碳纖維網(wǎng)球拍粘接劑配方優(yōu)化方法研究

呂思琪

摘要：隨著材料的發(fā)展，制作網(wǎng)球拍的材料也經(jīng)歷了從木制到鐵制到鋁制到如今的碳纖維的轉(zhuǎn)變。本文簡述了網(wǎng)球拍的歷史發(fā)展過程，研究了碳纖維網(wǎng)球拍的粘接過程，得知粘接劑是目前碳纖維網(wǎng)球拍制作過程中必不可少的材料。為了得到更加堅(jiān)實(shí)、彈性高的碳纖維網(wǎng)球拍，我們提出了一種用于碳纖維網(wǎng)球拍粘接的粘接劑的優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞：碳纖維;網(wǎng)球拍;粘接劑

中圖分類號(hào)：TQ437+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）12-0100-04

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)最早是在英國誕生的，后經(jīng)美國的發(fā)展得以盛行。最初的網(wǎng)球還是貴族們的運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)在網(wǎng)球已經(jīng)成為了人們?nèi)粘Ｉ钪休^為常見的運(yùn)動(dòng)方式[1]。隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的盛行，網(wǎng)球拍的需求也隨之增加，為了擴(kuò)大網(wǎng)球市場(chǎng)，生產(chǎn)廠家也對(duì)網(wǎng)球拍的性能越來越重視。從材料的發(fā)展來看，網(wǎng)球拍已經(jīng)經(jīng)歷了從木制到鐵質(zhì)，到鋁制再到如今的碳纖維的演變;從制作過程來看，網(wǎng)球拍已經(jīng)從原本木制拼接到鐵、鋁的焊接，再到如今膠粘劑的粘接。但是，不論網(wǎng)球拍經(jīng)歷何種改變，都是為了更好地提高球拍的性能，讓使用者獲得更好的體驗(yàn)感。本文從網(wǎng)球拍的發(fā)展歷史出發(fā)，主要介紹了現(xiàn)如今碳纖維網(wǎng)球拍的制作過程，并針對(duì)過程中的重要部分一粘接劑，提出了一種用于碳纖維網(wǎng)球拍粘接的粘接劑的優(yōu)化方法。

1 網(wǎng)球拍的發(fā)展

隨著新材料的發(fā)展，網(wǎng)球拍的材料和制作方式都發(fā)生了巨大變化，但每次變革都是基于新材料的發(fā)展。最初工業(yè)并不發(fā)達(dá)，制作網(wǎng)球拍的材料都是取自大自然，再經(jīng)過能工巧匠花費(fèi)大量精力研制得到，因此成本高，只在貴族中才有。隨著工業(yè)的發(fā)展，金屬材料、人工合成材料的發(fā)展以及機(jī)器的運(yùn)行大大提高了網(wǎng)球拍制作的效率，降低了成本，使得平民也能享受這項(xiàng)運(yùn)動(dòng)[2]。

1.1木制網(wǎng)球拍

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)最早出現(xiàn)在12世紀(jì)，但是網(wǎng)球拍直到1874年才出現(xiàn)真正的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)網(wǎng)球拍的構(gòu)造、形狀、大小都有了明確規(guī)定，網(wǎng)球拍的后續(xù)發(fā)展都是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)[3]。最早的網(wǎng)球拍是木制的，外形與羽毛球拍很像，如圖1所示為19世紀(jì)所用的網(wǎng)球拍，由圖可以看出當(dāng)時(shí)的木制網(wǎng)球拍的框頭較小，而手柄卻較長。當(dāng)時(shí)由于材料發(fā)展有限，網(wǎng)球制作方式簡單，主要是用繩索將木柄與框頭連接起來，因此堅(jiān)實(shí)度較差。現(xiàn)在已經(jīng)幾乎見不到木制網(wǎng)球拍的身影，但是在金屬材料得到廣泛運(yùn)用之前，網(wǎng)球拍一直是木制的。

1.2金屬網(wǎng)球拍

1967年后，由于金屬材料的廣泛生產(chǎn)與應(yīng)用，鐵、鋁等金屬材料也被應(yīng)用于網(wǎng)球拍的制作，如圖2所示為早期金屬網(wǎng)球拍的照片。后來在新材料被研制出來之前，金屬在網(wǎng)球拍制作中的應(yīng)用越來越多。相對(duì)于最早的木制球拍，金屬球拍的堅(jiān)實(shí)性更強(qiáng)，使用壽命較長，然而也正由于材料為金屬，因此重量會(huì)比木制球拍更大。最早用于制作網(wǎng)球拍的金屬為鐵，后來在使用中發(fā)現(xiàn)鐵質(zhì)網(wǎng)球拍雖然比木制網(wǎng)球拍結(jié)實(shí)耐用，但是重量較大，抗震能力不好，不利于長時(shí)間鍛煉。因此生產(chǎn)廠家引入密度較小的鋁制作網(wǎng)球拍，但是鋁也有不足的地方，鋁的韌性較小，制作的網(wǎng)球拍承受力較小，容易彎曲。隨著合金的發(fā)展，合金相比于純金屬具有更加優(yōu)異的性能，因此也被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)球拍的制作中。

1.3碳纖維網(wǎng)球拍

近年來，隨著新材料的發(fā)展，碳纖維材料因?yàn)榫哂袕?qiáng)度大、抗摩擦性好、耐疲勞等優(yōu)異性能被應(yīng)用于網(wǎng)球拍的制作中[4]，如圖3所示為市面上常見的碳纖維網(wǎng)球拍。除此之外，樹脂粘接劑具有優(yōu)良的彈性以及粘接能力。而碳纖維和樹脂膠粘劑都是密度很小的材料，將二者結(jié)合起來應(yīng)用到網(wǎng)球拍中，能夠在明顯減小球拍重量的同時(shí)提高球拍的彈性、剛性、抗震能力以及耐磨的性能。

2 用于網(wǎng)球拍粘接的粘接劑配方優(yōu)化方法

現(xiàn)在盛行的碳纖維網(wǎng)球拍的生產(chǎn)主要通過碳纖維材料和樹脂粘接劑混合調(diào)配，再利用吹氣熱壓法使球拍成型得到的[5]。對(duì)于碳纖維網(wǎng)球拍的制作，工藝比較成熟的是滾筒纏繞法。不論通過何種方法制作，都需要用到樹脂膠粘劑的粘接，因此膠粘劑的性能對(duì)網(wǎng)球拍性能的影響很大。因此，這里我們對(duì)粘接劑的配方進(jìn)行了優(yōu)化。

2.1優(yōu)化配方后的粘接劑的制備

普通用于碳纖維網(wǎng)球拍制作的粘接劑的主要成分為環(huán)氧樹脂和固化劑。這里我們將對(duì)其主要成分的比例配方進(jìn)行優(yōu)化，除此之外，我們還將向粘接劑中引入觸變劑，進(jìn)一步改善粘接劑的性能，使其具有觸變性流體性。

在膠粘劑的研究中，一般稱樹脂部分為a組分，稱固化劑部分為b組分，為了敘述方便，本研究中也將主要成分按照這兩個(gè)名稱代號(hào)進(jìn)行稱呼。

具體優(yōu)化后的粘接劑配方比例如下：

a組分主要為環(huán)氧樹脂，調(diào)配a的配方中主要試劑的質(zhì)量比為m（環(huán)氧樹脂）：m（增韌劑）：m（稀釋劑）=100： 10：9，后面加入的各種試劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)都是以本配方中的環(huán)氧樹脂為標(biāo)準(zhǔn)，定義環(huán)氧樹脂為100。此配方中還需要加入2%的偶聯(lián)劑作為助劑，使前面三種試劑能夠充分偶聯(lián)。然后將各種試劑混合液置于容器中，放入電動(dòng)攪拌機(jī)中，設(shè)置轉(zhuǎn)速約為6000r/min，高速攪拌15min，使各種試劑混合均勻。最后，將混合均勻的試劑置于研磨機(jī)中研磨3遍，使膠液更加細(xì)膩。b組分的主要成分為固化劑，與a組分的調(diào)配一樣，我們需要向b的固化劑中加入各種助劑，然后混勻，調(diào)配好了以后再與a組分混合，最后將a組分與b組分按照100： 45的比例攪拌混合。為了更好地進(jìn)行應(yīng)用，粘接劑調(diào)配好以后還需要確定其流體類型，做粘度、觸變指數(shù)等測(cè)試，考察粘接劑的性能。

2.2粘接劑的流體類型確定以及性能測(cè)試

2.2.1粘接劑的流體類型

1）理想流體所謂理想流體就是服從牛頓第二定律，不可壓縮、黏度為零的液體，因此這種液體又可以稱為牛頓液體[6]。研究者們根據(jù)理想流體的運(yùn)動(dòng)，建立了如下的運(yùn)動(dòng)方程：

τ=η·dx/dr=η·γ

上面的公式中，τ表示受到的剪應(yīng)力，γ表示流體的剪切速率，η表示液體的黏度。如圖4a所示為理想流體的黏度特性曲線，由圖中曲線可以看出，在溫度一定的條件下，符合牛頓第二定律的液體在一定的剪切速率范圍之內(nèi)黏度不變。

黏度是指流體在流動(dòng)過程中受到分子間相互吸引力以及熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的分子間摩擦力大小。黏度越大，流體受到的摩擦力也就越大，流動(dòng)阻力越大，流動(dòng)越困難。

2）非理想流體與理想流體性質(zhì)相反，非理想流體不符合牛頓第二定律，因此也稱為非牛頓流體。非牛頓流體主要包括假塑性流體、膨脹性流體、觸變性流體、震凝型流體等[7]。

如圖4b所示為假塑性流體的黏度特性曲線，由圖可知，當(dāng)剪應(yīng)力較小，產(chǎn)生的剪切速率較小，這時(shí)流體基本沒有運(yùn)動(dòng)，因此黏度不變，當(dāng)剪切力達(dá)到阻力最大值時(shí)，在這個(gè)剪切速率下，流體開始運(yùn)動(dòng)，黏度隨著剪切速率的增大而減小。如圖4c所示為膨脹性流體的黏度曲線，在未達(dá)到摩擦阻力最大值時(shí)，黏度值不變;當(dāng)剪應(yīng)力逐漸增大到超過阻力值時(shí)，流體開始流動(dòng)，與假塑性不同的是，此時(shí)黏度隨剪切速率的增大而增大，如圖4d所示為觸變性流體和震凝型流體的黏度曲線，這兩種流體的黏度性質(zhì)相似，開始時(shí)剪切速率增大，流體黏度變小，而當(dāng)剪切力剪切速率撤離，黏度又逐漸恢復(fù)。我們通過黏度計(jì)對(duì)所制備得到的液體進(jìn)行測(cè)定，并繪制黏度曲線，就可以判定為何種流體，再根據(jù)各種流體各自不同的性質(zhì)，判斷觸變劑對(duì)碳纖維網(wǎng)球拍制作中的粘接劑流變特性的影響。

2.2.2測(cè)試粘接劑性能所需儀器

如圖5a為本實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)定粘接劑黏度的旋轉(zhuǎn)式黏度計(jì)，這款黏度計(jì)型號(hào)為NDJ-1，里面配套的有0、l、2、3、4、5號(hào)5種型號(hào)的轉(zhuǎn)子。其中0號(hào)轉(zhuǎn)子主要用于黏度較低的流體測(cè)試，5號(hào)為黏度較大的流體測(cè)試。由于本實(shí)驗(yàn)的溫度是恒定的，因此我們還用到了如圖5b所示的恒溫水槽，一般設(shè)置水溫為25℃。

2.2.3粘接劑性能測(cè)試方法

1）黏度的測(cè)定。被測(cè)試的液體如果不是理想流體，那么利用黏度計(jì)測(cè)試得到的黏度值就是表觀黏度，這時(shí)黏度值并不是一成不變的，因此在測(cè)定非理想流體的黏度時(shí)必須標(biāo)注對(duì)應(yīng)的剪切速率大小。尤其是觸變性流體的黏度測(cè)定，由于在移除剪應(yīng)力后黏度逐漸恢復(fù)的曲線與增加剪應(yīng)力時(shí)的黏度變化曲線不重合，導(dǎo)致在同一個(gè)剪切速率下測(cè)得的黏度值不一定相同，因此更加需要對(duì)剪切速率有明顯的標(biāo)注。

為了使測(cè)定數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，我們需要保證讀數(shù)在刻度盤30%～70%范圍內(nèi)，因此需要選擇合適的轉(zhuǎn)子以及測(cè)定速率范圍。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了保證流體溫度恒定，我們將裝有被測(cè)液體的容器置于恒溫水槽中，使水槽內(nèi)水面高度高于試液液面。轉(zhuǎn)子需要垂直插入被測(cè)液體中，并使液面完全沒過轉(zhuǎn)子，達(dá)到液位標(biāo)志線。最后，打開旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，讀取剪切速率變化過程中黏度值，所有過程都需要等指針在圓盤上不變時(shí)再進(jìn)行讀數(shù)。首先將黏度計(jì)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為5r/min，讓所測(cè)液體從靜止?fàn)顟B(tài)下開始施加剪應(yīng)力，直到轉(zhuǎn)速變?yōu)?0r/min，這個(gè)過程中黏度可能會(huì)隨著剪切速率的增大而變小;隨后我們將轉(zhuǎn)速由高到低進(jìn)行調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)速從60r/min又變回5r/min，這個(gè)過程中流體受到的剪切力會(huì)慢慢變小直到消失。

2）觸變指數(shù)的測(cè)定。若黏度計(jì)轉(zhuǎn)速為5r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的黏度值為Vr，轉(zhuǎn)速升高到60r/min時(shí)的黏度值為Vo，那么觸變指數(shù)可以根據(jù)如下公式進(jìn)行計(jì)算得到：

TI= Vr/Vo

公式中如果TI=1，那么該流體就沒有觸變性;若TI>l，表明該流體是正觸變性流體，此時(shí)剪切速率越大對(duì)應(yīng)的黏度值就越小，并且TI數(shù)值越大觸變性越強(qiáng);若TI

正觸變性越大的粘接劑，受到剪應(yīng)力作用后黏度降低，有利于粘接涂抹，不會(huì)變形，并且固化后彈性更大，耐摩性更強(qiáng)，因此被用于碳纖維網(wǎng)球拍制作中的粘接劑正觸變性越大越好。

2.3優(yōu)化配方后粘接劑的黏度與觸變指數(shù)測(cè)定

如圖6所示為測(cè)定得到的優(yōu)化配方的粘接劑黏度變化曲線，由圖可知，該粘接劑為觸變性流體，并且粘度值隨剪切速率增大而減小，是正觸變流體。

由上述測(cè)定得到的粘度數(shù)據(jù)，我們可以計(jì)算得到該粘接劑的觸變指數(shù)為5.01，遠(yuǎn)大于1，因此具有較好的觸變能力，有利于碳纖維網(wǎng)球拍的制作。

3 結(jié)語

由于粘接劑是碳纖維網(wǎng)球拍的制作中的常用材料，為了提高網(wǎng)球拍的性能，本文提出了一種用于碳纖維網(wǎng)球拍粘接的粘接劑的優(yōu)化方法。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)配方優(yōu)化后的粘接劑進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明該粘接劑具有較好的觸變能力，能夠增大網(wǎng)球拍的彈性、抗震能力以及耐磨性，有利于碳纖維網(wǎng)球拍的制作。

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