李玉鵬　王　其　劉昌杰　郭超群　劉　波

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國) 2.無錫百和織造股份有限公司(中國)

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產(chǎn)業(yè)用紡織品

自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度力學(xué)模型研究

李玉鵬1王其1劉昌杰2郭超群2劉波2

1.東華大學(xué)紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國) 2.無錫百和織造股份有限公司(中國)

將自黏運(yùn)動(dòng)繃帶背部膠層設(shè)計(jì)為條狀花紋，花紋寬度為2 mm，間隔為1 mm，條狀花紋與寬度方向成一定角度，夾角分別為0°、15°、30°、45°和90°，基于Maxwell模型建立了自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度計(jì)算式，用于計(jì)算和預(yù)測此類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度，計(jì)算的剝離強(qiáng)度偏差百分率小于3%。

自黏運(yùn)動(dòng)繃帶；剝離強(qiáng)度；模型

自黏運(yùn)動(dòng)繃帶是在彈力繃帶基布的背部涂覆一層壓敏膠，直接黏貼于人體皮膚表面，它具有良好的彈性和舒適性，對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)能增強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)的損傷防治和康復(fù)具有一定輔助作用[1]。目前市場上多數(shù)自黏運(yùn)動(dòng)繃帶是使用壓敏膠的鋪滿整個(gè)基布，導(dǎo)致透汽性較差，剝離強(qiáng)度單一，無法滿足不同年齡人群和人體不同部位的特殊需要。

為此，本研究中采用不連續(xù)條狀膠層，使繃帶具有一定的透汽性，通過改變條狀膠層與寬度方向間的夾角，設(shè)計(jì)了具有不同剝離強(qiáng)度的系列自黏運(yùn)動(dòng)繃帶，基于自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離瞬間壓敏膠的拉伸變形，建立此類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度力學(xué)模型，用于計(jì)算和預(yù)測自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度。

1　自黏運(yùn)動(dòng)繃帶中壓敏膠黏彈模型分析

自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度為膠接接頭受外力剝離時(shí)，在自黏運(yùn)動(dòng)繃帶寬度方向單位長度上產(chǎn)生的拉力，是一種線強(qiáng)度。剝離過程中，由于外加負(fù)荷的作用，膠黏劑產(chǎn)生黏彈形變，形成不連續(xù)的膠束，其180°剝離及剝離界面示意圖如圖1所示。

壓敏膠的黏彈形變應(yīng)用Maxwell模型[2](一個(gè)理想彈簧和一個(gè)理想黏壺串聯(lián))分析，模型受力時(shí)，彈簧和黏壺的應(yīng)力與總應(yīng)力(σ)相同，總應(yīng)變(ε)為彈簧(ε1)和黏壺(ε2)的應(yīng)變之和，即

圖1　自黏運(yùn)動(dòng)繃帶180°剝離及剝離界面示意圖

本構(gòu)方程式為

式中：E——彈性模量；

η——黏滯系數(shù)。

在此種模型下，當(dāng)應(yīng)變保持不變，解微分方程，可得

式中：ε0——t=0時(shí)的應(yīng)變；

τ——常數(shù)。

在維持恒定形變時(shí)，有應(yīng)力松弛過程。

當(dāng)應(yīng)力保持不變，可得蠕變方程：

當(dāng)t=0時(shí)，有瞬時(shí)彈性形變產(chǎn)生。

假設(shè)在施加剝離負(fù)荷的瞬間，即t→0+時(shí)，形成的單根膠束應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為

σ=Eε

(1)

式中：E——壓敏膠彈性模量，MPa；σ——?jiǎng)冸x時(shí)拉伸成單根膠束時(shí)的應(yīng)力，N/mm2；

ε——?jiǎng)冸x時(shí)拉伸成單根膠束時(shí)的瞬時(shí)形變，mm。

2　自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度模型建立

本研究中，將自黏運(yùn)動(dòng)繃帶背部膠層設(shè)計(jì)為條狀花紋，花紋寬度為2 mm，間隔為1 mm，條狀花紋與寬度方向成一定角度，夾角分別為0°、15°、30°、45°和90°，如圖2所示。

圖2　膠層花紋示意圖

整片自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度實(shí)質(zhì)上為剝離過程中，撓性材料(運(yùn)動(dòng)繃帶基布)作用于膠黏劑，使單位寬度上膠黏劑發(fā)生宏觀形變，形成若干根膠束時(shí)抵抗外加負(fù)荷的應(yīng)力，即形成的若干膠束黏彈形變的綜合表現(xiàn)。

假設(shè)撓性材料自身性能及被黏物(鋼板)的表面粗糙度對(duì)剝離強(qiáng)度無影響，膠層厚度不變，剝離瞬間，單位寬度(10 mm)上實(shí)際產(chǎn)生剝離作用的剝離有效長度為L(mm)，形成膠束的百分率(剝離時(shí)，膠束在剝離線上投影的長度占整個(gè)剝離線長度的百分比)為ω(%)。由于前排膠束還未完全與鋼板分離時(shí)，后排已有膠束形成，對(duì)剝離強(qiáng)度產(chǎn)生影響，形成牽連關(guān)系，因此引入修正系數(shù)(K)修正，整片自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度(P)的計(jì)算式表示為

P=KLωEε

(2)

3　自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度模型參數(shù)確定

3.1形成膠束的百分率(ω)

試驗(yàn)采用5種不同花紋膠層的自黏運(yùn)動(dòng)繃帶，條狀花紋與寬度方向的夾角(θ)分別為0°、15°、30°、45°和90°。表1所示為實(shí)際測得的不同角度條狀膠層的剝離有效長度(L)及形成膠束的百分率(ω)。

表1　不同角度條狀膠層的L與ω

為了建立剝離有效長度與形成膠束的百分率之間的關(guān)系式，以剝離有效長度為自變量，形成膠束百分率為因變量，對(duì)其關(guān)系進(jìn)行擬合，所得曲線如圖3所示。

圖3　剝離有效長度與形成膠束百分率的關(guān)系

從而得到剝離有效長度與形成膠束的百分率之間的關(guān)系式為

ω=-5.7139L2+107.38L-408.26

(3)

3.2修正系數(shù)(K)

本研究中使用的膠黏劑為深圳市安固樂科技有限公司提供的丙烯酸酯壓敏膠，其彈性模量為0.3 MPa。在180°剝離過程中，假設(shè)被拉伸的膠束均為圓柱體，且其應(yīng)變?chǔ)湃≈禐? mm，當(dāng)修正系數(shù)K=1時(shí)，表示剝離過程中只有一排膠束被拉起，且其應(yīng)變值相等，即只有極窄的寬度對(duì)剝離強(qiáng)度產(chǎn)生影響。將以上參數(shù)及式(3)代入式(2)中，可得K=1時(shí)，理論剝離強(qiáng)度(PL)(表2)。

表2　數(shù)據(jù)綜合表

按照GB/T 2792—1998《壓敏膠黏帶180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法》[3]，試樣在25 ℃條件下放置20 min，測得5組不同花紋膠層的實(shí)際剝離強(qiáng)度(PS)(表2)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，利用自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的實(shí)際剝離強(qiáng)度(PS)與理論剝離強(qiáng)度(PL)的比值計(jì)算修正系數(shù)(K1)：

(4)

(5)

為驗(yàn)證這種人為設(shè)定的有效性，可通過計(jì)算該約定下自黏運(yùn)動(dòng)繃帶理論剝離強(qiáng)度相對(duì)于實(shí)際剝離強(qiáng)度的偏差百分率(W1)：

(6)

計(jì)算結(jié)果見表2。可見，采用式(2)及其相關(guān)參數(shù)計(jì)算此類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度偏差較大，最大偏差達(dá)37%，因此計(jì)算精度較低。

為提高計(jì)算精度，現(xiàn)用SPSS軟件進(jìn)行二次修正，得到整片自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度(P2)的計(jì)算式為

P2=4.489+0.485PL

(7)

二次修正后，根據(jù)式(4)～式(7)計(jì)算得到二次修正后的理論剝離強(qiáng)度(P2)、二次修正系數(shù)(K2)、二次修正后的剝離強(qiáng)度(PZ)及二次修正后的偏差百分率(W2)如表3所示。

表3　數(shù)據(jù)綜合表

代入式(2)、式(3)及式(7)，則此類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度計(jì)算式為

PZ=-0.474L3+8.913L2-33.89L+5.624

(8)

由表3可見，二次修正后剝離強(qiáng)度偏差百分率W2小于3%，因此式(8)可用于計(jì)算和預(yù)測該類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度[4]。

4　結(jié)論

將自黏運(yùn)動(dòng)繃帶背部膠層設(shè)計(jì)為條狀花紋，花紋寬度、間隔固定不變，條狀花紋與寬度方向成一定夾角，基于Maxwell模型建立了自黏運(yùn)動(dòng)繃帶剝離強(qiáng)度計(jì)算式，經(jīng)過二次修正，計(jì)算得到的剝離強(qiáng)度偏差百分率<3%，因此該計(jì)算式可用于計(jì)算和預(yù)測此類自黏運(yùn)動(dòng)繃帶的剝離強(qiáng)度，指導(dǎo)此類系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和選用。

[1]張潔，錢曉明.彈性繃帶的發(fā)展及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].棉紡織技術(shù)，2011,39(8):541-544.

[2]于偉東，儲(chǔ)才元．紡織物理[M]．上海：東華大學(xué)出版社，2002:79-88.

[3]上海橡膠制品研究所．GB/T 2792—1998壓敏膠黏帶180°剝離強(qiáng)度試驗(yàn)方法[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[4]莊楚強(qiáng)，何春雄.應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2007：32-83．

Research on physical model of peeling strength of self-adhesive sport bandage

Li Yupeng1,Wang Qi1,Liu Changjie2,Guo Chaoqun2,Liu Bo2

1.Key Lab of Textile Science and Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai/China 2.Wuxi Paiho Textile Co.,Ltd.,Wuxi/China

The self-adhesive sport bandage was designed with bar pattern adhesive layer.The bar pattern was 2 mm wide according to a separation of 1 mm.The angle were formed between bar pattern and width direction with 0,15,30,45 and 90 degrees.The formula of peeling strength of self-adhesive sport bandage was set up based on Maxwell model.It could be used to calculate and predict peeling strength of this kind of self-adhesive sport bandage.The deviation percentage calculated was less than 3%.

self-adhesive sport bandage; peeling strength; model