成凌霄

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

成品乒乓球拍通常已經(jīng)將球拍拍底與海綿、膠皮等粘接在一起,消費(fèi)者可以直接使用。但這種球拍大多數(shù)屬于初、中級(jí)乒乓球拍,價(jià)格也較為便宜。通常情況下較為專業(yè)的消費(fèi)者或者職業(yè)運(yùn)動(dòng)員都會(huì)選擇自行購(gòu)買球拍拍底、膠皮、膠水等自行對(duì)這些材料進(jìn)行粘接。這種自行粘接球拍的好處在于運(yùn)動(dòng)員可以根據(jù)自己的實(shí)際需求選擇膠水的灌注量。對(duì)于職業(yè)運(yùn)動(dòng)員而言,自行粘接得到的球拍能夠根據(jù)自身的打法、對(duì)手的特色而進(jìn)行靈活的調(diào)整。鑒于當(dāng)前常見無(wú)機(jī)溶劑和有機(jī)溶劑都存在某些性能缺陷,研究以天然橡膠為基質(zhì)制備了一種乒乓球拍粘接專用膠水,對(duì)該膠水的基本性能進(jìn)行分析,對(duì)其替代傳統(tǒng)乒乓球拍粘接膠水的可信性進(jìn)行了總結(jié)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1.1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有雙輥筒煉膠機(jī)、黏度儀、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等。各設(shè)備型號(hào)及生產(chǎn)廠家信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)設(shè)備Tab.1 Test equipment

雙輥筒煉膠機(jī)用于對(duì)天然橡膠進(jìn)行破膠處理,經(jīng)過(guò)不斷塑煉得到分子量更小的天然橡膠擠出料。旋轉(zhuǎn)式黏度儀在一定溫度和壓力下,旋轉(zhuǎn)式黏度儀中的轉(zhuǎn)子以一定的旋轉(zhuǎn)力矩對(duì)試樣加以一定的剪切力,儀器測(cè)出橡膠的反剪切力矩[1]。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用于測(cè)量粘合膠的拉深度性能、撕裂度性能等。門尼黏度儀用于對(duì)天然橡膠進(jìn)行膠料黏度和硫化指數(shù)的測(cè)定。

1.1.2試驗(yàn)材料

橡膠基有機(jī)膠水的制備主要需要天然橡膠、環(huán)己烷、分析純等材料[2]。表2所示為幾種原料品牌及生產(chǎn)廠家信息。

表2 試驗(yàn)材料Tab.2 Test materials

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1橡膠基有機(jī)膠水制備流程

橡膠基有機(jī)膠水的制備流程可分為機(jī)械破膠、機(jī)械塑煉和塑煉填料3個(gè)主要環(huán)節(jié)。首先使用雙輥筒煉膠對(duì)天然橡膠進(jìn)行破膠處理,對(duì)錕筒壓片進(jìn)行厚度調(diào)節(jié),使其參數(shù)設(shè)置為 0.5 mm,加工處理的時(shí)間分別設(shè)置為 10、20、30 min,其樣品分別記作為 A、B、C。在 A、B、C此3個(gè)樣品中分別加入環(huán)己烷,取樣時(shí)間分別為 10、20、30 min,10 min取樣的樣品記為A-1、A-2、A-3;20 min 取樣的記為 B-1、B-2、B-3;30 min取樣的記為C-1、C-2、C-3。然后在加上一組原料作為對(duì)照組,首先對(duì)這 10 組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究其哪種的性能最好,然后在最好的性能組中再加入單體和引發(fā)劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn),研究單體和引發(fā)劑對(duì)膠水性能的影響;具體如圖1所示。

圖1 橡膠基有機(jī)膠水制備流程

機(jī)械破膠環(huán)節(jié)的主要作用,是通過(guò)雙輥筒煉膠機(jī)將橡膠進(jìn)行破碎處理,得到更容易進(jìn)行塑煉的小顆粒橡膠;機(jī)械塑煉的基本目的在于降低固體生膠的分子量,亦即利用膠分子的降解反應(yīng)降低天然橡膠的分子量和黏度,使之能夠具備更高的可塑性并獲得一定的流動(dòng)性,滿足后續(xù)填料工藝的需要,不同的塑煉程度能夠得到不同分子量的試樣[3];填料是在機(jī)械塑煉降低分子量以后的膠液中加入環(huán)己烷這種填料劑,使膠液本身的粘性大幅提升,得到不同性能的粘合膠水。將制備得到的AⅠ、BⅠ、CⅠ,AⅡ、BⅡ、CⅡ,AⅢ、BⅢ、CⅢ試樣加入有機(jī)溶劑中進(jìn)行充分?jǐn)嚢?可以得到對(duì)應(yīng)的有機(jī)膠水溶劑[4]。

1.2.2性能測(cè)試

利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)9組試樣的拉伸度性能、撕裂度性能等進(jìn)行測(cè)試。其中拉伸度性能測(cè)試保持萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為500 m/min;撕裂度性能測(cè)試保持萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸速度為400 m/min。利用旋轉(zhuǎn)式黏度儀對(duì)試樣的黏度進(jìn)行測(cè)試,保持室溫狀態(tài)26 ℃。利用門尼黏度儀對(duì)100 ℃狀態(tài)下試樣的黏度進(jìn)行測(cè)試,得到不同塑煉程度試樣的門尼黏度變化情況。與其他氯丁膠膠水性能對(duì)比時(shí),取長(zhǎng)度為50 mm、寬度為25 mm的標(biāo)準(zhǔn)乒乓球海棉材料、普通乒乓球拍拍底及一般膠皮材料,按照相同的灌膠工藝均勻涂抹配置好的無(wú)機(jī)膠水和購(gòu)買的氯丁膠膠水,對(duì)二者的黏度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試[5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 天然橡膠視角

2.1.1不同塑煉程度對(duì)天然橡膠分子量的影響

天然橡膠中91%～94%是橡膠烴,其余成分主要包含蛋白質(zhì)、脂肪酸等非橡膠物質(zhì)。分子量的大小和變化狀態(tài)是分析天然橡膠制品性能和具體工藝參數(shù)的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)所使用的天然橡膠為東莞市晟邦高分子材料有限公司引進(jìn)的原產(chǎn)自泰國(guó)的橡膠產(chǎn)品。天然橡膠的硬度較高,需要進(jìn)行破碎以后才可以進(jìn)行塑煉[6]。同時(shí),天然橡膠的分子量很大,分子的鏈結(jié)構(gòu)呈聚集態(tài),分子間的作用力很大。

研究以天然橡膠溶液和按照?qǐng)D1流程制備的A、B、C共4組試樣為例,進(jìn)行了分子量、門尼黏度等性能測(cè)試。表3所示為根據(jù)不同塑煉程度為劃分條件得到的天然橡膠分子量變化情況[7]。

表3 不同塑煉程度天然橡膠分子量變化情況Tab.3 Molecular weight changes of natural rubber at different plasticizing degrees

由表3可知,塑煉工藝能夠明顯降低天然橡膠的分子量,且隨著塑煉程度的增長(zhǎng),天然橡膠的分子量下降率逐漸提升,試樣C的分子量下降率已經(jīng)達(dá)到了50.7%。天然橡膠經(jīng)過(guò)塑煉工藝以后,能夠一定程度上降低原有的橡膠平均分子量。但是,試樣C的分子量仍然高達(dá)0.67×106u,仍然難以直接應(yīng)用于乒乓球拍的粘接環(huán)節(jié),需要添加環(huán)己烷填料劑后繼續(xù)進(jìn)行塑煉。

2.1.2不同塑煉程度對(duì)加入環(huán)己烷天然橡膠分子量變化的影響

以天然橡膠和按照?qǐng)D1流程制備加入環(huán)己烷后的AⅠ、BⅠ、CⅠ,AⅡ、BⅡ、CⅡ,AⅢ、BⅢ、CⅢ共10組試樣為例,進(jìn)行了分子量、門尼黏度等性能測(cè)試。表4所示為根據(jù)不同塑煉程度劃分條件,得到的加入環(huán)己烷后天然橡膠分子量變化變化情況[8]。

表4 加入環(huán)己烷后不同塑煉程度天然橡膠分子量變化情況Tab.4 Molecular weight changes of natural rubber at different plasticizing degrees after adding cyclohexane

由表4可知,隨著煉膠機(jī)塑煉程度由10 min增至30 min,試樣分子量仍然在逐漸降低,分子量的下降率依然逐漸提升,天然橡膠的門尼黏度仍然處于下降趨勢(shì)?？梢?環(huán)己烷填料劑的加入也并不能完全抵消因?yàn)樗軣捁に噹?lái)的材料黏度和分子量下降問(wèn)題[9]。由于天然橡膠很難溶解,盡管溶解以后的溶液黏度較大,但一般情況下粘合效果并不理想,粘合表面層很容易因?yàn)槌霈F(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象而形成一層膜。因此,天然橡膠都需要經(jīng)過(guò)塑煉降低分子量的情況下添加有機(jī)溶劑制備粘合劑。

2.1.3不同塑煉程度對(duì)天然橡膠物理性能的影響

天然橡膠加入環(huán)己烷填料劑以后繼續(xù)進(jìn)行塑煉,會(huì)持續(xù)促使橡膠的大分子鏈斷裂,進(jìn)而繼續(xù)降低天然橡膠的平均分子量。當(dāng)塑煉溫度為室溫狀態(tài)下時(shí),由于塑煉溫度較低,機(jī)械剪切力作用于天然橡膠生成橡膠大分子自由基。當(dāng)塑煉溫度為100 ℃時(shí),塑煉溫度的提升使天然橡膠逐漸軟化甚至液化,機(jī)械剪切力切斷橡膠大分子鏈的幾率隨之降低,但機(jī)械剪切作用下誘發(fā)天然橡膠活動(dòng)作用越來(lái)越明顯,使橡膠中形成的氫過(guò)氧化物分解成為分子量更小的大分子[10]。在這種情況下,天然橡膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率等物理性能始終處于變化狀態(tài)。表5所示為加入環(huán)己烷填料劑經(jīng)過(guò)100 ℃塑煉以后天然橡膠部分物理性能。

表5 加入環(huán)己烷填料劑經(jīng)過(guò)100 ℃塑煉以后天然橡膠部分物理性能Tab.5 Physical properties of natural rubber after 100 ℃ plasticizing with cyclohexane filler

由表5可知,加入環(huán)己烷填料的天然橡膠在100 ℃條件下進(jìn)行塑煉,隨著塑煉程度的增長(zhǎng),材料本身的拉伸強(qiáng)度和直角撕裂強(qiáng)度呈明顯的急劇降低后平穩(wěn)提升狀態(tài),CⅢ的拉伸強(qiáng)度進(jìn)和直角撕裂強(qiáng)度分別達(dá)到了0.55 MPa和5.33 kN/m,這是因?yàn)樘烊幌鹉z經(jīng)過(guò)機(jī)械開膠以后,材料內(nèi)部的分子間內(nèi)聚力急劇降低,導(dǎo)致材料的拉伸強(qiáng)度飛速降低,后隨著塑煉程度的延長(zhǎng),材料的拉伸強(qiáng)度和直角撕裂強(qiáng)度緩慢提升[11]。

天然橡膠斷裂伸長(zhǎng)率呈急劇提升以后緩慢平穩(wěn)提升狀態(tài),這是因?yàn)闇囟鹊奶岣卟牧系姆肿恿拷档?材料本身的柔軟度突然提升,但開膠以后盡管材料的分子量還在不斷減小,但變化幅度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原樣到AⅠ時(shí)的變化幅度,材料本身的斷裂伸長(zhǎng)率提升逐漸放緩。這表明,100 ℃條件下天然橡膠塑煉能夠顯著降低材料內(nèi)部分子間內(nèi)聚力,材料的可塑度、柔軟性等性能能夠得到明顯提升。

2.2 橡膠基粘合膠水視角

2.2.1不同塑煉程度對(duì)橡膠基粘合膠水溶解度、黏度的影響

將原樣、A1、B1、C1,A2、B2、C2,A3、B3、C3試樣加入有機(jī)溶劑中進(jìn)行溶解,經(jīng)過(guò)充分的攪拌以后得到對(duì)應(yīng)的天然橡膠有機(jī)溶劑膠水材料。對(duì)有機(jī)溶劑膠水的溶解度、粘度進(jìn)行測(cè)試,得到表6所示的測(cè)試結(jié)果[12]。

表6 不同塑煉程度橡膠基粘合膠水溶解度、粘度Tab.6 Solubility and viscosity of rubber base adhesive glue at different plasticizing degrees

由表6可知,橡膠基粘合膠水溶解度和黏度均隨塑煉程度的增強(qiáng)而逐漸增強(qiáng),最高溶解度和黏度分別達(dá)到了28.9%和1 450 cP,表明經(jīng)過(guò)機(jī)械塑煉以后的試樣能夠充分溶解在有機(jī)溶劑中,解決了一般粘合膠水難以溶解在有機(jī)溶劑中的問(wèn)題。這種利用機(jī)械塑煉降低天然橡膠分子量,使天然橡膠能夠充分溶解于有機(jī)溶劑中制備粘合膠水的方法顯然比一般的化學(xué)降低橡膠分子量的方法更為簡(jiǎn)單,成本更低。同時(shí)這種方法的污染性也較低。

2.2.2不同試樣粘合膠水對(duì)乒乓球拍粘接強(qiáng)度的影響

選擇天然橡膠質(zhì)量占比為10%的有機(jī)粘合膠水溶液進(jìn)行粘接強(qiáng)度測(cè)試,得到表7所示的不同試樣粘合膠水對(duì)乒乓球拍粘接強(qiáng)度的影響。

表7 不同試樣粘合膠水對(duì)乒乓球拍粘接強(qiáng)度的影響Tab.7 Influence of adhesive glue of different samples on adhesive strength of table tennis racket

由表7可知,由AⅠ至CⅢ試樣粘接強(qiáng)度變化狀態(tài)可知,9種試樣有機(jī)膠水的粘接強(qiáng)度呈先緩慢上升后下降的趨勢(shì),在BⅢ試樣處達(dá)到最佳。表明盡管分子量的降低有助于增強(qiáng)膠水的粘接強(qiáng)度,但是這種增強(qiáng)存在一定的臨界值。在本文的試驗(yàn)中,這一臨界值為試樣BⅢ的0.17×106u分子量狀態(tài)。本文認(rèn)為BⅢ試樣制備的有機(jī)粘合膠水為最佳膠水。

2.2.3與常見膠水性能對(duì)比

選擇常寧市宏豐化工有限公司生產(chǎn)的氯丁膠粘合劑和某種國(guó)產(chǎn)乒乓球拍專用粘合劑為對(duì)比對(duì)象,對(duì)乒乓球拍拍底、海棉、膠皮的粘接強(qiáng)度和黏度進(jìn)行對(duì)比,得到表8所示的試驗(yàn)結(jié)果。

表8 相似黏度、粘接強(qiáng)度對(duì)比Tab.8 Comparison of bonding strength with similar viscosity

由表8可知,3種試樣的黏度均在500 cP左右,BⅢ的黏度最低僅為490 cP。但3種試樣的粘接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果為BⅢ的粘接強(qiáng)度最高,達(dá)到了7.2 kN/m,而專用粘合劑的粘接強(qiáng)度僅為5.6 kN/m。顯然,本文制備的橡膠基有機(jī)粘合膠水的粘接強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了一般的乒乓球拍專用無(wú)機(jī)粘合劑,較氯丁膠粘合劑的粘接效果也更為理想。

3 結(jié)語(yǔ)

橡膠基有機(jī)粘合膠水能為乒乓球拍提供超過(guò)一般無(wú)機(jī)粘合劑的粘接強(qiáng)度。研究所示的有機(jī)膠水制備方法改變了以往有機(jī)膠水制備過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)化學(xué)手段降低橡膠分子量的問(wèn)題,一定程度上優(yōu)化了有機(jī)膠水的制備流程。經(jīng)過(guò)對(duì)天然橡膠和有機(jī)橡膠粘合劑的試驗(yàn)分析,有機(jī)粘合膠水在制備方法、材料彈性、粘接強(qiáng)度等方面均已經(jīng)達(dá)到了理想的應(yīng)用效果,可以被應(yīng)用于一般的乒乓球拍粘接環(huán)節(jié)。