王愛娟，張 毅

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387)

乒乓球是我國的國球，乒乓球運動是我國最為普及的運動之一。和其他體育運動一樣，高新技術(shù)和新材料在乒乓球器材的開發(fā)和研究中起著越來越重要的作用。乒乓球運動員使用的球拍(除個別特殊打法不用海綿外)都是由膠皮、海綿、底板3部分組成。海綿層即微孔橡膠層，它具有很高的彈性，厚度約為2 mm，起著吸收來球能量，而后迅速將能量輸送給來球使球迅速反彈回去，另外，也有控制球的作用以及增強膠皮的回彈性作用［1］。乒乓海綿對彈性的要求較高，同時又要輕盈、靈敏、易于控制，無僵木感［2-4］。以往全部采用天然橡膠做主體材料，其塑煉工時長，制品發(fā)泡倍率低，而且硫化后收縮大，需停放一個月才能切片;另外，還存在著填充量小、海綿規(guī)格小、廢邊率高的問題，使海綿的制造成本較高［5－7］，因而本文研究的目的是尋找一種新型的材料來替代這種乒乓海綿。

1 增強體的制備

本文欲采用紡織復(fù)合材料替代乒乓海綿，其增強體為紡織品，常用的乒乓海綿厚度在2 mm左右，而傳統(tǒng)的紡織品厚度達不到，欲采用多層織物。

1.1 織物組織的設(shè)計

多層織物分為角聯(lián)鎖和結(jié)接多層2種。角聯(lián)鎖織物的表面隨著層數(shù)的增加形成明顯的斜紋效應(yīng)，而結(jié)接多層織物表面可形成平整的外觀，因此，結(jié)接多層三維機織物是平板狀三維機織物的一種，能夠一次性完成。

經(jīng)過多次試驗，織物組織最終確定為滿足厚度要求的4層結(jié)接多層組織，織物組織圖如圖1所示。

圖1 結(jié)接多層組織圖Fig.1 Stitched multi-ply fabric weave

1.2 織物試織上機設(shè)計

選用紗線分別為滌綸低彈絲，線密度為161.1 tex;精梳棉紗，線密度為14.6 tex×10;織物經(jīng)緯密均為280根/10 cm。小樣試織采用順穿法，共8片綜，每筘4入，選用70號鋼筘。

1.3 小樣試織實物

小樣試織效果如圖2、3所示。

圖2 棉織物小樣Fig.2 Cotton fabric sample.(a)Front;(b)Back

2 基體的選擇和復(fù)合工藝

替代乒乓海綿的紡織復(fù)合材料應(yīng)具有良好的彈性和柔韌性，故基體選擇柔性樹脂。目前研究最多的柔性樹脂主要有聚氨酯樹脂、聚丙烯酸酯等［8－10］。其中聚氨酯的彈性要優(yōu)于聚丙烯酸酯，故本試驗采用聚氨酯樹脂為基體材料。

圖3 滌綸低彈絲織物小樣Fig.3 Polyester DTY fabric sample.(a)Front;(b)Back

經(jīng)過大量的試驗最終確定基體材料為含固量15%的水性聚氨酯，采用二浸二軋工藝，第1次浸軋帶液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸軋帶液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，最后130℃高溫烘焙30 min。

3 表層樹脂膜的制備

織物在經(jīng)過浸軋?zhí)幚砗螅浔砻娌⒉黄秸?，這將會對代替乒乓海綿的復(fù)合材料有一定的影響。因為在球拍的性能中提到橡膠海綿的發(fā)泡要均勻，表面要細(xì)膩，所以經(jīng)過樹脂浸軋的織物表面要平整。為解決這一問題，要對浸軋后的織物進行涂層。

3.1 試驗原料和儀器

原料:上海源禾化工有限公司的含固量為60%的1537型和T213型水性聚氨酯，煙臺華大化學(xué)有限公司的含固量為43%的6110型和6256型水性聚氨酯。

儀器:烘箱、YT03-043型電動離心沉淀機、玻璃棒、制膜模具(實驗室自制)等。

3.2 膜的制備

首先將樹脂進行離心脫泡，離心速度為2500 r/min左右，離心時間為10 min;然后將離心好的樹脂倒在制膜模具上，用玻璃棒將其刮平;靜置3～5 min后，將模具放入烘箱，按照正交試驗設(shè)計如表1所示的條件，先干燥60 min，然后轉(zhuǎn)為高溫烘焙，烘焙時間為10 min;最后取出模具，冷卻至室溫后將膜從模具上取下備用。

3.3 水性聚氨酯及其膜的性能

3.3.1 水性聚氨酯黏度的測定

采用博力飛DV-2型黏度計進行測試，轉(zhuǎn)速為20 r/min，測試溫度為22℃，連續(xù)測10 min，間隔5 s記一次數(shù)，以最后穩(wěn)定的數(shù)據(jù)為結(jié)果，如表2所示。

表1 正交試驗設(shè)計表Tab.1 Orthogonal test design table

表2 樹脂的黏度Tab.2 Viscosity of resin

由表2可看出，6256黏度值最大，其次是6110，T213的黏度值最小。6110、1537、T213這3種樹脂的黏度比較接近?？梢?，影響?zhàn)ざ鹊闹饕蛩厥撬跃郯滨サ姆N類。

3.3.2 膜的耐水與耐酸堿性

按照GB/T 1733—1993《漆膜耐水性測定法》進行:將膜裁成20 mm×20 mm的正方形試樣，準(zhǔn)確稱量其質(zhì)量(m1)后分別浸泡在去離子水、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的鹽酸溶液和5%的氫氧化鈉溶液中，24 h后取出涂膜，用濾紙迅速擦干表面的液體，準(zhǔn)確稱量膜的質(zhì)量(m2)，按照下式計算吸水率(Aw)，結(jié)果如表3所示。

表3 膜在去離子水、酸溶液和堿溶液中吸水率Tab.3 Bibulous rate of flim in deionized water，in acid solution and alkali solution %

由表3可看出:樹脂的種類是影響耐水、耐酸、耐堿性的主要因素，1537型樹脂的耐水性和耐酸性最好，耐堿性僅次于T213型樹脂;溫度對水性聚氨酯的耐水性有一定的影響，同一種聚氨酯，用不同溫度制成膜后，其的耐水性能略有不同的，但是溫度的影響不大。綜合這3項性能得出，1537型樹脂的性能最好。

3.3.3 膜的拉伸性能測試

采用QB/T 2710—2005《皮革物理和機械試驗抗張強度和伸長率的測定》對膜的拉伸性能進行測定，其結(jié)果如表4所示。

表4 聚氨酯膜的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of polyurethane film

由表4可看出，拉伸斷裂強度和彈性模量最大的均是6110型聚氨酯膜，斷裂伸長率最大的是T213型聚氨酯膜，所以T213的抗拉能力較強但是彈性模量較小，6110彈性模量較大，但是它的抗拉能力是幾種膜里面最低的，而1537型樹脂雖然拉伸性能不是最好的，處于中等水平。而且對增強體的拉伸性能要求不大，因為乒乓海綿受到的力主要為壓縮力，中等水平即可。綜合拉伸性能與耐水、酸、堿性能得出，1537型水性聚氨酯是耐水、耐酸堿和拉伸性均比較優(yōu)良的，與樹脂的種類相比較溫度的影響可忽略不計，干燥溫度和成膜溫度選取中間的水平，即干燥溫度為60℃，烘焙溫度為120℃。

4 復(fù)合材料的表征與性能分析

4.1 材料的形貌表征

采用體視顯微鏡對材料的表面和橫截面進行拍照，結(jié)果如圖4、5所示。

圖4 棉織物增強復(fù)合材料Fig.4 cotton fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

圖5 滌綸低彈絲織物增強復(fù)合材料Fig.5 Polyester DTY fabric reinforced composites.(a)Surface;(b)Sectional

4.2 性能分析

乒乓海綿的主要技術(shù)參數(shù)是硬度和厚度，故復(fù)合材料的硬度和厚度是必測的2個指標(biāo)。此外海綿的回彈性也是影響海綿質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，所以替代乒乓海綿的紡織復(fù)合材料的硬度、厚度和回彈性3項指標(biāo)是該材料的重要性能。

4.2.1 硬度

按照GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗法第一部分:邵氏硬度計法(邵爾硬度)》的方法測定，結(jié)果如表5所示。由表可看出，1537織物涂層的硬度符合乒乓海綿35～50的硬度范圍，并且與乒乓海綿的硬度接近，符合乒乓海綿的硬度要求。

表5 試樣硬度Tab.5 Sample hardness

4.2.2 厚度

采用厚度儀進行測量，測量5次，取平均值，結(jié)果如表6所示。

表6 試樣厚度Tab.6 Sample thickness

乒乓海綿的厚度范圍為0.4～2.3 mm，從表6中可看出，2種復(fù)合材料的厚度均符合乒乓海綿厚度要求。

4.2.3 落球回彈性

采用GB/T 6670—2008《軟質(zhì)泡沫聚合材料落球法回彈性能的測定》方法進行測定，結(jié)果如表7所示。

表7 試樣回彈率Tab.7 Sample resilient rate

從測試結(jié)果可看出，乒乓海綿的回彈率大于棉織物增強復(fù)合材料和滌綸低彈絲織物增強復(fù)合材料，但棉織物增強復(fù)合材料的回彈率更接近于乒乓海綿的回彈率。

5 結(jié)論

通過替代乒乓海綿的紡織復(fù)合材料的研究，經(jīng)過小樣試織，膜性能的測試，浸軋工藝以及復(fù)合成型工藝的探究，得到具體結(jié)果如下。

1)增強體為各層均以平紋組織為基礎(chǔ)組織的四層自身結(jié)接多層組織，經(jīng)緯密均為280根/10 cm。

2)復(fù)合工藝為二浸二軋，第1次浸軋帶液率控制在200% ～240%，80℃烘干120 min，第2次浸軋，帶液率控制在100% ～140%，80℃烘90 min，然后130℃高溫烘焙30 min;然后分別在浸軋后的材料的正反兩面用1537型水性聚氨酯進行涂覆，膜的干燥溫度為60℃，烘焙溫度為120℃。

3)棉織物增強復(fù)合材料和滌綸低彈絲增強復(fù)合材料在硬度和厚度方面完全符合乒乓海綿的技術(shù)要求;在回彈性方面略低于乒乓海綿，其中棉織物增強復(fù)合材料的優(yōu)于滌綸低彈絲增強復(fù)合材料。

本文研究通過對替代乒乓海綿復(fù)合材料的探索，得出用紡織復(fù)合材料替代乒乓海綿是具有一定的可行性的，但是在增強體和樹脂基體的選擇上還是需要進一步的改進。用紡織復(fù)合材料替代乒乓海綿首先大大縮短了生產(chǎn)周期，其次也減少了對環(huán)境的污染。

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