体材料，在高速冲击时发泡材料几乎没有防护效果。
对上述实施例1-3、对比例1-2得到的复合发泡材料进行性能测试对比。
1、回弹率：将实施例1-3、对比例1-2得到的复合发泡材料分别裁切10cm× 10cm的样品，将1kg的10cm×10cm的压板静压在复合发泡材料，放置10min，测量样品压缩比(压前厚度/压后厚度)；然后撤去压力，测量样品回弹性(撤销压力的厚度/原厚度)；以衡量其压缩性、柔性、弹性；
2、抗冲击性:将实施例1-3、对比例1-2得到的复合发泡材料分别裁切20cm ×20cm的样品，平放在硬板上,在上方60cm处自然下落一重量为2kg的铁球冲击复合发泡材料，观察发泡材料表面被冲击的情况。如表1所示。
表1：
通过测试，本发明复合发泡材料具有优异的回弹性，具备在常规使用时的柔软舒适性。在受到强力快速碰撞冲击时，该材料易于聚集硬化，能够较好的形成保护层。其用于自行车头盔与缓冲层间，可以有效防止剧烈撞击产生碎片等刺穿，是现有头盔缓冲层极佳的防护辅助材料。而对比例1由于没有加入***树胶，形成的非牛顿流体效果降低，在高速冲击时发泡材料的凝聚防护效果较低。对比例2在发泡聚氨酯中没有负载非牛顿流体材料，在高速冲击时发泡材料几乎没有防护效果。
上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。