张磊

（渭南职业技术学院 师范学院，陕西 渭南 714000）

摘要：幼儿玩具常使用传统的塑料材料，这些材料可能含有对环境和人体有害的化学物质，因此，寻找更环保的材料是一项重要任务。研究将环氧树脂与聚氨酯预聚体结合，得到最终的聚氨酯-环氧树脂合成水性树脂，将新型环保树脂用于幼儿玩具材料中，并对其特性进行测试。实验结果表明，当第三次循环利用后，合成树脂的拉伸强度恢复到了初始强度的90%，可多次进行重复利用，新材料在使用过程中表现出了良好的性能和安全性，能够为幼儿玩具行业提供更环保、安全、可持续的材料选择，保护儿童的健康。

关键词：环氧树脂；聚氨酯；环保材料；幼儿玩具

前言

传统的幼儿玩具材料常常含有对环境和人体健康有害的化学物质，这给儿童的健康和环境带来潜在的风险^[1]。因此，寻找更环保、安全的材料成为了一个迫切的问题。在以往的研究中，科学家们已经开始关注环保材料的开发，但这些研究主要集中在一般应用领域，较少有针对幼儿玩具材料的特定研究^[2]。针对幼儿玩具材料的研究需要考虑到儿童特殊的生理特点，需要开展一项专门针对幼儿玩具的新型环保材料及特性测试的研究，以确保其对儿童和环境的安全性^[3-4]。研究提出将环氧树脂用于幼儿玩具制作中，并进一步将聚氨酯用于环氧树脂的制作中，以提高环氧树脂的韧性，使环氧树脂具有可循环利用的能力。

１新型环保合成水性树脂材料记特性测试

1.1 基于聚氨酯-环氧树脂的合成水性树脂

环氧树脂是一种在分子链中包含2个或2个以上环氧基团的聚合物的统称^[6]。当液态的环氧树脂与固化剂反应后，形成交联网络，使成品具有良好的热稳定性，粘接性和耐化学腐蚀性，在汽车、船舶、手工艺生产等领域得到了广泛的应用^[7-8]。而聚氨酯树脂是一种具有高强度、抗撕裂、耐磨等特性的聚合物材料，具有较高的软粘性和回弹性，因而常被用于户外标牌、商标、珠宝、镜子、工艺品等生产^[9]。将聚氨酯应用于环氧树脂中聚合而成的水性树脂具有更好的柔韧性，使原材料能进行重复的手工艺品制作。且合成的水性树脂更加绿色环保，不含有毒化学物质，水性产品的特性能更好地预防火灾的发生。研究将环氧树脂与聚氨酯预聚体结合，添加扩链剂后经中和水化，得到最终的聚氨酯－环氧树脂合成水性树脂。合成聚氨酯－环氧树脂具体制备步骤如下：

（1）需要制备聚氨酯预聚体，按摩尔比将聚己内酯二元醇：异佛尔酮二异氰酸酯=5∶1的比例准备试剂，先将聚己内酯二元醇放入三口烧杯，升温至90 ℃ 并脱水1小时，直至温度降至80 ℃时加入异佛尔酮二异氰酸酯至反应瓶，得到聚氨酯预聚体^[10-11]。

（2）将环氧树脂与聚氨酯预聚体结合得到合成水性树脂，具体制备方法为将10.00 g环氧树脂、3.30 g哌 嗪和31.00 g聚氨酯预聚体混合投入反应瓶中，再加入40.00 g的 N，N-二甲基甲酰胺。

（3）当升温至55 ℃后放置5 h，加入与实际质量相同的去离子水，通过水洗的方式得到前驱树脂，加入冰醋酸中和，最后再次加入二倍质量的去离子水搅拌乳化，即可得到合成的高韧性水性树脂。其中，假设配方参数 R_t 为1.1，H 为30%，二者的计算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：Rt为扩链参数，用于控制合成树脂分子的质量，通常 R_t取值大于1；A表示氨基；B表示环氧基；C 表示异氰酸酯基。

式中：H表示硬段质量分数，用于调节水性树脂韧性；D表示环氧树脂；E表示哌 嗪；F表示聚氨酯预聚体。

(4)需制备固化物样品，将聚氨酯-环氧树脂合成水性树脂和 BL3370 MPA按摩尔比活泼氢：异氰酸酯基=2：1配置，倒入模具中待水分挥发即可。

1. 2环保树脂幼儿玩具制作流程

通过上述步骤，实现了聚氨酯-环氧树脂合成材料制备，利用制备好的材料制作幼儿玩具，主要制作步骤如表1所示。

在幼儿玩具制作中，环保树脂可以作为替代品用于制作各种零件，如塑料车轮、玩偶身体和形状拼图等。这些树脂不仅可以满足孩子们对于各种颜色形状和纹理的需求，而且具有符合环保要求的特性。

2.环保树脂特性分析

2. 1 环保树脂材料特性测试方法

在傅里叶红外光谱（FT-IR）测试中，采用仪器为美国珀金埃尔默股份有限公司的Spectrum One，扫描波段为4 000~400 cm^-1，测试对象为原料、聚氨酯预聚体和合成前驱树脂^[12-13]。动态力学分析（DMA）测试中，采用仪器为TAQ800型动态机械分析仪，测试对象为固化物的玻璃化温度T_g ，频率为1 Hz，升温范围为室温到 150 ℃。在形状记忆性能测试中，将样品加热达到玻璃态，软化固定样品后对其形状固定率 Rf 进行测试，再次加热至玻璃态后对其形状回复率 R_r 进行测试，并记录不同配方参数时合成树脂的玻璃化温度^[14-15]。

2. 2 环保树脂材料特性分析

根据研究提出的合成水性树脂制备方法制作而成的试剂包含了测试原材料、聚氨酯预聚体和成品等，为鉴定制备过程中步骤及成品的正确性，实验首先采用红外光谱分析方法对材料分子进行分析和鉴定，得到红外光谱图结果如图1所示。图1（a）中，对比PCL红外光谱，IPDI-PCL-IPDI 红外谱中的—OH特征吸收峰消失，另外在3 378 cm^-1 处出现了—NH—特征吸收峰，在2 270 cm^-1 处出现了 —NCO特征吸收峰，在1 500 cm^-1 处出现了—NH—的变形振动峰。在图 1（b）中，对比环氧树脂、产物和 IP-I-PCL-IPDI的特征吸收峰，可以看出生成合成水性树脂的过程顺利。

为探究合成树脂性能，研究通过定量法设置实验，通过改变参数 R_t 和 H值的方法测定合成水性树脂的粒径和存储特性，结果如表2所示。

表2中，当固定参数 H 不变时，R_t 为1.10时合成树脂无法被水化；而当 R_t 升至 1.20 时，合成树脂能被水化，稳定性在合格范围内。随着 R_t 数值的增加，合成成品的粒径逐渐减小。当固定参数 R_t 不变时，随着 H 数值的增加，合成成品的粒径同样逐渐减小，且减小比例更大。

实验进一步探索配方参数对固化物影响，对成品进行DMA测试，通过改变参数 R_t 和 H 值得到合成环保树脂与固化物玻璃化所需时间如图2所示。

图 2 中，当固定参数 H 为 30%时，令初始值为 1.20，并以0.05趋势增加，可以发现合成树脂固化物的玻璃化温度逐渐降低，当 Rt 为1.30时，玻璃化温度降 至 24 ℃。当固定参数 Rt 为 1.30 时，令 H 初始值为 1.20，并以10%趋势增加，合成树脂固化物的玻璃化温度逐渐升高，当 H 为50%时，玻璃化温度升至45 ℃。

为了保证幼儿在使用合成环保树脂制作DIY时的安全性和环保性，研究对成品热稳定性和再加工性能进行评估，结果如图3所示。

由图 3 可以发现，原始材料和经过 1 次、2 次、 3次循环利用材料的拉伸应力变化较小，拉伸强度略微下降，在第 3 次循环利用后拉伸强度达到 16.56 MPa，恢复至初始强度的 90%。表明材料具有较好的抗应力变形能力，虽然经过循环利用后，拉伸强度略微降低，但在第 3 次循环利用后依然能达到约 16.56 MPa 的拉伸强度，且恢复到初始强度的90%。这说明材料在多次利用后仍保持较高的拉伸强度，并且具有一定的强度恢复能力，符合环保和可循环利用的概念。

3 结语

研究将聚氨酯与环氧树脂结合增加树脂胶的韧性，得到一种新型环保合成水性树脂，将这种合成树脂应用于幼儿环保玩具制作中，并对其特性进行测试。测试结果表明，在材料红外光谱测试中对比特征吸收峰变化情况，可以看出生成合成水性树脂的过程顺利。固定参数 H 不变时，合成水性树脂胶随着 R_t 数值的增加，合成成品的粒径逐渐减小。合成树脂固化物的玻璃化温度逐渐降低，当 R_t 为 1.30 时，玻璃化温度降至 24 ℃。当固定参数 R_t 不变时，合成树脂胶的粒径逐渐减小，且随着 H 的增加固化物的玻璃化温度逐渐升高。当第3次循环利用后合成树脂的拉伸强度恢复到了初始强度的 90%，说明研究提出的合成环保水性树脂材料表现出了良好的物理性能和安全性。

来源：《粘接》2024年10月第51卷第10期