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        新型高性能纖維材料在運(yùn)動(dòng)器材中的影響研究

        2021-04-02 04:57:54
        粘接 2021年3期
        關(guān)鍵詞:羽毛球拍纖維材料折線

        劉 明

        (陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,咸陽 712000)

        隨著節(jié)能、降耗、減排理念的發(fā)展與成熟,現(xiàn)代材料制造輕量化逐漸成為當(dāng)前工業(yè)、化工、材料領(lǐng)域等的重點(diǎn)研究方向。纖維材料因其性能優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于體育器材制造領(lǐng)域。隨著科技的發(fā)展,新型高性能纖維材料(高性能纖維增強(qiáng)基體樹脂的復(fù)合材料為主)的出現(xiàn),因其具有質(zhì)輕、高模高強(qiáng)、耐腐蝕、耐沖擊、抗振等特點(diǎn)較普通纖維材料更適合應(yīng)用于體育制造領(lǐng)域[1],尤其在羽毛球運(yùn)動(dòng)體育器材中被廣泛應(yīng)用。

        1 材料與方法

        1.1 材料的制備

        實(shí)驗(yàn)材料選用的纖維布是3mm厚的由Jining Car-bon Group Co.,Ltd 生產(chǎn)的,純度為99%環(huán)氧樹脂(epoxy resin)和固化劑(curing agent)是由Shang-hai Demao Chemical Co.,Ltd 生產(chǎn)的,可溶性PTFE是由DuPont company 生產(chǎn)的,Guangzhou Chemical Reagent Factory 為實(shí)驗(yàn)提供了HNO3(純度為65%)、NH3·H20(濃度為25%)、C4H8O2(濃度為96%)、H2SO4(純度為95%),提供(OC2H5)4、高純C2H6O為Sinopharm Chemical Reagent Co.,Ltd。

        如圖1、圖2、所示材料制備選擇刻蝕法、stober方法制備新型高性能纖維材料[2],其具體流程如下:

        圖1 采用刻蝕法制備新型高性能纖維材料流程圖Fig.1 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by etching method

        圖2 采用stober方法制備新型高性能纖維材料流程圖Fig.2 Flow chart of new high performance fiber materials prepared by stober method

        其中圖2 中的混合溶液配比為:先將Si(OC2H5)418mL 和C2H6O 98ml 混合均勻,再滴入NH3·H20 18mL和C2H6O 380mL。

        1.2 球拍尺寸設(shè)計(jì)

        球拍所用材料為碳纖維(carbon fiber)及環(huán)氧樹脂(epoxy resin)的混合材料,其外觀尺寸為中心控制的桿狀。其中長(zhǎng)度為459mm,厚度為1.53mm,直徑為7.45mm;拍框設(shè)計(jì)為短半軸為橢圓形長(zhǎng)度為102mm,長(zhǎng)半軸為143mm,厚度為14.2mm,最長(zhǎng)直徑為0.71mm。球拍的編織是利用單元構(gòu)建的,其使用的材料為拉線材料是一種Bisphenol A epoxy resin carbon fiber 增強(qiáng)復(fù)合材料[3],該材料的單胞模型(Cell model)含有4 個(gè)編織紗和3 個(gè)軸向紗。如表1所示通過加權(quán)平均算出的材料彈性參數(shù),由此可以看出纖維的增強(qiáng)與編織角和纖維體積有很大關(guān)系。

        表1 以上材料所用的基質(zhì)材料屬性Tab.1 Matrix material properties used for the above materials

        在分析羽毛球拍的受力時(shí),需要分析兩端的和垂直向上的力,因?yàn)橛鹈蚺脑谑褂檬牵粏螁斡写怪毕蛏系牧?,還有球拍兩側(cè)的外力。

        1.3 實(shí)驗(yàn)原理與方法

        使用有限元區(qū)域疊加法對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行匹配,匹配時(shí)只需要兩相模型耦合無誤,就說明材料的剛度適合,可以完成匹配。如公式(1)所示線彈性屬性材料代表的同性材料的應(yīng)力應(yīng)變剛度矩陣為負(fù),公式:

        公式(1)中T代表材料的彈性模量;b代表泊松比;Fa代表負(fù)材料。

        1.4 拍桿彈性性能預(yù)測(cè)

        在分析新型高性能纖維材料時(shí),以分析彈性性能為主[4],分析的彈性模量也是在單細(xì)胞基礎(chǔ)上進(jìn)行的,主要是Poisson"s ratio 和shear modulus 的分析。有限區(qū)域元疊合法分析的羽毛球拍彈性比較科學(xué)準(zhǔn)確,通過數(shù)據(jù)分析可以看出,羽毛球拍因纖維軸的承擔(dān)載荷比普通球拍的二維三向編制更好。

        2 結(jié)果與分析

        通過對(duì)比纖維織物A(Carbon fiber fabric A)、纖維織物B(Carbon fiber fabric B)和原始纖維織物(pristine Carbon fiber fabric)的紅外光譜圖如圖3 所示,可以看出織物A 與織物B 的紅外光譜差距不大,而與原始纖維織物的差距較大。Stretching vibration peak 和Absorption peak of carboxyl group三種材料都具有[5],織物A是在1100cm-1時(shí)、織物B是在3450cm-1和1650cm-1時(shí)、原始纖維織物是在3450cm-1時(shí),但是峰值更強(qiáng)的是織物A和織物B。從峰值對(duì)比可以看出原始纖維織物在制備中已經(jīng)被刻蝕(H2SO4、HNO3),而織物A出現(xiàn)1100cm-1、797cm-1說明纖維布上的SiO2顆粒已經(jīng)成型。

        圖3 復(fù)合纖維材料的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectrum of composite carbon fiber material

        通過顯微鏡觀察織物A和織物B可以看出,經(jīng)過刻蝕(H2SO4、HNO3)后的織物B表面出現(xiàn)了深淺程度不一的溝槽,與pristine Carbon fiber fabric 相比較表面積增加了,而Epoxy resin更適合附著與表面結(jié)構(gòu)粗糙的織物[6];而織物A在顯微鏡中呈現(xiàn)出的是表面覆蓋一層顆粒狀析出物,而且還在局部形成團(tuán)聚現(xiàn)象,結(jié)合圖3可知,織物A在經(jīng)過stober法處理后,纖維布表面形成了納米級(jí)SiO2顆粒,從而提高了新型高性能纖維采蓮的疏水性能,其表面同時(shí)也形成了微結(jié)構(gòu)。

        如圖4 所示,將pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin 的表面濕潤(rùn)性用折線B 表示,Carbon fiber fabric A和epoxy resin的表面濕潤(rùn)性用折線A表示。通過圖4對(duì)比分析可知,折線A和折線B隨著可溶性聚四氟乙烯(PFA)的增加表面接觸角都呈現(xiàn)出先增加而后減小的特征,當(dāng)表面接觸角值最大時(shí),PFA的含量為45%,折線B與折線A的表面接觸角最大值為(151.6±1.6)°和(138.6±1.8)°,此時(shí)這些材料具有超疏水性特征。可見,纖維材料表面接觸角受PFA含量的影響較大,由于PFA為低表面能物質(zhì),對(duì)物質(zhì)表面具有較大影響,因此,一定含量的PFA可以幫助纖維材料提升其表面的疏水性能[7]。但是由圖可以看出,當(dāng)PFA的含量大于50%之后,纖維材料的疏水性能會(huì)降低。

        圖4 可溶性四氟乙烯對(duì)高性能纖維材料接觸角的影響Fig.4 Effect of soluble tetrafluoroethylene on contact angle of high performance fiber materials

        如圖4所示,當(dāng)PFA的含量為45%時(shí)纖維材料的接觸角最大,隨著磨損次數(shù)的增加磨損量和表面接觸角都成下降趨勢(shì)。由于纖維材料在摩擦初期會(huì)出現(xiàn)斷裂和SiO2顆粒脫落的現(xiàn)在,因此在初期磨損較大。之后隨著摩擦的持續(xù)材料表面的epoxy resin 會(huì)發(fā)生反應(yīng),可以有效簡(jiǎn)繁磨損,而表面粗糙程度的變化會(huì)導(dǎo)致接觸角的變化[8]。由圖4可知折線E的接觸角在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間摩擦后仍然保持在較高水平為(140.9±1.9)°,因此,此刻的纖維材料扔具有較高的疏水性。通過顯微鏡觀察折線E的摩擦情況,折線E在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間摩擦后表面仍然比較平整,雖有局部斷裂出現(xiàn),但是部分纖維沒有折斷。再將材料的磨損面進(jìn)行高倍放大后,其在低表面扔可以看到PFA,而由于纖維與epoxy resin具有較好的相容性,因此在發(fā)生較大的摩擦?xí)r該材料仍然具有較強(qiáng)的疏水性。

        在不同的pH 值溶液中檢測(cè)了A 類材料的耐酸堿性,當(dāng)pH值從1逐漸增大時(shí)A類材料的接觸角變化明顯。取一個(gè)固定的pH值1,纖維材料的表面接觸角為(147.4±1.1)°,PH 值取最大值14 時(shí),纖維材料的表面接觸角為(148.8±2.2)°。通過PH 值對(duì)比可以看出,新型高性能纖維材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性[9]。

        3 結(jié)語

        PEA 的 含 量 對(duì)pristine Carbon fiber fabric、ep-oxy resin 和碳纖維織物A 等材料的表面接觸角有影響,表面接觸角隨PFA的影響呈現(xiàn)出先增大后減小的特點(diǎn)。當(dāng)PFA的含量為45%時(shí),該材料的表面觸角為最大值,折線B(pristine Carbon fiber fabric 和ep-oxy resin)的表面觸角最大值為(138.6±1.8)°,折線A(Carbon fiber fabric A 和epoxy resin)的表面觸角最大值為(151.6±1.6)°。

        表面接觸角隨著摩擦周次的增加呈下降趨勢(shì),Carbon fiber fabric A 和epoxy resin 在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間摩擦后,表面接觸角仍然保持的較好,也就是依然具有較強(qiáng)的疏水特性[10]。

        Ph值從最低增加到最高時(shí)(1~14),新型高性能纖維材料的表面接觸角沒有明顯變化。當(dāng)pH 值固定為1 時(shí),纖維材料的表面接觸角為(147.4±1.1)°,Ph 值取最大值14 時(shí),纖維材料的表面接觸角為(148.8±2.2)°。通過Ph 值對(duì)比可以看出,新型高性能纖維材料具有較強(qiáng)的耐腐蝕性。

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